通信原理项目报告.doc

'上海大学2013～2014学年冬季学期“通信原理”课程项目报告课程名称：《通信原理》课程编号：项目名称：频带传输系统搭建项目名称和内容：搭建一个在高斯信道中传输的时分（或频分或码分）复用频带传输系统，并测试其性能。（码速率、调制方式、时分复用路数、信号功率和噪声功率自定）。要求：1、搭建包括发送、信道、接收在内的完整系统。2、系统性能用表格或曲线表达。3、鼓励利用硬件完成。4、撰写项目报告（含摘要、概述、内容、测试结果与分析、结论与感想）。5、使用教学专用实验平台上交项目报告。7组学生姓名:孙启云（组长）学号:学生姓名:许津豪学号:学生姓名:朱鸣学号:学生姓名:都腾跃学号:学生姓名:唐杨翼学号:评语:成绩:任课教师:余小清评阅日期: 目录一、概述1.1MATLAB概述21.2Simulink简介21.3时分复用31.4PAM编码31.5时分解复用61.6时分解复用中应用的原理61.6.1位同步71.6.2帧同步7二、时分复用系统及其建模2.1信源部分82.2编码与译码部分92.3调制解调部分122.4高斯信道部分132.5信号接收部分13三、测试结果及其分析3.1信源部分143.2信号接收部分143.3性能分析153.4出现的问题及解决方案16四、结论与感想16五、小组人员分工17 一、概述1.1MATLAB概述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，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。1.2Simulink简介Simulink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。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink应用及特点Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Simulink特点如下：(1)丰富的可扩充的预定义模块库。(2)交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。(3)以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。(4)通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。(5)提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。(6)使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。(7)使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。(8)图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。(9)可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。(10)模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。1.3时分复用在实际的通信系统中，为了提高通信系统的利用率，往往用多路通信的方式来传输信号。所谓多路通信，就是指把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在收端再将它分离并将它们相应接收。时分复用就是一种常用的多路通信方式。时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。图2-1表示的是两个基带信号在时间上交替出现。显然这种时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。这就是时分复用的概念。 此外，时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速的数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。1.4PAM编码利用抽样脉冲把一个时间连续信号变为时间上离散的样值序列，这一过程称之为抽样。抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。下图2.1为PAM信号产生过程。话音输入fH抽样脉冲f≥2fH PAM信号图1.1PAM信号产生这里抽样必须满足抽样定理，抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足这一条件的情况下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。1.5时分解复用时分复用的解调过程称为时分解复用。时分解复用通信，是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信分离出原来的模拟信号。由抽样定理可知，将时间上离散的信号变成时间上连续的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。时分解复用是建立在抽样定理的基础上的,因为抽样定理连续(模拟)的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替.具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。抽样脉冲占据时间一般较短,在抽样脉冲之间就留出间隙.利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样,因此,就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短,能够传输的数据也就越多.时分解复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离,各个信号就能分别互相分开，互不干扰并不失真地还原出原来的模拟信号。1.6时分解复用中应用的原理 在通信系统中，同步具有相当重要的地位。通信系统能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依赖有无良好的同步系统。同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。他们在通信系统中都具有相当重要的作用。时分解复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过相应电力和滤波器，把时分复用的调制信号不失真的分离出来。1.6.1位同步位同步的目的是确定数字通信中的个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接受端得到一连串的码元序列，这一连串的码元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的的定时脉冲序列。1.6.2帧同步在传输时把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的字或句，通常称为群或帧。群同步又称帧同步。帧同步的主要任务是把字或句和码区分出来。在时分多路传输系统中，信号是以帧的方式传送。每一个帧中包含多路。接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路当然这必须是在位同步的前提下实现。二、时分复用系统及其建模时分复用是多路信号在时间位置上分开，它们所占用的频带是公共的，时分复用信号在频率上重叠，但在时间上是不重叠的。 在相邻抽样脉冲之间存在时间上的空隙，利用这种空隙便可以在同一信道中传输其它路信号的抽样脉冲，只要抽样脉冲之间相互不混淆.在时间上分开的，在接收端就可以想法把各种信号分开，最后实现恢复各路原始信号。这就是时分复用原理。如图2.1，图2.2。图2.1时分复用示意图图2.2时分复用的帧结构2.1信源部分我们要传输的信号为4路模拟信号，所以用具有相同采样频率 =400Hz但在时间上错开的的抽样矩形脉冲，去依次对4路信号进行抽样，得到时间上分开的各路样值序列，经合路后，各路抽样值顺序地置入各自的时隙，形成一个可以在一个信道中传输的群路信号，当然得在经过编码,调制后。具体到在simulink软件中的实现如下： 正如上图所示，四路信号分别是2路正弦信号，1路三角波信号和1路脉冲信号。其中正弦信号幅度为1V，频率分别为10HZ和20Hz；三角波信号幅度为2V，频率为10Hz；脉冲信号幅度为1V，频率为10Hz，占空比为50%;在对这些信号进行抽样之前，必须用低通滤波器滤除其高频分量，虽然对于正弦波来说没有必要，但对于三角波，脉冲波这样的具有极大频率分量来说，低通滤波器的截止频率设置相当重要，既要滤除高频，又要保证失真的程度，所以我们组给滤波器设置的是200Hz的截止频率。这样，我们的抽样脉冲的频率设置为400Hz即可，由于是4路信号的合并，所以抽样脉冲的占空比设置为25%即可。对4路信号实现依次抽样，可以通过对抽样脉冲的延时来实现，依次延时,对信号进行采样。2.2编译与编码部分在抽样合并之后的这路群信号依然是模拟信号，若直接传送，受到高斯噪声的干扰肯定很大，所以必须再将之数字化。模拟信号数字化过程的第一步——抽样，我们已经完成。接下来是量化和编码。具体到simulink中，需要用到如下元器件：他们分别是零阶保持模块，UniformEncoder（量化与编码）模块，IntegertoBitConverter（数据类型转换）模块。其中，零阶保持模块的目的是将连续的信号类型通过1/1600(sampletime)的保持作用变成离散的类型，否则量化和编译时会报错。下面说说各器件的参数设置：1.量化与译码器的参数设置如下： 即V=1，B=8.根据matlab软件中对这个模块的解释得，这个模块完成了两个步骤：第一步，把输入信号量化成=个量化电平中的一个，即量化间隔Δ=，所以输入信号区间变为[,(1-]=[,(1-].第二步：编码，当把Outputtype设为“Signedinteger”时，(1-被编成，所以输出为[],即[].2.“IntegertoBits”模块参数设置如下： 这里，M的设置取决于前面编码模块的B值，因为一个整数是用8位比特位来表示的。因为编码模块的输出数据类型是int8型，所以“Treatinputvaluesas”模块设置为“Signed”，是有符号位的。这里数据类型转换模块的应用尤为关键，因为正是它将整数型数据转化为了二进制“0”，“1”序列，这样才使调制有了可能。正如下图所示：分别用“display”元器件查看“IntegertoBitsConvert”模块的前后数据发现，之前数值是“-128”，转换之后，就成了“” ，显然这是-128的二进制补码。为了具体说明这个模块对数据的处理效果，我另做了一个简单系统测试如下如下（输入为一个正弦波）：已知：输入的正弦波幅度为1V，量化器的量化电平Δ=1/256V，可以看到第二路信号与第三路信号波形没有任何区别，但是数值却有了改变：即编码以后的数值范围为（-256,256）之内的数。从波形上分析，编码以后的波形应该是“0”，“1”电平的序列才对，可是数值上分析它又是对的。所以，针对这样的模块，我们增加了一个“IntegertoBitConverter”模块，并将其中“Numberofbitsperinteger”属性设置为8，从而把编码后的整数型波形转化为“0”，“1” 电平的序列，如上图第4路信号，这路信号其实是8路信号的群信号，示波器中看到8种颜色的信号线叠加在一起，如果用并串转换模块分开观察这8路信号如下：可以发现这8路信号竖向整合，每一列的8位二进制数整合后正好就对应着编码器输出的整数数值，所以就论证了这个模块既可以将编码器输出的整数数据转换为“0”，“1”电平序列输出，又保证了数据的完整信息。编码部分就如上面所述，接收端的译码部分就如下所示（不再详述）：对应的在接收端就用模块：进行译码即可。 2.3调制解调部分在实际的系统中，通信信道常具有带通特性，不能直接传送具有丰富低频成分的数字基带信号。因此需要用基带信号调制高频率的载波，形成频带信号以进行传送。在simulink中我们运用到如下模块：显然这是PSK调制，参数设置如下：调制原理如下所示： ：当我们把InputType设为“Bit”时，模块才接受“二进制数值表示整数”的输入信号，并且把输入的二进制信号每8位（K值）表示成一个符号进行调制，根据K=，那么M的值就设为256.同理在接收端MPSK解调模块会逆向地解调出我们的信号，就不祥讲了。2.4高斯信道部分直接利用模块，可以直接设置参数信噪比，我们预先设置为40db。参数设置如下: 这个高斯信道的原理就是，根据设置的“Inputsignalpower”即输入信号功率，和“Eb/No”信噪比参数的设置，可以得到高斯噪声的功率，再在输入信号中加入相应的“whiteGaussiannoise”，其中“NumbersofBitsPerSymbol”当然设置为8位，“SymbolPeriod”与抽样间隔相同，为1/1600.关键的参数设置为“Inputsignalpower”，因为这个参数必须与输入信号的功率一致，否则高斯噪声加的就毫无根据，由于我的信号幅度都为1V，而参照阻抗都默认为1欧姆，所以==1W，即高斯噪声的功率最大就为1W，已经是最差的情况，这样情况下得出的误码率才有可信度。2.5信号接收部分如下图所示： 同样也要用与信源同步的脉冲将4路信号从群信号中分别提取出来，再经过低通滤波器平滑一下即可。三、测试结果及其分析3.1信源部分对4路信号实现依次抽样，可以通过对抽样脉冲的延时来实现，依次延时,对信号进行采样，获得的信号如下： 从合并后的第五路信号中可以找到上面4路信号的轮廓，说明抽样是成功的。3.2信号接收部分当高斯信道的信噪比设为40db时，结果如下： 从波形上看，由于高斯噪声和量化噪声的存在略有失真，但基本上完成了在信道中传输的过程，实现了项目设计的要求。3.3信道性能分析以改变信道信噪比测试误码率的方法绘制性能图像，取了从信噪比0dB到50dB共计10个点作为参考，大致体现了本项目设计所需要的结果。分析如图：参考点：当db,当db,当db, 当db,当db,当db,当db,当db,3.4出现的问题及解决方法在本次课程设计运用了MATLAB软件建立工作模型，在仿真的过程中遇到了各种不同的问题，通过自己的探索和在同学的帮助下都一一解决，总结分析分析如下：（1）运行后如没有出现波形、出现多路波形的混合或是出现波形的幅度过小或过大，可以点击scope菜单栏的或者点击鼠标右键，选择autoscale即可出现清晰波形。（2）若出现波形很差，可以把修正因子（默认为1）加大，具体步骤为选择模型菜单中的“Simulink|configurationparameters|Dataimport/export”修改Decimation中数据（默认为1），可加大为50或100。（3）编码模块编码之后，出现的波形并不是想象中的“0”“1” 序列，这样在进行调制的时候系统报错为：Encoder模块输入信号类型不对，必须是Bit型，而编码模块输出的数据类型为整数型，在查阅相关资料后发现有一个“IntegertoBitsConvert”模块，于是在编码和调制之间加上这个模块，再设置相关参数即可。（4）调制模块中，M参数的设置也是一个困扰颇久的问题。后来在matlab中对这个模块的详细讲解中意识到，当把“InputType”参数设置为“Bits”时，M参数就必须根据K参数按照K来设置，而K就是前面编码模块和数据转换模块的比特参数8，这样M就设置为=256，于是问题就解决了。（5）在系统调试时，高斯信道曾报过这样的错误：信道两端的数据必须是离散型的，所以就在信道两端加上“Zero—OrderHold”模块，而且“sampletime”参数必须设置为与脉冲抽样时间一致，即0.，这样问题就解决了。（6）若波形出错，可以把滤波器级数(默认为8)适当减小，使滤波器精确度变小，允许误差变大，便于波形的输出。（7）在整个仿真过程中，各模块的参数设置十分重要，一定要设置合适的参数，才会得出所需要的信号。四、结论与感想这个项目加深了小组同学对MATLAB软件和Simulimk工具的了解，也更深层次地熟悉软件功能与特点。运用时分复用的复用方式进行分析，时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。经过为期两周的课程设计，我们 顺利的完成了任务。不同于在教室里上的理论课，本次课程设计需要我们运用到课本中学到的理论知识，和自己的实际操作来完成。因为是以所学理论为基础，所以在课程设计的过程中，我又重温了模拟调制系统和相干解调等知识，更加熟悉了MATLAB里的Simulink工具箱，学会了独立建立模型，分析调制与解调结果，和加入噪声之后的情况，通过自己不断的修改参数值，更好的理解加入噪声对信道的影响。在设计的过程中遇到不少问题，在自己的努力和与同学的交流中一一解决。通过这次课程设计，我们拓宽了知识面，锻炼了实际操作能力，综合素质也得到了提高。我觉得安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。并且它的一个重要功能，就是在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果：把课堂上学到的系统化的理论知识，应用于实际设计操作中，并学会理论结合实际来分析结果。检验学习成果：看一看课堂学习与实际到底有多大距离，并通过这次课程设计，找出学习中存在的不足，完善所学知识。在做课程设计的过程中，我们也认识到实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这一次的学习也是为以后的毕业设计工作打下基础。理论和时间毕竟有差距，及时是软件上的模拟也会出现很多意想不到 的错误。在搭建好系统后，第一次编译出现了两个错误，总是编译不通过。这个时候很容易让自己推翻整个系统的合理性，但是应该耐下心来，针对具体出现的错误，找到编译不通过的模块，针对这个模块进行深入了解，再结合错误提示，做出调改。可往往事情不会这么简单，当编译总是出现相同的错误时，也应该转换思路，可能是模块运用的错误，也许改加个模块，或减个模块，这一切都需要极大的耐心和毅力，需要自己耐心查看资料。在编译完成之后，出来的效果又非常不好，这时我们运用了一个排除法，来查看错误是出现在哪里。先将中间所有量化，编码，调制部分和高斯信道去掉，将时分复用的发送和接收模块直接连接在一起，看图形是否一样。在确定不是这个的错误时，再加上编码和量化的部分，相应接收端加上译码的部分，再编译看看效果，依次类推，将问题具体出现在那一部分找到，再仔细研究这块模块参数，数据类型，等等的研究，总之再经过无数次试验和修改，终于得到一个较为满意的系统。在这一个过程中，我也懂得了很多，任意一个任务都是对自己的一次磨砺，在自己独立完成一个项目的过程中可以学到很多知识，可以享受苦思之后解决问题的快感，可以学到检查纠正问题的能力，可以培养自己的耐心和毅力，总之感觉像一场修行。五、小组人员分工与比例分工：系统设计：孙启云报告撰写：许津豪资料查询：朱鸣系统调试：都腾跃 工作组织：唐杨翼比例：孙启云：22%许津豪：21%朱鸣：19%都腾跃：19%唐杨翼：19%'