1、通信系统综合设计与实践题 目 基于 MATLAB 的模拟信号的数字传输系统院 （ 系 ） 名 称 信息工程学院专 业 名 称 通信工程学 生 姓 名 郑军营、王鹏辉、罗敬畏学 生 学 号 090110029、090110068、090114033指 导 教 师 宫娜娜2012 年 5 月 16 日通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 II 页 页第 II 页摘 要数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，因而需要将模拟信号转化成数字信号再进行传播。主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用。由此可见，在信号传输
2、过程中，把模拟信号数字化，对推动移动通信事业的发展有着重大意义。基于以上模拟信号数字传输方式的重要性，及鲜明的现实意义，借助于 MATLAB 软件，设计一个模拟信号的数字传输系统。该系统包括 PCM 编译码、2FSK 调制解调、AWGN 信道和滤波器，通过此通信系统模型,可以直观、方便地进行计算和仿真，并对其现有的理论进行仔细的分析、研究。关键词：PCM，2FSK，MATLAB 通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 III 页 页第 III 页目 录1 系统总体设计 .11.1 总体框图 .11.2 设计思路 .11.3 设计方法 .12 MATLAB 实现系统仿真 .22.1 PC
3、M 编译码设计 .22.1.1 A 律和 U 律的介绍比较及其选择 .22.1.2 PCM 编码 .22.1.3 PCM 译码 .32.2 2FSK 调制解调设计 .32.2.1 2FSK、2ASK 及 2PSK 简介、比较及选择 .32.2.2 2FSK 调制设计 .32.2.3 2FSK 解调设计 .42.3 信道设计 .42.4 滤波器设计 .42.5 仿真及其数据分析 .42.5.1 PCM 编译码的仿真设计 .52.5.2 2FSK 调试解调的仿真设计 .62.5.3 仿真结果及数据分析 .73 Simulink 实现与仿真结果分析 .103.1 Simulink 简介 .103.2
4、 仿真及其分. . .103.3 仿真波形 .114 课程设计时遇到的困难及总结 .134.1 课程设计时遇到的困难 .134.1.1 困难 1 对 A 律的设计 .134.1.2 困难 2 信号变换 .13通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 IV 页 页第 IV 页4.1.3 困难 3 FSK 的调制与解调 .134.1.4 困难 4 低通滤波器设计 .134.1.5 困难 5 Simulink 参数的设置 .134.2 课程设计最终总结 .145 参考文献 .156 附录 1 程序 1 .16附录 2 程序 2 .19附录 3 Simulink 模块参数设置 .21通 信 系
5、统 综 合 设 计 与 实 践 第 1 页 页第 1 页1 系统总体设计1.1 总体框图经过查找资料，我们对系统设计有了整体理解认识，通过不同的侧面进行考虑，我们最终的系统设计如下：模拟信源抽样量化PCM编码2FSK调制AWGN信道2FSK解调PCM译码低通滤波信号输出图 1.1 总体框图1.2 设计思路1. 信号的压缩扩张，PCM 编码与解码。2. 2FSK 的二进制频移键控调制和解调3. 对 AWGN 信道的设计4. 对低通滤波器的设计1.3 设计方法1. 设计一个 A 律 13 折线近似的 PCM 编码器模型，能够对样值在-1，1 内的归一化信号进行编码；2. 设计一个对应编码器的 PC
6、M 解码器；3 . 用两个不同频率的余弦信号对信号进行调制（100KHZ、220KHZ ） ； 通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 2 页 页第 2 页4. 用相干解调对 2FSK 进行解调；5. 同时将信号经过 AWGN 信道加入噪声，通过不同噪声的功率，研究对信号误码率的影响；6. 最后将译码输出信号经过滤波器，滤除因译码错误造成的高频干扰。2 MATLAB 实现系统仿真2.1 PCM 编译码设计2.1.1 A 律和 U 律的介绍比较及其选择相对于模拟传输系统来说，数字传输系统的抗干扰能力强，差错可控等一系列优点，而将模拟信号转化成数字信号机必须进行相应的编码技术。现在的编码技
7、术主要分为两种：一种为均匀量化，另一种为非均匀量化。对于均匀量化来说，在大信噪比的情况下，对信号的影响不大，但是在小信噪比时，误码率会急剧增加，严重影响信号的质量。基于此，采用的编码方式是非均匀量化。在非均匀量化中，主要有两种压缩方法：A 律十三折线法和 U 律十五折线法。对于两种编码方式各有优缺点，A 律在小信噪比时的误码率比 U 律的高，但是在大信噪比时 A律的比 U 律的低。结合我国的通用编码方式是 A 律，所以我们在本系统设计时采用的是 A 律十三折线法 2。2.1.2 PCM 编码PCM 编码就是将一个模拟信号进行抽样、量化和编码。在抽样之前我们还必须对信号进行归一化处理，这样我们可
8、以使信号便于非均匀量化。所谓 A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： Xxy10,ln1 1,ln1XAxyA 律压扩特性是连续曲线，A 值不同压，扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于 A 律函数规律的 13 折线（A=87.6）的压扩特性。将信号化成八位二进制表示的数据。这八位 PCM 码的格式为：通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 3 页 页第 3 页表 2.1 八位 PCM 码格式Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 Bit5 Bit6 Bit7 Bit8符号位 段落码 段内码段落码是非均匀的，而对于段内码是均匀的，所以对信号
9、进行编码时，要分不同的情况进行讨论。2.1.3 PCM 译码对于 PCM 译码来说，就是 PCM 编码的逆过程，在编程中先确定符号位，再确定段落号，最后找到段内的位置，最后将其转化为十进制数，再乘以信号的振幅，就可以的到想要的信号。2.2 2FSK 调制解调设计2.2.1 2FSK、2ASK 及 2PSK 简介、比较及选择数字信号的传输凡是分为基带传输和带通传输，实际的大多数信道（如无线信道）都是用的带通传输。为了使信号能在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性匹配，即数字调制。常用的数字调制技术是利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现调制，而载波
10、的可控特性有振幅、频率、相位，所以可获得振幅键控（ASK） 、频移键控（FSK） 、相移键控（PSK） 。它的主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。通过对通信原理的学习 2，我们知道，对于三种调制方式来说，PSK 的性能是最好的，但是也是成本最高和最难实现的，而 ASK 性能最差，但是对系统的要求最低，而 FSK 居中。所以在一般的数字传输系统中，FSK 得到广泛的应用。我们在该系统的设计中同样使用比较常用的 FSK 进行调制和解调。2.2.2 2FSK 调制设计最
11、常见的是用两个频率承载二进制 1 和 0 的双频 FSK 系统。用两个频率 1 、2 分别表示二进制符号 0 和 1，而形成 FSK 信号()()cos()0n1ns2netagtTttt(1)通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 4 页 页第 4 页其中，e 2FSK(t)是要传输的二进制符号。 时发 送 为 时发 送 为 0)cos(1)(e12nFSKtwAt而在我们设计的系统中，我们分别用载频为 100KHZ 和 220KHZ 作为载频对基带信号进行调制。2.2.3 2FSK 解调设计2FSK 信号的常用解调方法是采用的非相干解调和相干解调。其解调原理是将2FSK 信号分解为
12、上下两路 2ASK 信号分别进行解调，然后进行判决。而非相干解调包括包络检波法、过零检测法、差分检波法。具体的实现方法就不做具体介绍了。在本系统中，为了减少误码率，使系统能够稳定，我们采用非相干解调的方法对 FSK 信号进行解调。2.3 信道设计对于信道来说，做的是模拟真实的通信系统，所以就必须加上信道的噪声干扰，从而我们才能真正认识到整个通信系统的性能与噪声的关系。在设计的系统中，将信噪比从 0 到 10 的变化对误码率的影响绘制成一条曲线，可以直观准确的看到信号的误码率与信噪比的关系变化。2.4 滤波器设计对于滤波器的重要性我就不多做介绍了，通过我们在实践过程中系统性能的表现，我们对系统加
13、上了低通滤波器 3，对解调后的信号进行滤波，减小误码对解调信号质量的影响。2.5 仿真及其数据分析该仿真在 windowsXP 系统，MATLAB2010 1版本以上运行。由一正弦函数作为系统的输入模拟信号，经过抽样后，在进行 13 折线 A 率量化编码，变成二进制码元，为了模拟实际信道的特性，在编码后的码元中加入了高斯白噪声，作为FSK 解调的输入，接着进行相干解调，之后经过滤波器，最终得到解调信号。(2)通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 5 页 页第 5 页2.5.1 PCM 编译码的仿真设计由于模拟正弦信号经编码后得到的二进制码是一个较大的二维矩阵，不便于进行 FSK 的调
14、制与解调。为了实现起来比较简单，同时又让系统各部分的功能特性看起来比较直观，分成了两个系统，即 PCM 编译码部分和 FSK 调制解调部分。由于在 MATLAB 上运行的是数字信号，虽说是产生了模拟信号，但是实质还是数字的，所以就利用这一点减少了对信号进行抽样的步骤，直接对其进行量化，在量化之前要对信号进行归一化。如图下图所示为 PCM 编码与 PCM 译码的流程图：信号输入判断符号归一化、量化段落判断段中判断输出输入码组提取符号判断段落位置判断段内位置判断符号输出图 2.1 PCM 编码与 PCM 译码的流程图通 信 系 统 综 合 设 计 与 实 践 第 6 页 页第 6 页对于译码程序，
15、首先确定它的符号，在进行循环判断段内码的值和段落中的位置，最后将所得数字按 PCM 的编码规则进行合成，得到模拟信号的输出。为了模块化程序设计，我们为 PCM 编码和 PCM 译码分别创建了一个函数，作为M 文件，即 PCM.M 和 iPCM.M，如下附录 2 所示。2.5.2 2FSK 调试解调的仿真设计根据以上的介绍，我们知道，要进行信道编码来提高信号的传输质量，对于2FSK 的编程，我们按照如下的流程图来进行的：PCM 编码判断是否为 1100K 信号调制220K 信号调制加入高斯白噪声100K 信号相干解调220K 信号相干解调低通滤波器低通滤波器抽样判决 抽样判决计算误码率低通滤波器画出时域的各个过程中的图形绘出信噪比和误码率之间的关系图2FSK 输出
