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. 西南石油大學(xué) “通信工程2012級專業(yè)綜合實(shí)踐” 報(bào) 告 報(bào)告題目 ：數(shù)字通信系統(tǒng)仿真和實(shí)現(xiàn) 學(xué) 院 ： 電氣信息學(xué)院 作 者 ： 聯(lián)系方式 ： 輔導(dǎo)老師 ： 蘇賦 完成日期 2016年 1月 12日 一、 設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(biāo)包括：誤碼率、傳輸速率、流量。 （2） 通過編寫MATLAB程序，實(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)中用來克服信號在信道中傳輸時(shí)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(jì)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(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)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(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)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(jì)方案 （一） 信源編碼 本次設(shè)計(jì)分別采用兩種時(shí)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?。环粗?，量化間隔就越大。非均勻量化是一種在整個(gè)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： （1） 當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時(shí)，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(shí)，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(shí)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(kuò) 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(dá)式，但它當(dāng)x=0時(shí)，y→∞，這樣不滿足對壓縮特性的要求，所以當(dāng)x很小時(shí)應(yīng)對它加以修正。A為壓縮參數(shù)，A=1時(shí)無壓縮，A值越大壓縮效果越明顯。 在現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)中A=87.6，此時(shí)信號很小時(shí)(即小信號時(shí))，從上式可以看到信號被放大了16倍，這相當(dāng)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(shí)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(shí)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(kuò) 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(shí)，壓縮特性是一條通過原點(diǎn)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(dāng)μ=100時(shí)，壓縮效果就比較理想了。 在國際標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(gè)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(gè)重要的子類，它有以下兩大特點(diǎn)：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(shí)用的譯碼方法；第二，由于其循環(huán)特性，編碼運(yùn)算和伴隨式計(jì)算，可用反饋移位寄存器來實(shí)現(xiàn)，硬件實(shí)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(jìn)入信道。這些調(diào)制信號通過信道到達(dá)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(shí)刻的取值互相獨(dú)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(gè)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(jì)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(jī)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(jī)到接收機(jī)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(diǎn)。數(shù)字調(diào)制具有更好的抗干擾性能，更強(qiáng)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(cuò)控制技術(shù)，支持復(fù)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(jìn)制相移鍵控(BPSK) BPSK二進(jìn)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(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準(zhǔn)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(shí)傳送接受2值(1比特)的信息。 2. 二進(jìn)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(jìn)行查分編碼得到差分碼，在對差分碼進(jìn)行BPSK調(diào)制。 五、 設(shè)計(jì)過程及分析 （一）不同信源編碼 信源編碼分別采用A律壓擴(kuò)與μ律壓擴(kuò)。輸入正弦模擬信號，采用bpsk調(diào)制，crc循環(huán)冗余校驗(yàn)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(yàn)碼，信源輸入如前文A律壓擴(kuò)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(kuò)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(kuò)，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(dāng)然，通信系統(tǒng)的性能受多種因素影響，需要綜合考慮整個(gè)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(jī)械工業(yè)出版社 3. 樊昌信 《通信原理》 國防工業(yè)出版社 .