2022年通信系统课群综合训练与设计 .pdf
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1、武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告1 目录目录 .1 摘要 .2 Abstract.3 1.设计任务.4 2.实验电路原理分析.5 2.1 增量调制原理.5 2.2 Miller码原理.6 2.3 循环码原理.7 2.4 PSK 原理.9 2.5 衰落信道原理.10 3.实验过程及结果分析.13 5.参考文献.20 6.附录 .21 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告2 摘要从人类信息交流和通信的演化进程可以清楚地体会信息技术的不断发展性.现代信息技术具有强大的社会功能,已经成为21 世纪推动社会生产力发
2、展和经济增长的重要因素.信息技术在改变社会的产业结构和生产的同时,也对人类的思想观念、思维方式和生活方式产生着重大而深远的影响.MATLAB 是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB 和 Simulink两大部分。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信
3、号检测、金融建模设计与分析等领域。能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模,其中通信系统工具箱中包含了对通信系统进行分析和仿真所 需的信源编码、纠错编码、信道、调制解调以及其他所用的库函数和模块。关键词:增量调制,Miller码,循环码,PSK,衰落信道名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告3 Abstract In todays information society,you can clearly feel that the continuous development of informati
4、on technology,from evolutionary process of human information exchange and communication of modern information technology with a strong social function,the 21st century has become an important factor in promoting the development of social productivity and economic growth.IT in a changing society indu
5、strial structure and production,but also on the concept of human thinking,ways of thinking and way of life are significant and far-reaching impact.MATLAB is a U.S.commercial mathematics software for algorithm development,data visualization,data analysis and numerical calculation senior technical com
6、puting language and interactive environment,including MATLAB and Simulink two parts.MATLAB and Mathematical,Maple and called three mathematical software.It is second to none in terms of numerical mathematics class technology application software.MATLAB matrix operations can be carried out,drawing fu
7、nctions and data,algorithm,creating the user interface,the connection procedure other programming languages,mainly used in engineering calculations,control design,signal processing and communications,image processing,signal detection,financial modeling design and analysis and other fields.Modeling c
8、an be performed in a continuous time domain,the discrete time domain,or a mixture of both in the time domain,wherein the communication system includes a toolbox for the analysis and simulation of the communication system required for the source coding,error correction coding,channel modulation demod
9、ulation and other library functions and modules used.Keywords:delta modulation,Miller codes,cyclic codes,PSK fading channel 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告4 1.设计任务利用 Matlab 设计完成一个典型的通信系统(如图1 所示)。图 1 典型的通信系统框图其中,首先输入模拟信号,给出此模拟信号的时域波形。数字化:将模拟信号进行数字化,得到数字信号,选择增量调制。信道编码:实现简单的信
10、道编译码Miller码。信道码为循环码。调制方式为 PSK。信道类型为衰落信道。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告5 2.实验电路原理分析2.1 增量调制原理增量调制简称 M或增量脉码调制方式(DM),它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946年由法国工程师 De Loraine 提出,目的在于简化模拟信号的数字化方法。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D 转换器使用。增量调制最主要的特点就是它所产生的二进制代码表示模拟信号前后两个抽样值的差别(增加、还是减
11、少)而不是代表抽样值本身的大小,因此把它称为增量调制。在增量调制系统的发端调制后的二进制代码1 和 0 只表示信号这一个抽样时刻相对于前一个抽样时刻是增加(用 1 码)还是减少(用 0 码)。收端译码器每收到一个 1 码,译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量化阶,而收到一个 0 码,译码器的输出相对于前一个时刻的值下降一个量化阶。增量调制(DM)是 DPCM 的一种简化形式。在增量调制方式下,采用 1 比特量化器,即用 1 位二进制码传输样值的增量信息,预测器是一个单位延迟器,延迟一个采样时间间隔。预测滤波器的分子系数向量是0,1,分母系数为 1。当前样值与预测器输出的前一样值相比较,如
12、果其差值大于零,则发 1 码,如果小于零则发0码。增量调制系统框图如图2 所示,其中量化器是一个零值比较器,根据输入的电平极性,输出为,预测器是一个单位延迟器,其输出为前一个采样时刻的解码样值,编码器也是一个零值比较器,若其输入为负值,则编码输出为0,否则输出为 1。解码器将输入 1,0 符号转换为,然后与预测值相加后得出解码样值输出,同时也作为预测器的输入。输入样值enen=sgn(en)传输sgn(en)xn=xn-1+sgn(en)xn+-+预测输出+n-1+预测输出解码样值输出xn-1 预测输入xn=xn-1+sgn(en)图 2 增量调制原理框图解码编码二电平量化单 位延迟单 位延迟
13、名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告6 2.2 Miller 码原理Miller 码又称延迟调制码,它是双相码的一种变形。其编码规则如下:“1”码用码元中心点出现跃变来表示,即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况:单个零时,在码元持续时间内不出现电平跃变,且与相邻码元的边界处也不跃变,连“0”时,在两个“0”码的边界处出现电平跃变,即“00”与“11”交替出现。密勒码可由双相码的下降沿去触发双稳电路产生。密勒码最初用于气象卫星和磁记录,现在也用于低速基带数传机。密勒码的电平跃变如图所示:图 3 密勒码的电平
14、跃变名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告7 2.3 循环码原理图 4 总原理方框图循环码的编、译码系统由下列五部分组成:定时单元、信码发生器及显示部分、编码器和译码器。(1)定时单元本单元提供编码器及译码器所需的时序信号。其时钟重复频率(CP)为 2MHZ。(2)信码发生器本单元给编码器提供一个信号源,手控开关(板上CDIN)置于+5V时,发光二极管亮,代表输出“1”码元。若开关置于“0”,代表输出“0”码元。(3)循环码编码器编 码 器 是本 实 验 的 主要 部 分。根 据生 成 多 项 式1)(4569xxx
15、xxxg,采用 5 个异或门和 D触发器组成编码器。在K1信号的控制下,输入6 位信息码元 CDIN,一方面串行输入信道,另一方面通过与门送入除法电路进行计算。第6 位输入码元结束时,K1信号也为零,在 CP脉冲作用下,移位寄存器将计算的结果(CDOUT)送往信道,即在6 位信息码元后附加了 9 位监督码,使码长(n=K+r)为 15。(4)译码方框图及原理介绍图 5 译码器方框图经过信道加错后的信码,在K1信号的作用下,进入6 位移存器,同时另一路进入除法电路进行伴随式计算,当6 个信码全存人移存器时,电子开关置于名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页,共 26 页 -武汉
16、理工大学通信系统课群综合训练与设计报告8“0”,此时信码保存在移存器中,同时另一路已进入除法器的信码,在CP脉冲的作用下,进入除法电路及正交方程形成网络、大数逻辑判决电路。由于本实验最小码间距离d0=6,故最多能纠正两位错码,若错码个数在2 个以内,该系统能自行纠正,纠正后的信码通过电子开关进入移存器,并在显示信号K3的作用下,若发光二极管亮表示“1”码,不亮表示“0”码。此时译码信号是并行输出至显示部分的,它显示的信号应与信源显示的一一对应(注意此时信道干扰产生的错码只能是 1 个或 2 个)。假如信道中错误个数已超过该码纠错能力(即超过2),那么译码显示与编码显示不能对应。正交方程的定义是
17、:假定最高错误码元为e14,其次 e13,此类推至 e0,即e14 在每个方程中均出现一次,而其它错误码元在4 个方程组中出现一次,正交方程组如下:。,7810140026141151314231112143eeeeSeeeeSeeeeSeeeeS(1)由正交形成网络输出至大数逻辑判决电路,由四个三与非门及四输入与非门组成。该电路输出信号通过与门在K2信号作用下,一方面进入除法电路进行伴随式复位,另一方面进入异或门,与 6 位移位寄存器中相应的信号相加(最高位)。已纠正的码经过与门又存在相应的移位寄存器中。6 位移位寄存器将纠正后的正确码字在显示脉冲K3作用下并行输出。在 2 个错误码元以内本
18、电路能自行校正,译码器显示的码与编码器显示的码应一致。如果错误码元超过2个,译码电路会产生错纠现象,译码显示电路显示的码与编码器不一样,即使一样也是巧合。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告9 2.4 PSK 原理相位偏移调制,又称移相键控(PSK,Phase Shift Keying)是一种利用相位差异的信号来传送资料的调制方式。该传送信号必须为正交信号,其基底更须为单位化信号。一个信号所代表的数学公式(2)一般调制信号的改变部份可分为幅度A(ASK用)、相位(PSK用)及频率(FSK用)三种。其中PSK即利用相
19、位差异来产生的调制方式。MPSK 通用的传输符号之公式。(3)PSK又可称 M-PSK或 MPSK,目前有 BPSK、QPSK、16PSK、64PSK等等,常用的只有 QPSK。而 M是代表传送信号的符号(symbol)种类。符号越多,传送的比特数越多,自然在固定时间可传送越多的资料量(bps)。传输量公式。(4)图 6 BPSK、QPSK、8PSK及 16PSK的 BER对 SNR图假设各 MPSK 皆在同一能量下传送,PSK会因为符号种类(M)的提升使比特错误率(Bits Error Rate,BER)快速上升。所以在符号数M大于 16后都由 QAM名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心
20、整理-第 9 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告10 来执行调制工作。QPSK 如果用格雷码对映的方式,其BER 会和 BPSK 一样。所以目前常用的只有 QPSK。2.5 衰落信道原理瑞利衰落信道(Rayleigh fading channel)是一种无线电信号传播环境的“统计模型(statistical model)”。这种模型假设信号通过无线信道之后,其信号幅度(amplitude)是随机的,即“衰落(fading)”,并且其包络(envelope)服从瑞利分布(Rayleigh distribution)。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道,
21、以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号(LoS,Line of Sight)的情况,否则应使用莱斯衰落信道(Ricean fading channel)作为信道模型。瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。若传播环境中存在足够多的散射,则冲激信号到达接收机后表现为大量统计独立的随机变量的叠加,根据中心极限定理,则这一无线信道的冲激响应将是一个高斯过程。如果这一散射信道中不存在主要的信号分量,通常这一条件是指不存在直射信号(LoS),则这一过程的均值为0,且相位服从 0 到 2 的均匀分布。即,信道响应的包络服从瑞利分布。设随机变量R
22、,于是其概率密度函数为:(5)其中。(6)若信道中存在一主要分量,例如直射信号(LoS),则信道响应的包络服从莱斯分布,对应的信道模型为莱斯衰落信道。图 7 最大多普勒频移为10Hz的瑞利衰落信道。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页,共 26 页 -武汉理工大学通信系统课群综合训练与设计报告11 图 8 最大多普勒频移为100Hz的瑞利衰落信道。图 9 瑞利衰落信道的自相关函数,其多普勒频移为10Hz。瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径,而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。在曼
23、哈顿的实验证明,当地的无线信道环境确实接近于瑞利衰落。通过电离层和对流层反射的无线电信道也可以用瑞利衰落来描述,因为大气中存在的各种粒子能够将无线信号大量散射。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应,它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。信道衰落的快慢与发射端和接收端的相对运动速度的大小有关。相对运动导致接收信号的多普勒频移。图中所示即为一固定信号通过单径的瑞利衰落信道后,在 1 秒内的能量波动,这一瑞利衰落信道的多普勒频移最大分别为10Hz和100Hz,在 GSM1800MHz的载波频率上,其相应的移动速度分别为约6 千米每小时和 60 千米每小时。特别需要注意的是信号的“深衰落”现象,此时信号
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