. 西南石油大學 “通信工程2012級專業(yè)綜合實踐” 報 告 報告題目 ：數(shù)字通信系統(tǒng)仿真和實現(xiàn) 學 院 ： 電氣信息學院 作 者 ： 聯(lián)系方式 ： 輔導老師 ： 蘇賦 完成日期 2016年 1月 12日 一、 設(shè)計任務(wù) （1） 通過使用MATLAB中的SIMULINK仿真平臺，搭建了仿真模型，來對比分析通信系統(tǒng)的性能， 設(shè)計要求： 選擇2種以上合適的調(diào)制方式；選用2種以上噪聲信道； 選擇2種以上的信源編碼方式；選用2種以上的信道編碼方式。 性能分析要求： 比較不同信源、信道編碼方式對系統(tǒng)的影響； 比較噪聲信道變化時對系統(tǒng)的影響；比較不同的信道帶寬對系統(tǒng)的影響； 比較不同調(diào)制方法對系統(tǒng)的影響。 性能指標包括：誤碼率、傳輸速率、流量。 （2） 通過編寫MATLAB程序，實現(xiàn)仿真中的具體調(diào)制方式、信源編碼和信道編碼。 二、 設(shè)計原理 圖1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，如圖1所示。它的主要組成結(jié)構(gòu)為信源編/譯碼器、加密/解密模塊、信道編/譯碼器，數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器和信道。 由信源編碼器輸出的二進制數(shù)字序列成為信息序列，信源編碼的主要目的其一是減少碼元數(shù)目，降低碼元速率，提高通信的有效性，其二可以使模擬信號數(shù)字化進行傳輸。之后它傳送到加密模塊，信息序列通過加密模塊主要是為了保證通信的安全。加密后的序列送入信道編碼器。信道編碼器的目的是在二進制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收機中用來克服信號在信道中傳輸時所遭受的噪聲和干擾的影響。因此，所增加的冗余是用來提高接收數(shù)據(jù)的可靠性以及改善接受信號的逼真度的。 三、 設(shè)計軟件 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 四、 設(shè)計方案 （一） 信源編碼 本次設(shè)計分別采用兩種時間波形編碼，一是A律PCM脈沖編碼調(diào)制，二是μ律PCM脈沖編碼調(diào)制。 1. 非均勻量化 非均勻量化是根據(jù)喜好的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就越大。非均勻量化是一種在整個動態(tài)范圍內(nèi)量化間隔不相等的量化。換言之，非均勻量化是根據(jù)輸入信號的概率密度函數(shù)來分部量化電平，以改善量化性能。與均勻量化相比，有兩個主要優(yōu)點： （1） 當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的輸出端可得較高的平均信號量化噪聲功率比。 （2） 非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此，量化噪聲對大小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。 通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮，即y=ln x。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮特性是μ律壓縮和A律壓縮。美國采用μ律壓縮，我國和歐洲各國均采用A律壓縮，下面分別討論兩種壓縮的原理。 2. A律壓擴 A律壓縮的壓縮特性為 y=Ax1+lnA ,1≤x≤1A （a）1+lnAx1+lnA,1A≤x≤1 （b） 其中，上式中(b)是A律的主要表達式，但它當x=0時，y→∞，這樣不滿足對壓縮特性的要求，所以當x很小時應(yīng)對它加以修正。A為壓縮參數(shù)，A=1時無壓縮，A值越大壓縮效果越明顯。 在現(xiàn)行的國際標準中A=87.6，此時信號很小時(即小信號時)，從上式可以看到信號被放大了16倍，這相當于與無壓縮特性比較，對于小信號的情況，量化間隔比均勻量化時減小了16倍，因此，量化誤差大大降低；而對于大信號的情況例如x=1/A，量化間隔比均勻量化時增大了5.47倍，量化誤差增大了。A律壓縮通常采用13折線來近似。 3. μ律壓擴 μ律壓縮的壓縮特性為 y=ln?(1+μx)ln?(1+μ) , 0≤x≤1 其中，μ是壓縮系數(shù)，y是歸一化的壓縮器輸出電壓，x是歸一化的壓縮器輸入電壓。μ=0時，壓縮特性是一條通過原點的直線，故沒有壓縮效果，小信號性能得不到改善，μ值越大壓縮效果越明顯，一般當μ=100時，壓縮效果就比較理想了。 在國際標準中取μ=255。μ律一般采用15折線來近似。 （二） 信道編碼 本次設(shè)計采用線性分組碼與循環(huán)碼。 1. 線性分組碼 既是線性碼又是分組碼的碼稱為線性分組碼。監(jiān)督碼元僅與本組信息碼元有關(guān)的碼稱為分組碼，監(jiān)督碼元與信息碼元之間的關(guān)系可以用線性方程表示的碼稱為線性碼。因此，一個碼子中的監(jiān)督碼元只與本碼子的信息碼元有關(guān)，而且這種關(guān)系可以用線性方程來表示的就是線性分組碼，通常表示為(n,k)。 2. 循環(huán)碼 循環(huán)碼是線性碼的一個重要的子類，它有以下兩大特點：第一，碼的結(jié)構(gòu)可以用代數(shù)方法來構(gòu)造和分析，并且可以找到各種實用的譯碼方法；第二，由于其循環(huán)特性，編碼運算和伴隨式計算，可用反饋移位寄存器來實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)簡單。 （三） 通信信道 信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一。在通信系統(tǒng)中，發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過信源編碼和信號調(diào)制轉(zhuǎn)化成調(diào)制信號，然后進入信道。這些調(diào)制信號通過信道到達接收端，在接收端通過與發(fā)送端相反的過程得到原始數(shù)據(jù)。系電腦的傳輸質(zhì)量影響著信號的接收和解調(diào)。 1. 加性高斯白噪聲信道 如果噪聲的取值服從零均值高斯分布，而任意不同時刻的取值互相獨立，則稱這樣的噪聲信號為高斯白噪聲(AWGN)。高斯白噪聲的自相關(guān)函數(shù)為一個沖激函數(shù)，其功率譜密度函數(shù)為常數(shù)。 2. 瑞利衰落信道 瑞利衰落信道是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模型。這種模型假設(shè)信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡(luò)服從瑞利分布。這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。12瑞利衰落只適用于從發(fā)射機到接收機不存在直射信號（LoS，Line of Sight）的情況，否則應(yīng)使用萊斯衰落信道作為信道模型。 （四） 數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制是現(xiàn)代通信的重要方法，它與模擬調(diào)制相比有許多優(yōu)點。數(shù)字調(diào)制具有更好的抗干擾性能，更強的抗信道損耗，以及更好的安全性；數(shù)字傳輸系統(tǒng)中可以使用差錯控制技術(shù)，支持復雜信號條件和處理技術(shù)，如信源編碼、加密技術(shù)以及均衡等。 1. 二進制相移鍵控(BPSK) BPSK二進制相移鍵控。是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一，利用偏離相位的復數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受2值(1比特)的信息。 2. 二進制查分相移鍵控(DBPSK) DBPSK信號的產(chǎn)生方法是先對基帶信號進行查分編碼得到差分碼，在對差分碼進行BPSK調(diào)制。 五、 設(shè)計過程及分析 （一）不同信源編碼 信源編碼分別采用A律壓擴與μ律壓擴。輸入正弦模擬信號，采用bpsk調(diào)制，crc循環(huán)冗余校驗碼，輸出誤碼率曲線。整體框圖如下圖5-1示 圖5-1 Signal generator 設(shè)為正弦波，頻率幅度均為1。如下圖5-2示： 圖5-2 Subsystem為信源編碼模塊，A律壓縮如下圖5-3示，μ律壓縮如下圖5-4示。 圖5-3 圖5-4 加性高斯白噪聲信道設(shè)置如下圖5-5示 圖5-5 示波器輸出波形，A律壓縮如圖5-6示，μ律壓縮如圖5-7示： 圖5-6 圖5-7 輸出誤碼率曲線如下圖5-8所示： 圖5-8示 （二）不同信道編碼 信道編碼分別采用線性分組碼與CRC循環(huán)冗余校驗碼，信源輸入如前文A律壓擴一致，系統(tǒng)框圖如前文圖5-1一致，改為使用線性分組碼，如圖5-9示。 圖5-9 線性分組碼示波器輸出如圖5-10示。 圖5-10 輸出誤碼律曲線如圖5-11示： 圖5-11 （三）不同調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制方式分別采用bpsk和dbpsk，信源編碼為A律壓擴的pcm編碼，信道編碼采用CRC,系統(tǒng)框圖如圖5-12示 圖5-12 示波器輸出如圖5-13示： 圖5-13 輸出誤碼率曲線如圖5-14示： 圖5-14 （四）不同噪聲信道 噪聲信道分別采用加性高斯白噪聲信道和加性高斯白噪聲+萊斯衰落信道，信源編碼同前采用A律pcm編碼，信道編碼采用CRC,數(shù)字調(diào)制方式為BPSK,系統(tǒng)框圖如下圖5-15示。 圖5-15 示波器輸出如圖5-16示： 圖5-16 誤碼率曲線如圖5-17所示： 圖5-17 （五）性能分析 由前文討論可以看出A律壓縮性能好于μ律壓擴，線性分組碼性能好于CRC碼，BPSK調(diào)制優(yōu)于DBPSK,加入萊斯衰落后對于系統(tǒng)影響較大。當然，通信系統(tǒng)的性能受多種因素影響，需要綜合考慮整個系統(tǒng)所使用的結(jié)構(gòu)。 參考資料： 1. 張水英 《通信原理及MATLAB/Simulink仿真》 人民郵電出版社 2. 張德豐 《MATLAB通信工程仿真》 機械工業(yè)出版社 3. 樊昌信 《通信原理》 國防工業(yè)出版社 .