通信系统单片机课程设计报告.docx

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摘要 I
Abstract II
ATLAB简介 2系统设计要求 3
统原理及实现 1 增量调制 4
增量调制信号的译码 5
HDB3编解码 6
HDB3码编码基本原理 HDB3码的解码 MATLAB实现HDB3码编解码 3 信道编码汉明码编译码原理 8
MATLAB实现汉明码编译码 4 ASK调制与解调 二进制频移键控（2ASK）基本原理 二进制频移键控（2ASK）调制 2ASK解调 5 AWGN信道的模拟 4 实验方案及测试方法 验结果及分析 1 发送端仿真结果 增量调制仿真 HDB3码及汉明码编码仿真 2ASK调制以及AWGN信道仿真 2 接收端仿真结果 2ASK解调仿真 汉明码及HDB3码解码仿真 增量调制解码仿真 3 仿真结果分析 验总结 参考文献 附录
摘要
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。通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，过程可以分为数字化，信源编解码，信道编解码，调制解调，加扰等。本实验利用MATLAB实现了增量调制，HDB3码，汉明码，ASK调制，AWGN及对应的解调过程，完整实现了一个通信系统。
关键词：通信系统 调制 解调 MATLAB
Abstract
MATLAB is a high-tech computing environment that is mainly released by MathWorks company in the face of scientific computing, visualization and interactive programming. The numerical analysis, matri__ computation, scientific data visualization and modeling and Simulation of nonlinear dynamic systems such as powerful function integrated in an easy-to-use Windows environment, for scientific research, engineering design and the need for many scientific and effective numerical field provides a comprehensive solution, and get rid of the traditional non interactive programming language to a great e__tent (such as C, FORTRAN) in the edit mode, on behalf of today's international advanced level of scientific computing software. Communication system is a very comple__etc..em, there are a variety of methods in the specific implementation, but the general process is common. For a digital transmission of analog signals, the process can be divided into digital, source coding, channel coding and decoding, modulation and demodulation, scrambling, etc.. This e__periment using MATLAB to achieve incremental modulation, HDB3 code, Hamming code, ASK modulation and demodulation process of AWGN and the complete implementation of a communication system.
Key words: communication system, modulation, demodulation, MATLAB
1 MATLAB简介
MATLAB是Matri__ Laboratory的缩写，是一款由美国Math Works公司出品的商业数学软件。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbo__）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。
MATLAB的主要优势如下：

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件， 其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定 4点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbo__）家族中有了自己的一席之地。
（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向E__cel和HDF5进行连接。

2系统设计要求
利用仿真软件MATLAB，也可以在硬件实验系统平台上设计完成一个典型的通信系统（如图2-1所示）的仿真。
图2-1 典型的通信系统
输入：首先输入模拟信号，给出此模拟信号的时域波形。
数字化：将模拟信号进行数字化，得到数字信号，数字化方式选择增量调制。
信源编码：实现基带码形变换(HDB3码)。
信道编码：实现简单的信道编译码汉明码。
调制：ASK调制方式。
信道：采用AWGN信道。
解调：ASK解调。
信道解码：采用汉明码解码。
信源解码：HDB3解码
增量解码：给出解码后的模拟信号的时域波形，并与输入信号进行比较。 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。

3系统原理及实现
增量调制

增量调制简称ΔM或增量脉码调制方式（DM），它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946年由法国工程师De Loraine提出，目的在于简化模拟信号的数字化方法。PCM是对每个采样信号的整个幅度进行量化编码，因此它具有对任意波形进行编码的能力；DM是对实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性进行编码，将极性变成“0”和“1”这两种可能的取值之一。如果实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性为“正”，则用“1”表示；相反则用“0”表示，或者相反。增量调制是预测编码中最简单的一种，他将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。类似地，在接收端，每收到一个代码“1”，译码器的输出相对于前一时刻的值上升一个量化阶；每收到一个代码“0”就下降一个量化阶。接收到连续的“1”时表示信号连续增长，收到连续的“0”时表示信号连续下降。译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声，就被恢复成了原始模拟信号。只要采样频率足够高，量化阶距的大小适当，则接收端恢复的信号与原始信号就非常接近，量化噪声非常小。

增量调制与PCM调制相比有如下特点：
1 在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM。
2 增量调制抗误码特性好，可用于误码率为10-2～10-3的信道，而PCM则要求10-4～10-6的信道。
3 增量调制通常采用单纯的比较器和积分器作编码解码器，其结构比PCM的简单。

增量调制的基本思想使用一个阶梯波去逼近一个模拟信号，如图3-1所示。
图3-1 增量调制波形示意图
首先，根据信号的幅度大小和和抽样频率确定阶梯信号的台阶。在抽样时刻，比较信号和前一时刻的阶梯波形取值，其中:
1 如果，则用上升一个台阶表示，此时编码器输出"1"码;
2 如果，则用下降一个台阶表示，此时编码器输出"0"码。
下次编码按上述方法将与比较，使之上升或下降一个台阶电压去逼近模拟信号。如果抽样频率足够高，台阶电压足够小，则阶梯波形近似为，而上升台阶和下降台阶的二进制代码分别用"1"和"0"表示。这个过程就是增量编码。如图7-7-1所示的模拟信号采用增量调制编码编出的二进制代码为:010101**********。
增量调制信号的译码
1 接收端收到"1"码，就使输出上升一个台阶电压;
2 接收端收到"0"码，就使输出下降一个台阶电压;
这些上升和下降的电压的累积就可以近似地恢复出阶梯波形。
增量调制信号的译码器可由一个积分器来实现，如图3-2（a）所示,当积分器的输入为"1"码时(即输入为脉冲电压),就以固定斜率上升一个(等于), 当积分器的输入为"0"码时(即输入为脉冲电压),就以固定斜率下降一个
。
图3-2(b)中表示了积分器的输入和输出波形。积分器的输出波形并不是阶梯波形，而是一个斜变波形。但因等于，所以在所有抽样时刻上斜变波形与阶梯波形的值相同。因而，斜变波形与原来的模拟信号也近似。由于积分器实现起来容易，且能满足译码要求，所以通常采用如图3-2（c）所示的积分器，其的乘积应远大于一个二进码的脉冲宽度。积分器输出虽已接近原来模拟信号，但往往含有不必要的高次谐波分量，故需再经低通滤波器平滑，这样，就可得到十分接近模拟信号的输出信号。
图3-2 增量调制信号的译码
HDB3编解码
HDB3码编码基本原理
HDB3码是三阶高密度双极性码的简称。是一种适用于基带传输的编码方式，他是为了克服AMI码的缺点而出现的，具有能量分散，抗破坏性强等特点。HDB3码是基于AMI码的。在AMI码中连续的二进制零序列会使得编码的自时钟信息丢失。为了避免这种情况的发生HDB3码将AMI码中四个连续的二进制0使用违反AMI码规定的极性的脉冲（+1或-1）来替换。
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：
AMI码：
HDB3码：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”
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：
中间码：
HDB3: