远距离点对点通信系统设计内容通信原理三级项目报告.doc

'远距离通信系统设计——基于Simulink的数字通信系统的仿真设计指导教师：许成谦班级组号：通信四班第二组组长：张曌（Simulink仿真设计、论文撰写、PPT制作，贡献率为40%）成员：陈春（查阅资料、PPT制作，贡献率为30%）尹树林（查阅资料、论文撰写，贡献率为30%）教务处2017年5月 摘要根据本三级项目的设计要求，设计一个从A地到B地的语音或数据通信系统，借助Simulink仿真平台，对一个点对点的数字通信系统进行了仿真设计。第一部分是对该数字通信系统的信源编码方式进行讨论。考虑到该通信系统需要提供语音或数据传输功能，信源编码采用PCM编译码，利用Simulink进行仿真，并测试其量化编码的精确性。第二部分是讨论其数字调制方式。首先利用MATLAB中误码率分析的功能，得到各常用的数字调制方式的抗噪声性能曲线，从而得到BPSK、QPSK具有良好的抗噪声性能。接着，利用Simulink搭建简单的数字通信系统，分别对BPSK、QPSK的可靠性能进行仿真分析，最终确定数字调制方式选用BPSK。第三部分是讨论其信道编码方式。利用Simulink搭建简单的数字通信系统，分别对哈明码（7,4），BCH码（15,4）,卷积码的可靠性能进行仿真分析，通过利用MATLAB中误码率分析的功能，最终确定信道编码采用汉明码（7,4）编码方式。第四部分是利用Simulink平台对所设计的整个通信系统进行仿真，分析其误码率及抗噪性能，最后得出结论，所设计的数字通信系统具有良好的可靠性以及有效性。关键词：数字通信系统、Simulink仿真、PCM编译码、哈明码、BCH码、卷积码、BPSK、QPSK、抗噪声性能 一、总体设计方案1.1设计方案要求该三级项目要求设计一个从A地到B地的语音或数据通信系统。1.2方案分析“一个从A地到B地的语音或数据通信系统“属于远距离点对点的通信系统，考虑到数字通信系统的优越性，可以使用数字通信系统，采用数字调制方式，信道采用加性高斯白噪声信道，不考虑多径信道。图1.1点对点通信系统图1.3总体设计方案——点对点数字通信系统通过上述分析，从而可确定该三级项目的设计方案为点对点的数字通信系统建模。数字通信系统是利用数学信号来传递信息的通信系统，其中主要由信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步与加密等。图1.2点对点数字通信系统图1.4使用的通信系统建模的仿真平台——SimulinkSimulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。本三级项目主要利用Simulink来对所设计的点对点通信系统进行仿真、测设及分析。 二、信源编码/译码2.1信源编码/译码简介信源编码有两个功能：一是提高信息传输的有效性，即通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定传输所占的带宽，而传输带宽反映了通信的有效性。二是完成模数转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码码器将其转换为数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是信源编码的逆过程。常见的信源编码方式有脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲编码调制（DPCM）、增量调制（DM）。考虑到项目要求为该通信系统需传送语音，所以采用国际通用语音编码方式——脉冲编码调制（PCM），并且采用A律压缩方式。2.2信源编码——PCM编码PCM编码过程为将模拟信号经抽样、压缩、量化、编码，将其转换为数字信号。下图为其PCM原理框图。图2.1PCM原理框图2.3PCM编码——Simulink仿真设计方案（1）PCM编码模块仿真方案系统图该模块由sinewave(正弦信号发生器)、Zero-OrderHold（零阶保持器）、Saturation（限幅器）、Relay（继电模块）、Abs（绝对值模块）、A-LawCompressor（A率压缩器）、Gain（增益模块）、Quantizer（量化器）、IntegertoBitConverter（整数点转换器）、Mux（复用器）、ToFrame（装帧器）、Buffer（缓冲器）、Scope（示波器）组成，实现PCM编码功能。图2.2PCM编码的Simulink仿真设计方案（2）仿真结果 设置sinewave(正弦信号发生器)的相关参数，幅度为1，角频率为200*pi，抽样时间间隔定为1/8000s。设置Gain的增益参数为127。其它采用默认参数即可，然后进行仿真，观察示波器的波形如下图2.3所示。图2.3PCM编码的Simulink仿真示波器输出结果由上图可知，示波器输出结果的上部分波形为PCM编码输出结果，为二进制序列，下半部分波形为原输入的正弦信号波形。从而可知，该PCM系统模块能实现模拟信号数字化的功能。2.3PCM译码——Simulink仿真设计方案（1）PCM译码模块仿真方案系统图该模块由Buffer(缓冲器)、Reshape（成形器）、Relay（继电模块）、Abs（绝对值模块）、A-LawExpander（A率扩张器）、Gain（增益模块）、BittoIntegerConverter（点整数转换器）、DeMux（分用器）、AnalogFilterDesign（模拟低通滤波器）、Product（相乘器）组成，实现PCM译码功能。图2.4PCM译码的的Simulink仿真设计方案2.3PCM编译码——Simulink仿真设计方案（1）PCM编译码模块性能测试仿真方案将PCM编码系统图的输出端连接至PCM译码系统图的输入端，从而来测试该PCM编译码的性能，具体原理图如下图所示。 图2.5PCM编译码模块性能测试仿真方案图（2）仿真结果图2.6PCM编译码的Simulink仿真示波器输出结果由上图可知：经PCM编码模块和PCM译码模块输出后的波形，波形呈锯齿状，近似呈平滑正弦波形。从而可直观地得到该PCM编译码具有良好的模数和数模转换能力。（3）性能分析为了进一步精确分析其性能，PCM编码系统图封装成PCM编码子模块，PCM译码系统图封装成PCM译码子模块，将其相连接，通过在输入端接入常数模块，输出端接显示模块。通过改变常数模块的输入值，通过观察经PCM编译码系统后的输出值，输入值与输出值比较，即可判别其性能。 图2.6PCM编译码性能测试的Simulink仿真输出结果结论：由输入的常数值经PCM编码和PCM译码模块输出后，与原输入相差甚小，表明所设计的PCM编码和PCM译码模块具有较好的信源编译码能力，能实现精确量化。三、数字调制解调方式3.1数字调制解调简介数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式由振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对（差分）相移键控（DPSK）。在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。对高斯噪声下信号的检测，一般采用相干器或匹配滤波器来实现。3.2各数字编码方式仿真性能曲线对比分析通过利用MATLAB的误码率分析的功能，可到各常见的数字编码方式的误码率性能曲线。本次实验主要分析了BPSK（二进制相移键控）、QPSK（正交相移键控）、4QAM（正交振幅键控）、4FSK（四进制频移键控）,MSK（最小频移键控）,CPSK（连续相移键控）的误码率性能曲线，见下图。 图3.1各数字编码方式仿真性能曲线由图可知：BPSK、QPSK、4QAM抗噪声性能相同，且都优于4FSK,MSK,CPSK;在信噪比较小时，抗噪声性能关系为CPSK>4FSK>MSK;在信噪比稍大时，4FSK,MSK抗噪性能优于CPSK。因此，本次三级项目主要对抗噪声性能较优的BPSK、QPSK调制解调进行了仿真。3.3QPSK调制解调仿真（1）QPSK调制解调Simulink仿真系统图QPSK调制解调仿真系统主要采用RandomIntegerGenerator（随机整数发生器）、QPSK调制模块、AWGN(加性高斯白噪声信道)、QPSK解调模块、误码率分析器、显示模块、星座图分析器组成。从而实现对QPSK调制解调的性能分析测试。图3.2QPSK调制解调Simulink仿真系统图（2）仿真结果设置RandomIntegerGenerator采样时间为0.01，输出封装成帧，每帧点数为100；设置AWGN的采样时间为0.02，信噪比为5dB；其它参数采用默认参数，然后开始仿真，通过观察显示模块第一项的数字可得：QPSK调制解调系统仿真后测得的误码率为0.1818%，星座图如下图所示。图3.3QPSK调制解调仿真实验星座图上图中左图为QPSK调制后的星座图，右图为经AWGN传输后，经噪声污染后的星座图，接收信号随机地分布在四个理想位置点的周围。 3.3BPSK调制解调仿真（1）BPSK调制解调Simulink仿真系统图BPSK调制解调仿真系统主要采用BernoullibinaryGenerator、BPSK调制模块、AWGN(加性高斯白噪声信道)、BPSK解调模块、误码率分析器、显示模块组成。从而实现对BPSK调制解调的性能分析测试。图3.4BPSK调制解调Simulink仿真系统图（2）仿真结果设置BernoullibinaryGenerator采样时间为0.01，；设置AWGN的采样时间为0.02，信噪比为5dB；其它参数采用默认参数，然后开始仿真，通过观察显示模块第一项的数字可得：BPSK调制解调系统仿真后测得的误码率为0.19196%。从而可得，BPSK和QPSK调制解调系统实际仿真所测得误码率相差无几，都可作为数字通信系统的调制方式。因此，本次设计的数字通信系统选取BPSK作为其数字调制方式。四、信道编码/译码4.1信源编码/译码简介信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号在信道传输时收到噪声等影响后将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓的“抗干扰编码“。接收端的信道译码器按照相应的你规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。4.2信道编码方式——汉明码（7,4）（1）采用哈明码作为信道编码方式的Simulink仿真系统图为了测试采用哈明码作为信道编码方式的数字通信系统的性能，设计由BernoullibinaryGenerator、BPSK调制模块、汉明编码模块、AWGN(加性高斯 白噪声信道)、BPSK解调模块、汉明解码模块、缓冲器、Ubuffer（并串变换器）、缓冲器、误码率分析器、显示模块组成的系统。图4.1采用哈明码作为信道编码方式的Simulink仿真系统图（2）仿真结果设置哈明编码模块产生（7,4）码；缓冲器参数设置为7；其它设置参数同3.3的设置参数。然后开始仿真，由误码率分析器的结果可得用哈明码作为信道编码方式的通信系统仿真测试的误码率为0。（3）仿真性能分析通过利用MATLAB的误码率分析的功能，对汉明码（15,4）、哈明码（7,4）、未使用信道编码的通信系统的抗噪性能进行分析，见下图。图4.2汉明码、哈明码和未使用信道编码三种情况的抗噪声性能曲线由仿真性能曲线可知：上述三种情况的抗噪声性能关系为，汉明码（15,4）>哈明码（7,4）>未使用信道编码，考虑到哈明码（15,4）的编码有效率远低于汉明码（7,4），所以，优先考虑哈明码（7,4）。4.3信道编码方式——BCH码（15,5）（1）BCH码Simulink仿真系统图为了测试采用BCH码作为信道编码方式的数字通信系统的性能，设计由BernoullibinaryGenerator、BPSK调制模块、BCH编码模块、AWGN(加性高斯 白噪声信道)、BPSK解调模块、BCH解码模块、误码率分析器、显示模块组成的系统。图4.3采用BCH码作为信道编码方式的Simulink仿真系统图（2）仿真结果设置哈明编码模块产生（15,5）码；其它设置参数同3.3的设置参数。然后开始仿真，由误码率分析器的结果可得采用BCH码的仿真测试的误码率为0.2985%4.4信道编码方式——卷积码（1）卷积码Simulink仿真系统图为了测试采用卷积码作为信道编码方式的数字通信系统的性能，设计由BernoullibinaryGenerator、BPSK调制模块、卷积编码模块、AWGN(加性高斯白噪声信道)、BPSK解调模块、维特比解码模块、误码率分析器、数据类型转换模块、显示模块组成的系统。图4.4采用卷积码作为信道编码方式的Simulink仿真系统图（2）仿真结果 设置维特比解码模块的深度为35，误码率分析器的延迟时间为35，其它设置参数同3.3的设置参数。然后开始仿真，由误码率分析器的结果可得采用卷积码的仿真测试的误码率为0.3214%4.5各信道编码方式仿真性能曲线对比分析对4.3、4.4和4.5中仿真所得误码率的结果进行比较，发现使用哈明码（7,4）式误码率最小，抗噪性能最优。为了进一步客观地分析这三种信道编码方式的抗噪性能，利用MATLAB的误码率分析的功能，对卷积码、哈明码（7,4）、未使用信道编码进行抗噪性能分析，得到如下曲线图。图4.4卷积码、哈明码（7,4）、未使用信道编码进行抗噪性能分析曲线图由仿真性能曲线可知：上述三种情况的抗噪声性能关系为，卷积码>哈明码（7,4）>未使用信道编码，考虑到卷积码的编译码会出现延迟，所以，优先考虑哈明码（7,4）。4.6结论通过对各常用的信道编码方式进行仿真分析，对误码率进行比较，所以，针对本次三级项目所使要建立的点对点数字通信系统选择哈明码（7,4）作为信道编码方式。五、远距离点对点数字通信系统仿真及性能分析根据上面的讨论，本项目所设计的远距离点对点数字通信系统中信源编译码采用PCM编译码，信道编译码采用汉明码（7,4）编译码，数字调制方式选用BPSK，信道采用加性高斯白噪声信道。5.1点对点数字通信系统Simulink系统仿真图为了测试设计的点对点数字通信系统的性能，设计由正弦信号发生器、PCM编码模块（2.3中自行封装的子模块）、PCM译码模块（2.3中自行封装的子模块）、BPSK调制模块、汉明编码模块、AWGN(加性高斯白噪声信道)、BPSK解调模块、汉明解码模块、缓冲器、Ubuffer（并串变换器）、误码率分析器、显示模块、示波器组成的系统。 图5.1点对点数字通信系统Simulink系统仿真图5.2仿真结果设置sinewave(正弦信号发生器)的相关参数，幅度为1，角频率为200*pi，抽样时间间隔定为1/8000；AWGN中抽样时间间隔设置为2/8000，信噪比为10dB；其它设置同4.3，然后开始仿真，由误码率分析器的结果可得所设计的点对点数字通信系统仿真后测得的误码率为0.0575%。示波器显示波形如下图。图5.2示波器显示波形上图波形中上半部分为原始输入的正弦波信号，下半部分为经过所设计的点对点通信系统所输出的波形，波形呈正弦态，但呈锯齿状，与上半部分基本相似。根据测得的较小的误码率以及输入和输出波形很接近，可以表明所设计的点对点通信系统具有良好的可靠性。5.3性能分析通过利用MATLAB的误码率分析的功能，可到理论上所设计的通信系统的误 码率性能曲线和蒙特卡洛法得到该通信系统的误码率曲线，见下图。图5.3理论上和蒙特卡洛分析法得到的该系统的抗噪性能曲线由上图可知，利用蒙特卡洛法得到的该系统的抗噪性能曲线与理想的性能曲线大致拟合，同时，表明当该系统输入信噪比在大于4dB时,具有很小的误码率，可靠性强。七、参考文献[1]樊昌信、曹丽娜.通信原理（第6版）[M].北京：国防工业出版社.2011[2]曹志刚.通信原理与应用——基础理论部分[M].北京：高等教育出版社.2016[3]周炯槃、续大我等.通信原理（第3版）[M].北京：北京邮电大学出版社.2011[4]杨育红.通信系统仿真实验[M].北京：国防工业出版社.2015[2]杨发权.MATLAB通信系统建模与仿真[M].北京：清华大学出版社.2016[3]徐明远、邵玉斌.MATLAB仿真在现代通信中的应用[M].北京：西安电子科技大学出版社.2011'