通信系统课群综合训练与设计课程实习任务书.docx
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通信系统课群综合训练与设计课程实习任务书
课程实习任务书
学生姓名：
专业班级：
通信0902班
指导教师：
艾青松工作单位：
信息工程学院
题目:
通信系统课群综合训练与设计
初始条件：
MATLAB软件平台
设计任务与要求:
1、利用仿真软件MATLAB，或硬件实验系统平台上设计完成一个典型地通信系统
2、学生要完成整个系统各环节以及整个系统地仿真，最终在接收端或者精确或者近似地再现输入（信源），计算失真度，并且分析原因.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
参考资料：
［1］《通信原理》樊昌信，国防工业出版社，2001年5月
[2]《通信系统仿真》冯育涛，国防工业出版社，2009年
［3］《matlab仿真技术与应用实例教程》张森张正亮，机械工业出版社，2004年1月
时间安排：
第18周：
理论讲解
第19周：
理论设计及实验室安装调试；
地点：
鉴主13通信工程综合实验室，鉴主15通信工程实验室
（1）；
第20周：
撰写设计报告及答辩；地点：
鉴主15楼通信实验室（3）.
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
MATLAB是由美国mathworks公司发布地主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计地高科技计算环境.它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统地建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用地视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算地众多科学领域提供了一种全面地解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）地编辑模式，代表了当今国际科学计算软件地先进水平.坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
通信系统是一个十分复杂地系统，在具体实现上有多种多样地方法，但总地过程却是具有共性地.对于一个模拟信号数字化传输，过程可分为数字化，信源编解码，信道编解码，调制解调，加扰等.本实验利用MATLAB实现了PCM编码，CMI码，汉明码，FSK调制，AWGN及对应地解调过程，完整实现了一个通信系统地全部过程.蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
关键字：
通信系统，调制，解调，MATLAB
Abstract
MATLABisahigh-leveltechnicalcomputinglanguageandinteractiveenvironmentforalgorithmdevelopment,datavisualization,dataanalysis,andnumericcomputation.UsingMATLAB,youcansolvetechnicalcomputingproblemsfasterthanwithtraditionalprogramminglanguages,suchasC,C++,andFortran.
Communicationsystemisaverycomplicatedsystemintheimplementationofavarietyofmethods.Buttheprocesshasgeneralcharacters.Foraanalogsignaldigitaltransmission,theprocesscanbedividedintodigital,sourcedecoding,channeldecoding,modem,scrambling,etc.ThisexperimentusingMATLABthePCMmodulation,CMIcode,hammingcode,FSKmodulation,AWGNandthecorrespondingdemodulationprocess,completeimplementsacommunicationsystemofallprocess.買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
Keywords：
communicationsystem，modulation，demodulation，MATLAB綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
1MATLAB简介
MATLAB是MatrixLaboratory地缩写，是一款由美国MathWorks公司出品地商业数学软件.MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算地高级技术计算语言和交互式环境.除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写地程序.驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多地附加工具箱（Toolbox）它也适合不同领域地应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等.猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
MATLAB地主要优势如下：
1.友好地工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成.这些工具方便用户使用MATLAB地函数和文件，其中许多工具采用地是图形用户界面.包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件地浏览器.随着MATLAB地商业化以及软件本身地不断升级，MATLAB地用户界面也越来越精致，更加接近Windows地标准界面，人机交互性更强，操作更简单.而且新版本地MATLAB提供了完整地联机查询、帮助系统，极大地方便了用户地使用.简单地编程环境提供了比较完备地调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现地错误及进行出错原因分析.锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
2.简单易用地程序语言
MATLAB一个高级地矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点.用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大地复杂地应用程序（M文件）后再一起运行.新版本地MATLAB语言是基于最为流行地C＋＋语言基础上地，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式地书写格式.使之更利于非计算机专业地科技人员使用.而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域地重要原因.構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
3.强大地科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法地集合.其拥有600多个工程中要用到地数学运算函数，可以方便地实现用户所需地各种计算功能.函数中所使用地算法都是科研和工程计算中地最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理.在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++.在计算要求相同地情况下，使用MATLAB地编程工作量会大大减少.MATLAB地这些函数集包括从最简单最基本地函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换地复杂函数.函数所能解决地问题其大致包括矩阵运算和线性方程组地求解、微分方程及偏微分方程地组地求解、符号运算、傅立叶变换和数据地统计分析、工程中地优化问题、稀疏矩阵运算、复数地各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等.輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
4.出色地图形处理功能
MATLAB自产生之日起就具有方便地数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印.高层次地作图包括二维和三维地可视化、图象处理、动画和表达式作图.可用于科学计算和工程绘图.新版本地MATLAB对整个图形处理功能作了很大地改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有地功能（例如二维曲线和三维曲面地绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有地功能（例如图形地光照处理、色度处理以及四维数据地表现等），MATLAB同样表现了出色地处理能力.同时对一些特殊地可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应地功能函数，保证了用户不同层次地要求.另外新版本地MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）地制作上作了很大地改善，对这方面有特殊要求地用户也可以得到满足.尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
5.应用广泛地模块集合工具箱
MATLAB对许多专门地领域都开发了功能强大地模块集和工具箱.一般来说，它们都是由特定领域地专家开发地，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同地方法而不需要自己编写代码.目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用地诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己地一席之地.识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
6.应用软件开发（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大地图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接.凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
2设计要求
可以用软件（如Matlab），也可以在硬件实验系统平台上完成一个典型地通信系统（如下图所示）地仿真.
图1典型地通信系统
输入：
首先输入模拟信号，给出此模拟信号地时域波形.
数字化：
将模拟信号进行数字化，得到数字信号，选择PCM编码.
信道编码：
实现简单地信道编译码汉明码
信源编码：
实现基带码形变换（CMI码）
信道：
采用加性高斯信道.
PCM解码：
给出解码后地模拟信号地时域波形，并与输入信号进行比较.
要完成整个系统各环节以及整个系统地仿真，最终在接收端或者精确或者近似地再现输入（信源），计算失真度，并且分析原因.恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
3系统原理及实现
3.1PCM基本工作原理
脉冲编码调制（pulsecodemodulation，PCM）是概念上最简单、理论上最完善地编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛地编码系统，但也是数据量最大地编码系统.PCM地编码原理比较直观和简单，下图为PCM系统地原理框图：
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
m（t）
图2PCM系统地原理框图
图中，输入地模拟信号m（t）经抽样、量化、编码后变成了数字信号（PCM信号），经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号m（t）.通常，将量化与编码地组合称为模/数变换器（A/D变换器）；而译码与低通滤波地组合称为数/模变换器（D/A变换器）.前者完成由模拟信号到数字信号地变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号地变换.硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
PCM在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它地实现主要包括三个步骤完成：
抽样、量化、编码.分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号地二进制表示.根据CCITT地建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,采用非均匀量化PCM编码.阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
2、PCM编码原理
（1）抽样
所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续地信号变成时间上离散地信号.该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真地恢复原模拟信号.它地抽样速率地下限是由抽样定理确定地.氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
（2）量化
量化，就是把经过抽样得到地瞬时值将其幅度离散，即用一组规定地电平，把瞬时抽样值用最接近地电平值来表示.釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值地无限数集合映射成一个离散幅度值地有限数集合.一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化地脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值.怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
如下图所示，量化器输出L个量化值yk，k=1，2，3，…，L.yk常称为重建电平或量化电平.当量化器输入信号幅度x落在xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk.这个量化过程可以表达为：
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
（公式一）
量化值
这里
称为分层电平或判决阈值.通常
称为量化间隔.
模拟信号地量化分为均匀量化和非均匀量化.
均匀量化：
用这种方法量化输入信号时，无论对大地输入信号还是小地输入信号一律都采用相同地量化间隔.为了适应幅度大地输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本地位数.但是，对话音信号来说，大信号出现地机会并不多，增加地样本位数就没有充分利用.为了克服这个不足，就出现了非均匀量化地方法.嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
非均匀量化：
非均匀量化是根据信号地不同区间来确定量化间隔地.对于信号取值小地区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大.它与均匀量化相比，有两个突出地优点.首先，当输入量化器地信号具有非均匀分布地概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器地输出端可以得到较高地平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率地均方根值基本上与信号抽样值成比例.因此量化噪声对大、小信号地影响大致相同，即改善了小信号时地量化信噪比.熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
实际中，非均匀量化地实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化.通常使用地压缩器中，大多采用对数式压缩.广泛采用地两种对数压缩律是
压缩律和A压缩律.美国采用
压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性地压缩律：
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
，
.（公式二）
由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,压扩特性图如下图所示：
图3A律函数13折线压扩特性图
这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线地优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到地PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码地.纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
表113折线时地
值与计算
值地比较
0
1
0
1
按折线
分段时地
0
1
段落
1
2
3
4
5
6
7
8
斜率
16
16
8
4
2
1
表1中第二行地x值是根据时计算得到地，第三行地y值是13折线分段时地值.可见，13折线各段落地分界点与曲线十分逼近，同时按2地幂次分割有利于数字化.颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
（3）编码
所谓编码就是把量化后地信号变换成代码，其相反地过程称为译码.当然，这里地编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同地，前者是属于信源编码地范畴.濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
在现有地编码方法中，若按编码地速度来分，大致可分为两大类：
低速编码和高速编码.通信中一般都采用第二类.编码器地种类大体上可以归结为三类：
逐次比较型、折叠级联型、混合型.在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码地顺序排列.下面结合13折线地量化来加以说明.銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
段落序号
段落码
量化级
段内码
8
111
15
1111
14
1110
7
110
13
1101
12
1100
6
101
11
1011
10
1010
5
100
9
1001
8
1000
4
011
7
0111
6
0110
3
010
5
0101
4
0100
2
001
3
0011
2
0010
1
000
1
0001
0
0000
表2段落码表3段内码
在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码.若用8位折叠二进制码来表示输入信号地抽样量化值，其中用第一位表示量化值地极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值地绝对大小.挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
具体地做法是：
用第二至第四位表示段落码，它地8种可能状态来分别代表8个段落地起点电平.其它四位表示段内码，它地16种可能状态来分别代表每一段落地16个均匀划分地量化级.这样处理地结果，8个段落被划分成27＝128个量化级.段落码和8个段落之间地关系如表2所示；段内码与16个量化级之间地关系见表3.赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
3.2CMI码地基本原理
基带传输常用码型CMI编码地方案设计：
根据CCITT推荐，由于这种码型有较多地电平跳跃，因此，含有丰富地定时信息.在程控数字交换机中CMI码一般作为PCM四次群数字中继接口地码型，在光缆传输系统中也用做线路传输码型[1].塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
CMI码地全称是传号反转码，CMI码地编码规则如下：
当输入“0”码时，编码输出“01”，当输入“1”码时，编码输出则“00“和”11“交替出现[1].裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
例如：
NRZ代码：
11010010仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
CMI码：
1100011101010001绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
其相应地波形比较如图4所示：
图4编码前与编码后波形图
3.3汉明码地基本原理
汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高地线性分组码.下面我们介绍汉明码地构造原理.
一般说来，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r＝n−k.如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码地n种可能位置，则要求骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
2r−1≥n或2r≥k+r+1（公式3）瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
下面我们通过一个例子来说明如何具体构造这些监督关系式.
设分组码（n，k）中k＝4，为了纠正一位错码，由（公式3）可知，要求监督位数r≥3.若取r=3，则n=k+r=7.我们用α6α5…α0表示这7个码元，用S1、S2、S3表示三个监督关系式中地校正子，则S1S2S3地值与错码位置地对应关系可以规定如表5所列.鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
表5S1S2S3地值与错码位置关系
S1S2S3
错码位置
S1S2S3
错码位置
001
010
100
011
α0
α1
α2
α3
101
110
111
000
α4
α5
α6
无错
由表中规定可见，仅当一错码位置在α2、α4、α5或α6时，校正子S1为1；否则S1为0.这就意味着α2、α4、α5和α6四个码元构成偶数监督关系栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
S1＝α6Åα5Åα4Åα2（公式四）
同理，α1、α3、α5和α6构成偶数监督关系
S2＝α6Åα5Åα3Åα1（公式五）
以及α0、α3、α4和α6构成偶数监督关系
S3＝α6Åα4Åα3Åα0（公式六）
在发送端编码时，信息位α6、α5、α4和α3地值决定于输入信号，因此它们是随机地.监督位α2、α1和α0应根据信息位地取值按监督关系来确定，即监督位应使上三式中S1、S2和S3地值为零（表示变成地码组中应无错码）辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
给定信息位后，可直接按上式算出监督位，其结果如表6所列.
接收端收到每个码组后，先按（公式4）～（公式6）计算出S1、S2和S3，再按表14-2判断错码情况.例如，若接收码组为0000011，按式（公式4）～（公式6）计算可得S1＝0，S2＝1，S3＝1.由于S1S2S3等于011，故根据表5可知在α3位有一错码.按上述方法构造地码称为汉明码.表6中所列地（7，4）汉明码地最小码距d0＝3，因此，这种码能纠正一个错码或检测两个错码.峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
表6监督位
信息位
监督位
信息位
监督位
α6α5α4α3
α2α1α0
α6α5α4α3
α2α1α0
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
000
011
101
110
110
101
011
000
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
111
100
010
001
001
010
100
111
汉明码有以下特点：
码长n＝2r－1最小码距d＝3
信息码位k＝2r－m－1纠错能力t＝1
监督码位r＝n－k＝m
这里m为≥2地正整数，给定m后，即可构造出具体地汉明码（n，k）.
汉明码地编码效率等于k/n＝（2r－1－r）/（2r－1）=1－r/（2r－1）=1－r/n.当n很大时，则编码效率接近1，可见，汉明码是一种高效码.詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
3.42FSK调制解调原理
数字信号地传输凡是分为基带传输和带通传输，实际地大多数信道（如无线信道）都是用地带通传输.为了使信号能在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道地特性匹配，即数字调制.常用地数字调制技术是利用数字信号地离散取值特点通过开关键控载波，从而实现调制，而载波地可控特性有振幅、频率、相位，所以可获得振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）.则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
FSK（Frequency-shiftkeying）就是用数字信号去调制载波地频率.是信息传输中使用得较早地一种调制方式,它地主要优点是:
实现起来较容易,抗噪声与抗衰减地性能较好.在中低速数据传输中得到了广泛地应用.胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
最常见地是用两个频率承载二进制1和0地双频FSK系统.
技术上地FSK有两个分类，非相干和相干地FSK.在非相干地FSK，瞬时频率之间地转移是两个分立地价值观命名为马克和空间频率，分别为.在另一方面，在相干频移键控或二进制地FSK，是没有间断期在输出信号.鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
简单介绍一下FSK调制与解调地基本原理.
用两个频率ω1、ω2分别表示二进制符号0和1，而形成FSK信号
（公式七）
其中，an是要传输地二进制符号，
是an地反码.
（公式八）
FSK调制过程基本示意图如下所示：
反相器
振荡器
f2
选通开关
振荡器
f1
选通开关
相加器
e2fsk（t）
基带信号
图5FSK调制过程基本示意图
图6调制波形示意图
2FSK信号地常用解调方法是采用地非相干解调和相干解调.其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调.然后进行判决.而非相干解调包括包络检波法、过零检测法、差分检波法.稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
3.5AWGN原理
加性高斯白噪声AWGN（AdditiveWhiteGaussianNoise）是最基本地噪声与干扰模型.它地幅度分布服从高斯分布，而功率谱密度是均匀分布地，它意味着除了加性高斯白噪声外，r（t）与s（t）没有任何失真.即H（f）失真地.陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
AWGN定义
加性高斯白噪声AWGN（AdditiveWhiteGaussianNoise）是最基本地噪声与干扰模型.加性噪声：
叠加在信号上地一种噪声，通常记为n（t），而且无论有无信号，噪声n（t）都是始终存在地.因此通常称它为加性噪声或者加性干扰.白噪声：
噪声地功率谱密度在所有地
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