通信综合课程设计Word格式.doc
《通信综合课程设计Word格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信综合课程设计Word格式.doc（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要 I
ABSTRACT II
通信系统课群综合训练与设计 1
1设计任务及要求 1
2设计原理 1
2.1通信系统组成 1
2.2数字化方式：
PCM基本原理 2
2.2.1抽样 2
2.2.2量化 3
2.2.3编码 5
2.3基带码：
miller码 6
2.4信道码：
汉明码 6
2.3.1汉明码编码原理 6
2.3.2汉明码纠错原理 8
2.3.3汉明码matlab函数介绍 9
2.4调制方式：
2ASK 9
2.4.12ASK调制 9
2.4.22ASK解调 10
2.5信道类型：
AGWN信道 11
3仿真结果 11
3.1原始信号 11
3.2PCM编码仿真 12
3.3MIller编码仿真 13
3.4Hamming编码信号 13
3.5ASK调制信号 14
3.6信号AWGN处理 14
3.7ASK解调信号 15
3.8Hanmming解码信号 15
3.9Miller解码信号 16
3.10PCM解码信号 16
4总结 17
5参考文献 18
附录 19
32
摘要
在数字通信系统中，需要将输入的数字序列映射为信号波形在信道中传输，此时信源输出数字序列，经过信号映射后成为适于信道传输的数字调制信号，并在接收端对应进行解调恢复出原始信号。
所以本论文主要研究了数字信号的传输的基本概念及数字信号传输的传输过程和如何用MATLAB软件仿真设计数字传输系统。
首先介绍了本课题的理论依据，包括数字通信，数字基带传输系统的组成及数字信号的传输过程。
然后按照仿真过程基本步骤用MATLAB的仿真工具实现了数字基带传输系统的仿真过程，对系统进行了分析。
关键词：
PCM、Miller码、汉明码、ASK、AWGN
ABSTRACT
Indigitalcommunicationsystem,needtheinputdigitalsequencemapforsignaltransmissioninthechannel,thesourceoutputdigitalsequence,aftersignalaftermappingbecomesuitableforchanneltransmissionofdigitalmodulationsignals,andatthereceivingendcorrespondingtoresumetheoriginalsignaldemodulation.SothisthesismainlystudiesthedigitalsignaltransmissionofthebasicconceptandthedigitalsignaltransmissiontransmissionprocessandhowtouseMATLABsimulationsoftwaretodesigndigitaltransmissionsystem.Thefirstinterfaceintroducedthistopictheoreticalbasis,includingdigitalcommunication,digitalbasebandtransmissionsystemcompositionanddigitalsignaltransmissionprocess.AccordingtothesimulationprocessandbasicstepsoftheMATLABsimulationtoolstoimplementthedigitalbasebandtransmissionsystem'
sprocess,thesystemisanalyzed.
Keywords:
PCM、Miller-code、Hamming-code、ASKmodulation、AWGN
通信系统课群综合训练与设计
1设计任务及要求
（1）按下列要求对一个通信系统进行仿真
表1-1
模拟信源（模拟话音）
数字化方式
基带码
信道码
调制方式
信道
解调
信道解码
基带解码
数模转换
自己构造一时间函数
PCM
miller码
汉明码
ASK
AWGN
与发送端对应
（2）学生要完成整个系统各环节以及整个系统的仿真，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。
2设计原理
2.1通信系统组成
通信的目的是传输信息。
通信系统的作用就是将信息从信息源发送到一个或多个目的地。
对于任何一个通信系统，均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成（如图2-1所示）。
接收设备
发送设备
信息源
编码设备
信道
噪声源
发送端
接收端
调制设备
译码码设备
解调设备
图2-1
PCM基本原理
脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，它是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。
由于这种通信方式抗干扰能力强，因此在光钎通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的运用。
PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。
分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。
根据CCITT的建议，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。
2.2.1抽样
所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。
它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。
在一个频带限制在（0，fh）内的时间连续信号f（t），如果以1/2fh的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。
或者说，如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过fh，当抽样频率fS≥2fh时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。
这就是抽样定理。
2.2.2量化
从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。
如图3.1所示量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，…，L。
常称为重建电平或量化电平。
当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。
这个量化过程可以表达为：
（1）
这里称为分层电平或判决阈值。
通常称为量化间隔。
量化后的抽样信号于量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。
这种失真在接收端还原模拟信号是变现为噪声，并称为量化噪声。
量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化极差或间隔越小，量化噪声也越小。
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
由于均匀量化存在的主要缺点是：
无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。
因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样的话化信噪比就难以达到给定的要求。
通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，对于弱信号时，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。
为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；
反之，量化间隔就大。
它与均匀量化相比，有两个突出的优点。
首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；
其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。
因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。
实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。
通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。
广泛采用的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，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。
所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：
A律：
（2）
式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、μ为压缩系数。
A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。
实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。
这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。
实际中A律常采用13折线近似如图2-2所示
图2-2A律13折线
其具体分法如下:
先将X轴的区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;
区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;
区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;
区间[0,1/8]一分为二，中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;
图2-2
区间[0,1/16]一分为二，中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段;
区间[0,1/32]一分为二，中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;
区间[0,1/64]一分为二，中点为1/128,区间[1/128,1/64]作为第二段;
区间[0,1/128]作为第一段。
然后将Y轴的[0,1]区间均匀地分成八段，从第一段到第八段
分别为[0,1/8],（1/8,2/8],（2/8,3/8],（3/8,4/8],（4/8,5/8],（5/8,6/8],
（6/8,7/8],（7/8,1]。
分别与X轴对应。
2.2.3编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。
当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。
量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。
若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应的依次赋予一个十进制数字代码，在码前以“+”、“—”号为前缀，来区分样值的正负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。
把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程为编码。
目前国际上普遍采用8位非线性编码。
例如PCM30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4096个量化单位（最小的量化间隔称为一个量化单位）在4096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。
用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表2-1所示：
表2-18位非线性编码的码组结构
极性码
段落码
段内码
M1
M2M3M4
M5M6M7M8
其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。
从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。
因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。
这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。
用M2至M4位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。
其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
这样处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。
Miller码也称延迟调制码，是一种变形双向码。
Miller码编码规则：
对原始符号“1”码元起始不跃变，中心点出现跃变来表示，即用10或01表示。
对原始符号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同处理；
单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不跃变；
对于连续“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跃变
汉明码（HammingCode）是一种能够自动检测并纠正一位错码的线性纠错码，即SEC（SingleErrorCorrecting）码，用于信道编码与译码中，提高通信系统抗干扰的能力。
2.3.1汉明码编码原理
一般来说，若汉明码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。
若希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求
（3）
下面以（7，4）汉明码为例说明原理：
设汉明码（n,k）中k=4，为了纠正一位错码，由式
（1）可知，要求监督位数r≥3。
若取r=3,则n=k+r=7。
我们用来表示这7个码元，用的值表示3个监督关系式中的校正子，则的值与错误码元位置的对应关系可以规定如表2-3所列。
表2-3校正子和错码位置的关系
错码位置
001
101
010
110
100
111
011
000
无错码
则由表1可得监督关系式：
（5）
（6）
（7）
在发送端编码时，信息位的值决定于输入信号，因此它们是随机的。
监督位、、应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使式（5）~式（7）中、、的值为0（表示编成的码组中应无错码）可以通过这个得到监督位及监督矩阵，得到
或（8）
（9）
Q为P的转置，将Q的左边加上一个k×
k阶单位方阵，就构成一个矩阵G
G称为生成矩阵，因为由它可以产生整个码组，即有
（10）
式（10）即汉明码的编码原理。
2.3.2汉明码纠错原理
当数字信号编码成汉明码形式后在信道中传输，由于信道中噪声的干扰，可能由于干扰引入差错，使得接收端收到错码，因此在接收端进行汉明码纠错，以提高通信系统的抗干扰能力及可靠性。
一般来说接收码组与A不一定相同。
若设接收码组为一n列的行矩阵B，即
（11）
则发送码组和接收码组之差为
（12）
E就是传输中产生的错码行矩阵
（13）
若ei=0，表示接收码元无错误，若ei=1，则表示该接收码元有错。
式（14）可改写成
（15）
若E=0，即接收码组无错,则，将它代人式（8），该是仍成立，即有
（16）
当接收码组有错时，E≠0，将B带入式（8）后，该式不一定成立。
在未超过检错能力时，式（19）不成立。
假设此时式（16）的右端为S,即
（17）
将代入式（17），可得
（18）
由式（8）可知，所以
（19）
此处S与前面的有着一一对应关系，则S能代表错码位置。
因此，纠错原理即，接收端收到码组后按式（17）计算出S,再根据表2-3判断错码情况，进行差错纠正。
2.3.3汉明码matlab函数介绍
MATLAB中提供了汉明码的编码和译码函数，本程序直接调用进行编程。
①encode函数
功能：
编码函数
语法：
code=encode（msg,N,K,’hamming’）
说明：
该函数对二进制信息msg进行汉明编码，K为信息位长度，N为码字长度。
msg是一个K列矩阵。
②decode函数
译码函数
rcvcode=decode（code,N,K,’hamming’）
该函数对接受码字进行译码，恢复出原始信息，译码参数及方式必须和编码时采用的完全相同。
③hammgen函数
汉明码生成矩阵和校验矩阵产生函数
H=hammgen（M）
[H,G]=hammgen（M）
[H,G,N,K]=hammgen（M）
该函数的功能是产生生成矩阵和校验矩阵，其中M=N-K为校验位的长度，H为汉明码的校验矩阵，G为汉明码的生成矩阵。
2ASK
2.4.12ASK调制
振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制.当数字基带信号为二进制时,则为二进制振幅键控.2ASK信号的产生方法通常有两种：
模拟调制法和键控法。
模拟调制法使用乘法器实现，如图2-3所示。
键控法使用开关电路实现，如图2-4所示。
图2模拟调制法
乘法器
S（t）
e0（t）
滤波器
cosωct
图2-3键控法
也称OOK信号
开关K的动作由S（t）决定，当S（t）=
1
K
0K接0
1K接1
图2-4键控法
2.4.22ASK解调
本设计解调部分选用包络检波法如图2-5所示。
低通
比较器
ASK已调信号
比较电平
输出
图2-5ASK包络检波法系统框图
低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号通过。
比较器的功能是对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序，比较电平是由ASK峰值检波并分压而得到。
AGWN信道
信号在传输的过程中，不可避免的会受到各种干扰，这些干扰统称为“噪声”。
加性高斯白噪声是一种最常见的噪声，它存在于各种传输煤质中，包括有线信道和无线信道。
加性高斯白噪声表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程。
加性高斯白噪声的均值为0，方差是噪声功率的大小。
一般情况下，噪声功率越大，信号波动的幅度越大，接收端接收到信号的误比特率越高。
AWGN，在通信上指的是一种通道模型（channelmodel），此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带（Wideband）的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。
白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，即其功率谱密度为常数。
AWGN从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。
高斯白噪声的概念：
“白”指功率谱恒定；
高斯指幅度取各种值时的概率p（x）是高斯函数。
功率谱密度恒定的话，自相关系数则是功率谱密度的反变换，高斯白噪声的自相关系数为无延时的冲击函数，则在时间差不等于零的时候，自相
升级会员 