武漢理工大學(xué)《通信系統(tǒng)課群綜合訓(xùn)練與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)書(shū)》摘要在數(shù)字通信系統(tǒng)中，需要將輸入的數(shù)字序列映射為信號(hào)波形在信道中傳輸，此時(shí)信源輸出數(shù)字序列，經(jīng)過(guò)信號(hào)映射后成為適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(hào)，并在接收端對(duì)應(yīng)進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)出原始信號(hào)。所以本論文主要研究了數(shù)字信號(hào)的傳輸?shù)幕靖拍罴皵?shù)字信號(hào)傳輸?shù)膫鬏斶^(guò)程和如何用MATLAB軟件仿真設(shè)計(jì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)。首先介紹了本課題的理論依據(jù)，包括數(shù)字通信，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成及數(shù)字信號(hào)的傳輸過(guò)程。然后按照仿真過(guò)程基本步驟用MATLAB的仿真工具實(shí)現(xiàn)了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：增量調(diào)制、HDB3碼、漢明碼、ASK、AWGN信道

AbstractIndigitalcommunicationsystem,needtheinputdigitalsequencemapforsignaltransmissioninthechannel,thesourceoutputdigitalsequence,aftersignalaftermappingbecomesuitableforchanneltransmissionofdigitalmodulationsignals,andatthereceivingendcorrespondingtoresumetheoriginalsignaldemodulation.SothisthesismainlystudiesthedigitalsignaltransmissionofthebasicconceptandthedigitalsignaltransmissiontransmissionprocessandhowtouseMATLABsimulationsoftwaretodesigndigitaltransmissionsystem.Thefirstinterfaceintroducedthistopictheoreticalbasis,includingdigitalcommunication,digitalbasebandtransmissionsystemcompositionanddigitalsignaltransmissionprocess.AccordingtothesimulationprocessandbasicstepsoftheMATLABsimulationtoolstoimplementthedigitalbasebandtransmissionsystem'sprocess,thesystemisanalyzed.Keywords:deltamodulation,HDB3code,SECcode,ASK,AWGNchannel1設(shè)計(jì)任務(wù)1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)述通信原理的主要內(nèi)容就是怎樣可靠而有效地實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。要使這些傳輸方法成為現(xiàn)實(shí)，就需要制作出相應(yīng)的發(fā)送設(shè)備及接收設(shè)備。然后在發(fā)送端，我們把欲傳送的信息變換成某種適宜的信號(hào)并將之輸入傳輸媒體（電纜，光纜，無(wú)線電波等）。在接收端，信號(hào)又從媒體輸入接收設(shè)備，我們?cè)僖酝l(fā)端相反的過(guò)程恢復(fù)出原來(lái)所發(fā)送的信息。根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，我們知道在什么樣的情況下應(yīng)該選擇什么樣的傳輸方式，并能判斷出噪聲，信道，傳輸方式等因素將會(huì)怎樣影響對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常重要的一些通信指標(biāo)，如信噪比，誤碼率等。1.2主要步驟本通信傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真包括以下內(nèi)容：?jiǎn)晤l正弦波模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣（抽樣頻率為Fs=20F）、增量調(diào)制、二進(jìn)制自然編碼、HDB3碼型變換基帶傳輸，漢明編碼ASK調(diào)制后發(fā)送到AWGN，然后經(jīng)過(guò)ASK解調(diào)，循環(huán)碼譯碼、HDB3碼譯碼、增量調(diào)制解后恢復(fù)出單頻正弦波模擬信號(hào)。1.3系統(tǒng)框圖圖1數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖1數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器數(shù)字解調(diào)器信道譯碼器信源譯碼器信宿信道噪聲數(shù)字信源數(shù)字信宿編碼信道2系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)2.1增量調(diào)制增量調(diào)制簡(jiǎn)稱ΔM或增量脈碼調(diào)制方式（DM），它是繼PCM后出現(xiàn)的又一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法。它是一種把信號(hào)上一采樣的樣值作為預(yù)測(cè)值的單純預(yù)測(cè)編碼方式。增量調(diào)制是預(yù)測(cè)編碼中最簡(jiǎn)單的一種。它將信號(hào)瞬時(shí)值與前一個(gè)抽樣時(shí)刻的量化值之差進(jìn)行量化，而且只對(duì)這個(gè)差值的符號(hào)進(jìn)行編碼，而不對(duì)差值的大小編碼。因此量化只限于正和負(fù)兩個(gè)電平，只用一比特傳輸一個(gè)樣值。如果差值是正的，就發(fā)“1”碼，若差值為負(fù)就發(fā)“0”碼。因此數(shù)碼“1”和“0”只是表示信號(hào)相對(duì)于前一時(shí)刻的增減，不代表信號(hào)的絕對(duì)值。同樣，在接收端，每收到一個(gè)“1”碼，譯碼器的輸出相對(duì)于前一個(gè)時(shí)刻的值上升一個(gè)量階。每收到一個(gè)“0”碼就下降一個(gè)量階。當(dāng)收到連“1”碼時(shí)，表示信號(hào)連續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)收到連“0”碼時(shí)，表示信號(hào)連續(xù)下降。譯碼器的輸出再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去高頻量化噪聲，從而恢復(fù)原信號(hào)，只要抽樣頻率足夠高，量化階距大小適當(dāng)，收端恢復(fù)的信號(hào)與原信號(hào)非常接近，量化噪聲可以很小。圖2.1增量調(diào)制流程圖增量調(diào)制盡管有前面所述的不少優(yōu)點(diǎn)，但它也有兩個(gè)不足：一個(gè)是一般量化噪聲問(wèn)題;另一個(gè)是過(guò)載噪聲問(wèn)題。兩者可統(tǒng)一稱為量化噪聲。階梯曲線（調(diào)制曲線）的最大上升和下降斜率是一個(gè)定值，只要增量Δm和時(shí)間間隔Δt給定，它們就不變。那么，如果原始模擬信號(hào)的變化率超過(guò)調(diào)制曲線的最大斜率，則調(diào)制曲線就跟不上原始信號(hào)的變化，從而造成誤差。我們把這種因調(diào)制曲線跟不上原始信號(hào)變化的現(xiàn)象叫做過(guò)載現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的波形失真或者信號(hào)誤差叫做過(guò)載噪聲。另外，由于增量調(diào)制是利用調(diào)制曲線和原始信號(hào)的差值進(jìn)行編碼，也就是利用增量進(jìn)行量化，因此在調(diào)制曲線和原始信號(hào)之間存在誤差，這種誤差稱為一般量化誤差或一般量化噪聲。2.2基帶傳輸HDB3碼HDB3碼(三階高密度雙極性碼,threestephighdensitybipolarcodes)是AMI碼的改進(jìn)型，HDB3中“3階”的含義是，限制連0數(shù)不超過(guò)3位。為減少連0數(shù)，有的做法采取“擾碼”，按一定規(guī)則將多個(gè)連0分散，盡量使碼序列隨機(jī)化。有效的辦法是采用HDBn(n=1,2,3)，一般多使用n=3，它克服了AMI碼長(zhǎng)連0串現(xiàn)象，并具有以下特點(diǎn):基帶信號(hào)無(wú)直流成分，且只有很少的低頻成分；連0串符號(hào)最多只有3個(gè)，利于定時(shí)信息的提取；不受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響。首先將消息代碼變換成AMI碼；然后檢查AMI碼中的連0情況，當(dāng)無(wú)4個(gè)或4個(gè)以上的連0串時(shí)，則保持AMI的形式不變；若出現(xiàn)4個(gè)或4個(gè)以上連0串時(shí)，則將1后的第4個(gè)0變?yōu)榕c前一非0符號(hào)（+1或-1）同極性的符號(hào)，用V表示（+1記為+V，-1記為-V）；最后檢查相鄰V符號(hào)間的非0符號(hào)的個(gè)數(shù)是否為偶數(shù)，若為偶數(shù)，則再將當(dāng)前的V符號(hào)的前一非0符號(hào)后的第1個(gè)0變?yōu)?B或-B符號(hào)，且B的極性與前一非0符號(hào)的極性相反，并使后面的非0符號(hào)從V符號(hào)開(kāi)始再交替變化。舉例如表2-1所示。表2-1HDB3碼的編碼舉例代碼110011001111000000000011110000000011HDB3碼1+100--100++1--1000000--100++1--1++10000+1--1V,B--V++B++V表2-1的HDB3編碼舉例用波形表示如圖2-2所示。圖中，(a)表示單極性非歸零碼，(b)和(c)表示HDB3碼。11111111000000000000+1+1+1+B+V-1-1-V-1-10000000-1-1-1-B-V+V+1+1+100000000（a）（b）（c）圖2-2HDB3編碼波形示意圖2.3信道傳輸碼漢明碼線性分組碼是一類重要的糾錯(cuò)碼，應(yīng)用很廣泛。在（n，k）分組碼中，若督元是按線性關(guān)系相加而得到的，則稱其為線性分組碼。現(xiàn)在以(7,4)分組碼為例來(lái)說(shuō)明線性分組碼的特點(diǎn)。設(shè)其碼字為A=[a6，a5，a4，a3，a2，a1，a0]，其中前4位是信息元，后3位是監(jiān)督元，可用下列線性方程組來(lái)描述該分組碼，產(chǎn)生監(jiān)督元：a2=a6+a5+a4 a1=a6+a5+a3（2.3.1）a0=a6+a4+a3顯然，這3個(gè)方程是線性無(wú)關(guān)的。經(jīng)計(jì)算可得(7,4)碼的全部碼字，如表2-2所示。表2-2(7,4)碼的全部碼字序號(hào)碼字序號(hào)碼字信息碼元監(jiān)督元信息碼元監(jiān)督元00000000810001111000101191001100200101011010100103001111011101100140100110121100001501011011311010106011001114111010070111000151111111不難看出，上述(7,4)碼的最小碼距d0=3，它能糾1個(gè)錯(cuò)或檢2個(gè)錯(cuò)。漢明碼是能夠糾正單個(gè)錯(cuò)誤的線性分組碼，其特點(diǎn)是：最小碼距d0=3，碼長(zhǎng)n與監(jiān)督位滿足n=2r-1的關(guān)系，上述的(7,4)線性分組碼就是一個(gè)漢明碼。2.4ASK調(diào)制振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制振幅鍵控。設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號(hào)的概率為P，發(fā)送1符號(hào)的概率為1-P，且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為s(t)=，其中:an=0,發(fā)送概率為P1,發(fā)送概率為1-PTs是二進(jìn)制基帶信號(hào)時(shí)間間隔，g(t)是持續(xù)時(shí)間為T(mén)s的矩形脈沖:g(t)=10TS0其他則二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)可表示為e2ASK(t)=二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型如圖2-3所示。由圖2-3可以看出，2ASK信號(hào)的時(shí)間波形e2ASK(t)隨二進(jìn)制基帶信號(hào)s(t)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號(hào)（OOK信號(hào)）。二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法如圖2-4所示，圖(a)是采用模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)，圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法實(shí)現(xiàn)。由圖2-3可以看出，2ASK信號(hào)與模擬調(diào)制中的AM信號(hào)類似。所以，對(duì)2ASK信號(hào)也能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測(cè)法)，其相應(yīng)原理方框圖如圖2-5所示。2ASK信號(hào)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形如圖2-6所示。

圖2-3二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型圖2-4二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)調(diào)制器原理框圖圖2-5二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)解調(diào)器原理框圖圖2-62ASK信號(hào)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形2.5AWGN加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhiteGaussianNoise)是最基本的噪聲與干擾模型。加性噪聲：疊加在信號(hào)上的一種噪聲，通常記為n(t)，而且無(wú)論有無(wú)信號(hào)，噪聲n(t)都是始終存在的。因此通常稱它為加性噪聲或者加性干擾。白噪聲：噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數(shù)，則稱這樣的噪聲為白噪聲。如果白噪聲取值的概率分布服從高斯分布，則稱這樣的噪聲為高斯白噪聲。AWGN，在通信上指的是一種通道模型（channelmodel），此通道模型唯一的信號(hào)減損是來(lái)自于寬帶（Wideband）的線性加成或是穩(wěn)定譜密度（以每赫茲瓦特的帶寬表示）與高斯分布振幅的白噪聲。白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲，即其功率譜密度為常數(shù)。

3系統(tǒng)仿真3.1增量調(diào)制仿真在仿真中構(gòu)造的原始時(shí)間函數(shù)為：x=sin(2*pi*50*t);調(diào)制結(jié)果如圖3-1：圖3-1增量調(diào)制從圖中原信號(hào)和增量調(diào)制的結(jié)果看，在輸入信號(hào)上升部分，編碼器輸出現(xiàn)連1碼,輸入信號(hào)下降部分,編碼器輸出連0碼,結(jié)果基本成功。但是在輸入信號(hào)變化平緩的部分，編碼器輸出1、0交替碼，這是由于增量幅值過(guò)大造成的。3.2HDB3編碼仿真將增量制后的二進(jìn)制碼進(jìn)行HDB3編碼，以便于基帶傳輸。編碼結(jié)果如圖3-2：圖3-2HDB3編碼3.3漢明編碼仿真基帶碼并不利于在長(zhǎng)距離信道中傳輸，需要加冗余碼進(jìn)行差錯(cuò)控制，于是采用漢明碼。漢明編碼仿真用的是（7，4）循環(huán)碼，n=7是總碼長(zhǎng)，k=4是信息位碼長(zhǎng)。仿真結(jié)果如圖3-3：圖3-3漢明碼編碼由于是用的（7，4）循環(huán)碼，從圖中可以看出編碼器輸入44位碼，輸出則為44*（7/4）=77，仿真結(jié)果一致。3.4ASK調(diào)制及解調(diào)仿真將漢明編碼器輸出的信道碼進(jìn)行2ASK調(diào)制，然后讓調(diào)制好的ASK信號(hào)經(jīng)過(guò)AWGN，再對(duì)經(jīng)過(guò)AWGN信道的信號(hào)解調(diào)。仿真結(jié)果如圖3-4：圖3-4ASK調(diào)制及解調(diào)接下來(lái)剩下對(duì)原始信號(hào)的恢復(fù)，仿真結(jié)果如圖3-5：圖3-原始信號(hào)與恢復(fù)信號(hào)比較失真度計(jì)算為0.0130；結(jié)果分析：從上圖可以看出，增量解調(diào)恢復(fù)出的信號(hào)與原信號(hào)近似相同，但存在一定程度的失真。經(jīng)分析，是由于增量調(diào)制的量化幅度太大，產(chǎn)生的顆粒噪聲，造成了空載失真。

4總結(jié)在這次課程設(shè)計(jì)中，我通過(guò)多方面地搜集資料，對(duì)增量調(diào)制、PST碼、循環(huán)碼、FSK碼進(jìn)行深入理解分析，成功地用MATLAB7.0完成了對(duì)通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我面對(duì)著一系列的難點(diǎn)：將MATLAB與通信原理結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，對(duì)信號(hào)編譯碼調(diào)制結(jié)合理論進(jìn)行分析并總結(jié)。這些具體的問(wèn)題在書(shū)上只有少量的理論介紹，要在實(shí)際運(yùn)用中結(jié)合這些理論是一件不太容易的事。接到課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)后，我積極投入，去圖書(shū)館借閱相關(guān)資料，上網(wǎng)瀏覽相關(guān)信息，獲得了大量的信息，為完成本次課程設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于MATLAB我開(kāi)始還用得不熟練，為了了解各個(gè)函數(shù)的用法，我多次查閱了其中的help文件，大體了解了所調(diào)用函數(shù)的使用方法。然后通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)與探究總結(jié)，終于逐個(gè)克服了這些難點(diǎn)，完成了任務(wù)。通過(guò)這次的實(shí)踐，我明白了要將理論與實(shí)際相結(jié)合的道理，盡管這個(gè)過(guò)程會(huì)有一些辛苦，但通過(guò)努力實(shí)現(xiàn)后，就能大大深化我對(duì)知識(shí)的理解程度，增長(zhǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

5參考文獻(xiàn)【1】劉泉編.通信電子線路.武漢理工出版社.2007年【2】陳懷琛等編.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2007年【3】樊昌信等編.通信原理.國(guó)防工業(yè)出版社.2007年【4】數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn).科學(xué)出版社.2007年【5】THEX-1型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

6附錄（程序）主程序clearclcTs=1e-3;t=0:Ts:21*Ts;t1=0:43;t2=0:76t3=0.1:0.1:77;ta=1000;tm=1:22;x=sin(2*pi*50*t);delta=0.4;D(1+length(t))=0;k=1.3;fork=1:length(t)e(k)=x(k)-D(k);e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1);ifk<1delta=delta*(K.^sign(e_q(k).e_q(k-1)));endD(k+1)=e_q(k)+D(k);codeout(k)=(e_q(k)>0);endcodeoutfigure(1)subplot(3,1,1);plot(t,x);axis([021*Ts,-22]);title('原始信號(hào)')xlabel('Time(S)');ylabel('Amplitude');subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis([021*Ts,-22]);title('增量調(diào)制編碼')ami=zeros(1,length(codeout));fori=1:length(codeout)ami(i)=codeout(i);endnum=0;fori=1:length(ami)ifami(i)==1num=num+1;ifnum/2==fix(num/2)ami(i)=-1;elseami(i)=+1;endendendaminum=0;hd=ami;sign=0;V=zeros(1,length(ami));B=zeros(1,length(ami));fork=1:length(ami)ifami(k)==0num=num+1;ifnum==4;num=0;hd(k)=1*hd(k-4);V(k)=hd(k);ifhd(k)==signhd(k)=-1*hd(k);hd(k-3)=hd(k);B(k-3)=hd(k);V(k)=hd(k);hd(k+1:length(ami))=-1*hd(k+1:length(ami));endsign=hd(k);endelsenum=0;endendhdfigure(2)subplot(3,1,1);stem(codeout);title('HDB3編碼器輸入二進(jìn)制碼流')subplot(3,1,2);stem(hd);title('HDB3編碼器輸出二進(jìn)制碼流')hdyn=hd;num=0;fork=1:length(yn)m=2*k-1;n=2*k;ifyn(k)==0b(m)=0;b(n)=0;elseifyn(k)==1b(m)=0;b(n)=1;elseifyn(k)==-1b(m)=1;b(n)=1;endendfigure(3);subplot(3,1,1);stairs(t1,b);axis([02*length(yn),02]);holdon;%{c=b;fork=1:2:length(c);ifc(k)==0ifc(k+1)==0d((k+1)/2)=0;elsed((k+1)/2)=1;endendifc(k)==1d((k+1)/2)=-1;endend%}%B=reshape(b,4,length(b)/4)'code=encode(B,7,4,'hamming')stem(code)c=reshape(code',1,77)subplot(3,1,2);stairs(t2,c);axis([076,02]);title('hanming編碼二進(jìn)制碼流')fork=1:length(c)ifc(k)==1form=1:8q((k-1)*8+m)=1;endelseifc(k)==0form=1:8q((k-1)*8+m)=0;endendendfc=1000;%fs=fc*6;%car=cos(2*pi*fc/fs*(0:length(q)-1));%st=q.*car;%subplot(3,1,3);plot(st);title('2ASK信號(hào)')nst=awgn(st,10);figure(4);subplot(3,1,1);plot(nst);title('加入AWGN噪聲后的波形')sak=askoutdecoder(nst);rr=askdecoder(nst);figure(4);subplot(3,1,2);plot(rr);title('ASK相干解調(diào)后的波形')fori=1:length(sak)if0<=sak(i)<0.5s(i)=0;elseifsak(i)>=0.5sak(i)=1;endendsake=reshape(sak',1,77)D=reshape(e,7,length(e)/7)'rcv=decode(D,7,4,'hamming')figure(5);subplot(3,1,1)stem(rcv)f=reshape(rcv',1,44);fork=1:2:length(f);iff(k)==0iff(k+1)==0g((k+1)/2)=0;elseg((k+1)/2)=1;endendiff(k)==1g((k+1)/2)=-1;endendginput=g;recode=input;sign=0;fork=1:length(g)ifinput(k)~=0;ifsign==g(k)recode(k-3:k)=[0000];endsign=input(k);endendrecode=abs(recode);rec