21号通信系统仿真sq.docx
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21号通信系统仿真sq
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
通信0905班
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
基于MATLAB的通信系统仿真设计
初始条件:
(1)通信系统基础知识
(2)Matlab应用软件的基本知识以及基本操作技能
(3)数字调制与解调
要求完成的主要任务:
用软件matlab完成一个典型的通信系统的仿真,其中信源,数字化方式,基带码,信道码,调制方式,信道等类型如下:
信源:
模拟信源(模拟话音)自己构造一时间函数
数字化方式:
增量调制
基带码:
PST码
信道码:
汉明码
调制方式:
FSK
信道类型:
AWGN
解调方式与输入端对应
时间安排:
第17周安排任务,分组;
第18周设计仿真,撰写报告;
第19周完成设计,提交报告,答辩。
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2
Abstract3
1通信系统4
1.1通信系统一般模型4
1.2数字通信系统5
2增量调制仿真设计7
2.1增量调制简介7
2.2基本概念8
2.3ΔM的调制原理10
2.4ΔM的解调原理12
3基带码PST码13
3.1PST码简介13
3.2编码过程13
3.3PST码的特点14
3.4pst码转换成二进制码14
4汉明码14
4.1汉明码编码原理14
4.2汉明码纠错原理16
4.3程序函数介绍17
5调制与解调18
5.1FSK基本原理19
5.2FSK调制原理19
5.4加入噪声21
6程序21
6.1fsk函数21
6.3主函数25
7结果分析29
总结33
参考文献:
34
摘要
通信是通过某种媒体进行的信息传递,目的是传输信息,通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称,作用是将信息从信源发送到接收的整个过程。
信息的编码与解码,调制与解调在信息的传输过程中占据着重要的地位,是不可或缺的,因此研究系统的调制和解调过程就极为重要。
MATLAB是集数值计算、图形绘制、图像处理及系统仿真等强大功能于一体的科学计算语言,它强大的矩阵运算和图形可视化的功能以及丰富的工具箱,为通信系统的调制和解调过程的分析提供了极大的方便。
本文首先介绍了通信系统的概念,进而介绍数字通信系统模型,然后进行信源编码与译码,信道编码与译码,加密与解密等等的matlab编程。
完整的进行了通信系统的仿真。
关键词通信系统;调制与解调;MATLAB
Abstract
Communicationisthroughamediafortransportation.Communicationsystemwhichisusedtocompletetheprocessofinformationtransmissionsystems,ingeneral,istosendtheinformationfromthesourcetooneormoredestinations.
Modulationanddemodulationoccupiedanimportantpositioninthetransmissionofinformationwhichisessential,sotheresearchaboutthemodulationanddemodulationprocessinthecommunicationsystemisextremelyimportant.MATLABisanumericalcomputation,graphicsrendering,imageprocessingandsystemsimulationandotherpowerfulfeaturesinoneofthescientificcomputinglanguage,itisapowerfulmatrixcalculationandgraphicalvisualizationfeaturesandarichtoolboxprovidesagreatconvenienceforthecommunicationsystemofmodulationanddemodulationprocess.
Thispaperintroducestheconceptofthecommunicationsystem,andthenleadstomodulationanddemodulation,andthenintroducedseveralofourcommonlyusedmethodofmodulationanddemodulation.AsthepowerofMATLABsoweintroducedthecommunicationsystemtoolboxintheMATLAB.WegivesseveralexamplesaboutthecommunicationsystembasedonMATLABmodulationanddemodulationandusethesoftwareofMATLABtosimulatethem.
KeywordsCommunicationSystems;Modulationanddemodulation;MATLAB
1通信系统
1.1通信系统一般模型
通信的目的是传递消息中所包含的信息。
消息是物质或精神状态的一种反映,在不同时期具有不同的表现形式。
例如:
话音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。
人们接受消息,关心的是消息中所包含的有效内容,即信息。
通信则是进行信息的时空转移,即把消息从一方传送到另一方。
基于这种认识,“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。
通信的目的是传输信息。
通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。
对于电通信来说,首先要把消息转变成电信号,然后经过发送设备,将信号送入信道,在接收端利用接受设备对接受信号做相应的处理后,送给信宿再转换为原来的消息。
这个过程可以如下图1的通信系统一般模型来看。
图1-1通信系统一般模型
图1-1中各部分的功能如下:
1.信息源
信息源的作用是把各种消息转换成原始电信号。
根据消息的种类不同,信源可分为模拟信源和数字信源。
模拟信源输出连续的模拟信号,如话筒(声音→音频信号)、摄像机(图像→视频信号);数字信源则是输出离散的数字信号,如电传机(键盘字符→数字信号)、计算机等各种数字终端。
并且,模拟信源送出的信号经数字化处理后也可以送出数字信号。
2.发送设备
发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号,即使发送信号的特性和信道特性匹配,具有抗信道干扰的能力,并且具有足够的功率以来满足远距离传输的需要。
因此,发送设备涵盖的内容很多,可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程,对于多路传输系统,发送设备中还包含多路复用器。
3.信道
信道是一种物理媒质,用来将来自发送设备的信号传送到接收端。
在无线信道中,信道可以是自由空间;在有线信道中,可以是明线、电缆和光纤。
有线信道和无线信道均有多种物理媒质。
信道既给信号以通路,也会对信号产生各种干扰和噪声。
信道的固有特性及引入的干扰和噪声直接影响关系到通信的质量。
途中的噪声源是信道中的噪声及分布在通信系统其他各处的噪声的集中表示。
噪声通常是随机的,形式多样的,它的出现干扰了正常信号的传输。
4.接收设备
接收设备的功能是将信号放大和反变换(如译码、解调等),其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
对于多路复用信号,接收设备中还包括解除多路复用,实现正确分路的功能。
此外,它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。
5.受信者
受信者是传送消息的目的地,其功能与信源相反,即把原始电信号还原成相应的消息,如扬声器等。
图1-1中概括地描述了一个通信系统的组成,反应了通信系统的共性。
根据我们研究的对象已经所关注的问题不同,图中的各方框的内容和作用将有所不同,因而相应有不同形式、更具体的通信模型。
1.2数字通信系统
数字通信系统(DigitalCommunicationSystem,DCS)是利用数字信号来传递信息的通信系统,如图1-2所示。
数字通信所涉及的技术问题很多,其中主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等。
图1-2数字通信系统模型
1.信源编码与译码
信源编码有两个基本功能:
一是提高信息传输的有效性,即通过某种数据压缩技术设法减小码元数目和降低码元速率。
码元速率决定传输所占的带宽,而传输带宽反映了通信的有效性。
而是完成模数转换,即当信息源给出的是模拟信号时,信源编码器将其转换成数字信号,以实现模拟信号的数字化传输。
信源译码是信源编码的逆过程。
2.信道编码与译码
信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。
数字信号在传输时受到噪声等影响后将会引起差错,为了减小差错,信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督元),组成所谓的抗干扰编码。
接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码,从中发现错误或纠正错误,提高通信系统的可靠性。
3.加密与解密
在需要实现保护的通信场合,为了保证所传信息的安全,认为地将被传输的数字序列扰乱,即加上密码,即为加密。
在接受端利用与发送端相同的密码复制品对受到的数字序列进行解密,恢复原来的信息。
4.数字调制与解调
数字调制就是把数字基带信号的频谱移到高频处,形成适合在信道中传输的带通信号。
基本的数字调制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等。
在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。
5.同步
同步时时收发两端的信号在时间上保持步调一致,是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。
与模拟通信相比,数字通信具有许多优良的特性:
(1)抗干扰能力强,且噪声不积累。
数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形,接收端的目标不是精确的还原被传输的波形,而是从收到噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的是哪一个波形。
(2)传输差错可控。
在数字通信系统中,可以通过信道编码技术进行检错与纠错,降低误码率,提高传输质量。
(3)便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。
这种数字处理的灵活性表现为可以将来自不同信源的信号综合到一起传输。
(4)易于集成,使通信设备微型化,重量轻。
(5)易于加密处理,且保密性好。
本次课程设计是利用Matlab仿真软件,完成如图1-2所示的一个基本的通信系统。
信源为模拟信源(模拟话音)数字化方式是增量调制,基带码是PST码,信道码是汉明码,其中调制方式是FSK,在AWGN信道中传输,解调方式与输入端对应。
下面介绍各个部分的原理与用matlab设计仿真过程。
2增量调制仿真设计
2.1增量调制简介
增量调制简称ΔM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DeLoraine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。
对模拟信号采样,并用每个样值与它的预测值的差值对周期脉冲序列进行调制,简称墹M或DM。
已调脉冲序列以脉冲的有、无来表征差值的正负号,也就是差值只编成一位二进制码。
增量调制的基本原理是于1946年提出的,它是一种最简单的差值脉冲编码。
早期的语言增量调制编码器是由分立元件组成的。
随着模拟集成电路技术的发展,70年代末出现了音节压扩增量调制集成单片,80年代出现了瞬时压扩集成单片,单片内包括了开关电容滤波器与开关电容积分器,集成度不断提高,使增量调制的编码器的体积减小,功耗降低。
2.2基本概念
在PCM系统中,为了得到二进制数字序列,要对量化后的数字信号进行编码,每个抽样量化值用一个码组(码字)表示其大小。
码长一般为7位或8位,码长越大,可表示的量化级数越多,但编、解码设备就越复杂。
那么能否找到其它更为简单的方法完成信号的模/数转换呢?
我们看一下图2-1,图中在模拟信号f(t)的曲线附近,有一条阶梯状的变化曲线f′(t),f′(t)与f(t)的形状相似。
显然,只要阶梯“台阶”σ和时间间隔Δt足够小,则f′(t)与f(t)的相似程度就会提高。
对f′(t)进行滤波处理,去掉高频波动,所得到的曲线将会很好地与原曲线重合,这意味着f′(t)可以携带f(t)的全部信息(这一点很重要)。
因此,f′(t)可以看成是用一个给定的“台阶”σ对f(t)进行抽样与量化后的曲线。
我们把“台阶”的高度σ称为增量,用“1”表示正增量,代表向上增加一个σ;用“0”表示负增量,代表向下减少一个σ。
则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示(如图(2-1)所示),也就是说,对f′(t)的编码只用一位二进制码即可。
此时的二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值,每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋势。
这种只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法(过程)就称为增量调制(DeltaModulation),缩写为DM或ΔM调制。
增量调制最早由法国人DeLoraine于1946年提出,目的是简化模拟信号的数字化方法。
其主要特点是:
(1)在比特率较低的场合,量化信噪比高于PCM。
(2)抗误码性能好。
能工作在误比特率为102~103的信道中,而PCM则要求信道的误比特率为104~106。
(3)设备简单、制造容易。
它与PCM的本质区别是只用一位二进制码进行编码,但这一位码不表示信号抽样值的大小,而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。
图2-1增量调制波形示意示
2.3ΔM的调制原理
如何在发送端形成f′(t)信号并编制成相应的二元码序列呢?
仔细分析一下图(2-1),比较在每个抽样时刻Δt处的f(t)和f′(t)的值可以发现,
当f(iΔt)>f′(iΔt_)时,上升一个σ,发“1”码;
当f(iΔt) f′(iΔt_)是第i个抽样时刻前一瞬间的量化值。 根据上述分析,我们给出增量调制器框图如图2-2所示。 图2-2增量调制原理框图 f′(iΔt_)可以由编码输出的二进制序列反馈到一个理想的积分器以后得到。 由于该积分器又具有解码功能,因此又称为本地解码器(译码器)。 f(iΔt)和f′(iΔt_)的差值,可以用一个比较电路(减法器)来完成。 量化编码可以用一个双稳判决器来执行,并生成双极性二进制码序列。 具体调制过程描述如下: 设f′(0-)=0(即t=0时刻前一瞬间的量化值为零),因此有 t=0时,e(0)=f(0)-f′(0-)>0,则Po(0)=1 t=Δt时,e(Δt)=f(Δt)-f′(Δt_)>0,则Po(Δt)=1 t=2Δt时,e(2Δt)=f(2Δt)-f′(2Δt_)<0,则Po(2Δt)=0; t=3Δt时,e(3Δt)=f(3Δt)-f′(3Δt_)>0,则Po(3Δt)=1; t=4Δt时,e(4Δt)=f(4Δt)-f′(4Δt_)<0,则Po(4Δt)=0; t=5Δt时,e(5Δt)=f(5Δt)-f′(5Δt_)>0,则Po(5Δt)=1; t=6Δt时,e(6Δt)=f(6Δt)-f′(6Δt_)>0,则Po(6Δt)=1; 以此类推,即可得到如图2-3所示的波形。 会发现图2-3中的f′(t)和图3的波形不一样。 其实,图2-1的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理,而实际积分器的输出波形如图2-3d所示。 (C) 图2-3增量调制过程示意图 2.4ΔM的解调原理 为了完成整个通信过程,发送端调制出的信号必须在接收端通过解调恢复出原始模拟信号。 ΔM信号的解调比较简单,用一个和本地解码器一样的积分器即可。 在接收端和发送端的积分器一般都是一个RC积分器。 解调过程就是图4―3中的积分过程。 当积分器输入“1”码时,积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶σ;而当输入“0”码时,积分器输出电压就下降一个量化台阶σ。 为了保证解调质量,对解码器有两个要求: (1)每次上升或下降的大小要一致,即正负斜率大小一样。 (2)解码器应具有“记忆”功能,即输入为连续“1”或“0”码时,输出能连续上升或下降。 对积分器的输出信号进行低通滤波,滤除波形中的高频成分,即可得到与原始模拟信号十分近似的解调信号,如图2-4所示 图2-4增量调制译码(解调)示意示 3基带码PST码 3.1PST码简介 PST(PairSelectedTernary)成对选择三进码 3.2编码过程 先将二进制码两两分组,然后把每一码组编码成两个三进制数(+,-,0)。 因为两位三进制数字共有9种状态,所以可以灵活地选择其中的4种状态。 为防止PST码的直流漂移,当在一个码组中仅发送单个脉冲时,两个模式应交替变换。 二进制代码 +模式 -模式 00 -+ -+ 01 0+ 0- 10 +0 -0 11 +- +- 3.3PST码的特点 1由PST码确定的基带信号无直流分量; 2因两位三进制数字共有9种状态,所以可灵活地选择其中的4种状态; 3编码简单; 4PST码在识别中需建立帧同步。 3.4pst码转换成二进制码 由于pst码是三进制码(1,-1,0),在把其变成信道码之前,要对其转换成二进制码,其中我们设定1→11,0→00,-1→01,具体程序见附页 4汉明码 4.1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 或 (4-1) 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(4-1)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4-1所列。 表4-1校正子和错码位置的关系 错码位置 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: (4-2) (4-3) (4-4) 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 (2)~式(4)中 、 、 的值为0(表示编成的码组中应无错码) (4-5) 式(4-5)经过移项运算,接触监督位 (4-6) 式(4-5)其等价形式为: (4-7) 式(4-6)还可以简记为 或 (4-8) 其中 所以有 (4-9) 式(4-9)等价于 (4-10) 其中Q为P的转置,即 (4-11) 式(4-10)表示,信息位给定后,用信息位的行矩阵乘矩阵Q就产生出监督位。 我们将Q的左边加上一个k×k阶单位方阵,就构成一个矩阵G (4-12) G称为生成矩阵,因为由它可以产生整个码组,即有 (4-13) 或者 (4-14) 式(4-13)即汉明码的编码原理 4.2汉明码纠错原理 当数字信号编码成汉明码形式(本文中即A)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 (4-15) 则发送码组和接收码组之差为 (4-16) E就是传输中产生的错码行矩阵 (4-17) 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(4-16)可改写成 (4-18) 若E=0,即接收码组无错,则 ,将它代人式(8),该是仍成立,即有 (4-19) 当接收码组有错时,E≠0,将B带入式(4-8)后,该式不一定成立。 在未超过检错能力时,式(4-19)不成立。 假设此时式(4-19)的右端为S,即 (4-20) 将 代入式(4-20),可得 由式(4-8)可知,所以 (4-20) 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(4-20)计算出S,再根据表4-1判断错码情况,进行差错纠正。 4.3程序函数介绍 1)encode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。 2)decode函数 功能: 译码函数 语法: rcvcode=decode(code,N,K,’hamming’) 说明: 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。 5调制与解调 对于大多数信道来讲,它们不能直接传输数字基带信号,必须采用数字信号的载波传输方式,即用基带信号对载波波形的某些参量进行调制,使这些参量随基带信号的变化而变化。 调制的目的在于实现多路复用,完成频率搬移和减少干扰噪声的影响等。 用调制方式实现载波传输,从受调载波的波形考虑,理论上可以是任意波形,只要已调信号适用于媒质传输。 数字通信系统中一般都选择正弦信号作为载波。 这是因为正弦信号形式简单,易于产生和接收。 由于正弦信号有振幅,频率和相位3个参量可以携带信息,因此可以构成调幅、调频和调相3种基本调制方式,并可以派生出多种其他形式。 数字调制与模拟调制相比,本质上没有什么不同,只是模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制,而数字调制则是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息,这样数字调制就常带有由数字信号带来一些特点。 数字调制技术是实现现代通信的重要手段。 通过调制,改变信号的传输频率和所占频带宽度,从而易于在电导体、光纤或电磁波空间传输,从而改善信号的抗噪声性能。 数字调制的实现,促进了通信的飞速发展。 研究数字通信调制理论,提供有效调制方式,压缩信号传输频带,提高信道复用效率,提高信号传输可靠性,在实际中有着重要意义。 数字调制就是把数字基带信号的频谱移到高频处,形成适合在信道中传输的带通信号。 基本的数字调制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等。 在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。 在本次课设中我们采用频移键控(FSK)调制。 5.1FSK基本
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