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通信系统课群综合设计信息工程学院—课程设计任务书.doc
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1、 xx理工大学学科基础课群综合训练报告 课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 信息 班 指导教师: 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软件平台要求完成的主要任务: 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的通信系统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。 时间安排:序号设 计 内 容所用时间1根据设计任务,分析电路原理,确定实验方案2天2根据实验条件进行电路的测试,并对结果进行分析7天3撰写课程设计报告1天合 计2周指导教师签名: 年
2、月 日系主任(或责任教师)签名: 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1设计任务11.1设计任务11.2 设计要求12实验电路原理分析22.1 PCM(脉冲编码调制)编译码22.1.1 脉冲编码调制的基本原理22.1.2 逐次比较法编码32.1.3 折叠二进制码原理42.1.4逐次比较法译码原理52.1.5 MATLAB编程实现PCM编译码62.2 HDB3码编解码62.2.1 AMI码编码基本原理62.2.2 HDB3码编码基本原理72.2.3 HDB3码的译码82.2.4 MATLAB实现HDB3码编解码82.3 汉明码编译码92.3.1汉明码的构造原理92.3.2 MATLAB实
3、现汉明码编译码112.4 2PSK调制与解调122.4.1数字调制技术122.4.2 二进制相移键控(2PSK)基本原理122.4.3 MATLAB实现2PSK调制与解调142.5 AWGN信道的模拟153 实验方案及测试方法164 实验结果及分析174.1 发送端仿真结果174.1.1 PCM编码仿真174.1.2 HDB3码及汉明码编码仿真174.1.3 2PSK调制以及AWGN信道仿真184.2 接收端仿真结果184.2.1 2PSK解调仿真184.2.2 汉明码及HDB3码解码仿真194.2.3 PCM解码仿真194.3 仿真结果分析205 实验总结21参考文献22附录23II摘 要通
4、信系统是一个十分复杂的系统,在具体实现上有多种多样的方法,但总的过程却是具有共性的。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,HDB3码,汉明码,PSK调制,AWGN及对应的解调过程,完整实现了一个通信系统的全部过程。 MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。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的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面
5、的解决方案,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)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。关键字:通信系统,调制,解调,MATLABAbstractCommunication system is a very complicated system in the implementation of a variety of methods. But the process has general characters. For a analog signal digital transmission, the process can be divided
6、into digital, source decoding, channel decoding, modem, scrambling, etc. This experiment using MATLAB the delta modulation, Miller code, hamming code, PSK modulation, AWGN and the corresponding demodulation process, complete implements a communication system of all process.MATLAB is a high-level tec
7、hnical computing language and interactive environment for algorithm development, data visualization, data analysis, and numeric computation. Using MATLAB, you can solve technical computing problems faster than with traditional programming languages, such as C, C+, and Fortran.Key words:communication
8、 system,modulation,demodulation,MATLAB1设计任务1.1设计任务可以用软件(如MATLAB),也可以在硬件实验系统平台上完成一个典型的通信系统(如下图1所示)的仿真。发送设备信 息 源调 制编 码传 输介 质噪声干扰接收设备接 收 者解 调译 码图1 典型通信系统的组成1.2 设计要求1、系统发送端要求:模拟信源数字化基带码信道码调制信道类型一时间函数PCMHDB3码汉明码PSKAWGN2、在接收端的解调、信道解码、基带解码、数模转换与发送端一一对应。3、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),完成课程设计报告
9、。2实验电路原理分析2.1 PCM(脉冲编码调制)编译码2.1.1 脉冲编码调制的基本原理把从模拟信号抽样、量化,直到变换成为二进制符号的基本过程,称为脉冲编码调制,简称脉码调制。6.386.806.427如:在下图中,模拟信号的抽样值为3.15,3.96,5.00,6.38,6.80和6.42。若按照“四舍五入”的原则量化为整数值,则抽样值量化后变为3,4,5,6,7和6。在按照二进制数编码后,量化值(quantized value)就变成二进制符号:011、100、101、110、111和110。663.96455.0033.15 011 100 101 110 111 110 图2 二进
10、制编码原理PCM信号 输出模拟信号 输入编 码量 化抽样保持冲激脉冲(b)译码器低通滤波解 码(a)编码器PCM信号输入模拟信号输出图3 PCM系统的原理方框图2.1.2 逐次比较法编码上节编码器(a)中的量化器和编码器常构成一个不能分离的编码电路,这种编码电路有不同的实现方案,最常用的一种方案成为逐次比较法编码,其基本原理方框图如下图所示。输入信号抽样脉冲IsIw ?Ci比 较保 持恒 流记 忆图4 逐次比较法编码原理方框图图中示出一个3位编码器。其输入信号抽样脉冲值在0和7.5之间。它将输入模拟抽样脉冲编成3位二进制编码c1 c2 c3。图中输入信号抽样脉冲电流Is由保持电路短时间保持,并
11、和几个称为权值电流的标准电流Iw逐次比较。每比较一次,得出1位二进制码。权值电流Iw是在电路中预先产生的。Iw的个数决定于编码的位数,现在共有3个不同的Iw值。因为表示量化值的二进制码有3位,即c1c2c3。它们能够表示8个十进制数,从0至7,如下表所示。 表1 编码表量化值c1c2c3量化值c1c2c300004100100151012010611030117111因此,若按照“四舍五入”原则编码,则此编码器能够对-0.5至+7.5之间的输入抽样值正确编码。由此表可推知,用于判定c1值的权值电流Iw = 3.5,即若抽样值Is 3.5,则比较器输出c1 = 1。c1除输出外,还送入记忆电路暂
12、存。第二次比较时,需要根据此暂存的c1值,决定第二个权值电流值。若c1 = 0,则第二个权值电流值Iw = 1.5;若c1 = 1,则Iw = 5.5。第二次比较按照此规则进行:若Is Iw,则c2 = 1。此c2值除输出外,也送入记忆电路。在第三次比较时,所用的权值电流值须根据c1 和c2的值决定。如如,若c1 c2 = 0 0,则Iw = 0.5;若c1 c2 = 1 0,则Iw = 4.5;依此类推。2.1.3 折叠二进制码原理表1给出的二进制编码是按照二进制数的自然规律排列的,称为自然二进制码。但这不是唯一编码方法,常用的还有折叠二进制码。折叠二进制码是用最高位表示电压的极性正负,而用
13、其他位来表示电压的绝对值。这就是说,在用最高位表示极性后,双极性电压可以采用单极性编码方法处理,从而使编码电路和编码过程大为简化。折叠码的另一个优点是误码对于小电压的影响较小。在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位c1表示量化值的极性正负。后面的7位分为段落码和段内码两部分,用于表示量化值的绝对值。其中第2至4位(c2 c3 c4)是段落码,共计3位,可以表示8种斜率的段落;其他4位(c5 c8)为段内码,可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以,这7位码总共能表示27 128种量化值。在下面的表中给出了段落码和段内码的编码规则。表2 段落码编码规
14、则段落序号段落码c2 c3 c4段落范围 (量化单位)段落序号段落码 c2 c3 c4段落范围 (量化单位)8111204840964011128256711010242048301064128610151210242001326451002565121000032表3 段内码编码规则量 化 间 隔段内码c5 c6 c7c8量 化 间 隔段内码c5 c6 c7c8量 化 间 隔段内码c5 c6 c7c8量 化间 隔段内码c5 c6 c7c8151111111011701113001114111010101060110200101311019100150101100011211008100040
15、10000000在上述编码方法中,虽然段内码是按量化间隔均匀编码的,但是因为各个段落的斜率不等,长度不等,故不同段落的量化间隔是不同的。其中第1和2段最短,斜率最大,其横坐标x的归一化动态范围只有1/128。再将其等分为16小段后,每一小段的动态范围只有(1/128)*(1/16) = 1/2048。这就是最小量化间隔,后面将此最小量化间隔(1/2048)称为1个量化单位。第8段最长,其横坐标x的动态范围为1/2。将其16等分后,每段长度为1/32。假若采用均匀量化而仍希望对于小电压保持有同样的动态范围1/2048,则需要用11位的码组才行。现在采用非均匀量化,只需要7位就够了。2.1.4逐次
16、比较法译码原理 IsIw “1”IsIw “0”下图所示编码器中虚线方框内是本地译码器,而接收端译码器的核心部分原理就和本地译码器的原理一样。PAM输入Is保持电路比较器整流器后7位码c2c8极性码c1Iw本地译码器记忆电路7/11变换电路恒流源 图5 逐次比较法非均匀编码器原理框图在此图中,本地译码器的记忆电路得到输入c7值后,使恒流源产生为下次比较所需要的权值电流Iw。在编码器输出c8值后,对此抽样值的编码已经完成,所以比较器要等待下一个抽样值到达,暂不需要恒流源产生新的权值电流。在接收端的译码器中,仍保留本地译码器部分。由记忆电路接收发送来的码组。当记忆电路接收到码组的最后一位c8后,使
17、恒流源再产生一个权值电流,它等于最后一个间隔的中间值。在上如中,此中间值等于1248。由于编码器中的比较器只是比较抽样的绝对值,本地译码器也只是产生正值权值电流,所以在接收端的译码器中,最后一步要根据接收码组的第一位c1值控制输出电流的正负极性。判断段内位置判断符号位判断段落位置输入码组code输 出提取符号输入信号S判断符号归一化、量化段落判断输 出段内判断2.1.5 MATLAB编程实现PCM编译码 图6 编码流程图 图7译码流程图2.2 HDB3码编解码2.2.1 AMI码编码基本原理AMI码的全称为传号交替反转码,其编码规则为将消息码的“1”(传号)交替地变换为“+1”和“-1”,而“
18、0”(空号)保持不变。如:消息码: 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1AMI码: 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 0 0 1 +1 AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。它可以看成是单极性波形的变形,即“0”仍对应零电平,而“1”交替对应正负电平。AMI码的优点:没有直流成分,且高、低频分量少,编译码电路简单,且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况;如果它是AMI-RZ波形,接收后只要全波整流,就可变为单极性RZ波形,从中可以提取位定时分量AMI码的缺点:当原信码出现长连“0”串时,信号的电平长时间不跳变,造成提取定时信号的困
19、难。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。2.2.2 HDB3码编码基本原理HDB3码的全称为3阶高密度双极性码,它是AMI码的一种改进型,改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点,使连“0”个数不超过3个。 其编码规则是:(1)检查消息码中“0”的个数。当连“0”数目小于等于3时,HDB3码与AMI码一样,+1与-1交替;(2)连“0”数目超过3时,将每4个连“0”化作一小节,定义为B00V,称为破坏节,其中V称为破坏脉冲,而B称为调节脉冲;(3)V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同(这破坏了极性交替的规则,所以V称为破坏脉冲),并且要求相邻的V码之间极性必须交替。V的取值
20、为+1或-1;(4)B的取值可选0、+1或-1,以使V同时满足(3)中的两个要求; (5)V码后面的传号码极性也要交替。 如:消息码: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 l 1AMI码: -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1HDB3码: -1 0 0 0 V +1 0 0 0 +V -1 +1-B 0 0V +B 0 0 +V -l +1其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同,用V或B符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。HDB3码既要包含AMI的交替特性使输出
21、无直流特性,又要不出现四个以上的连0,因此可以先满足后者。1)把“0000”换为取代节。规则:先将“0000”分离开来,第一个“0000”直接变为“0000”,然后数相邻两个“0000”之间“1”的个数,奇数则变为“000V”,偶数则变为“B00V”。2)更新符号。根据HDB3码的编码规则有:B总是与其前面的1或V符号相反,V总是与前面的1或B相符号相同,1总是与前面的V或B符号相反,就可编符号了。例如:消息代码:1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1中间码: 1 0 0 0 V 1 0 0 0 V
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