課程設計--pcm通信系統(tǒng)的性能分析與matlab仿真

1、<p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 通信系統(tǒng)的計算機仿真設計 </p><p>　　題 目：PCM通信系統(tǒng)的性能分析與MATLAB仿真 </p><p>　　系 （院）： 電子工程學院 </p><p>　　學 期：

2、 10-11-2 </p><p>　　專業(yè)班級： 通信工程082 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p><b>

3、　　1 緒論</b></p><p>　　通信系統(tǒng)的計算機仿真設計課程設計是通信工程專業(yè)的學生在學完通信工程專業(yè)基礎課、通信工程專業(yè)主干課及科學計算與仿真專業(yè)課后進行的綜合性課程設計。其目的在于使學生在課程設計過程中能夠理論聯(lián)系實際，在實踐中充分利用所學理論知識分析和研究設計過程中出現(xiàn)的各類技術問題，鞏固和擴大所學知識面，為以后走向工作崗位進行設計打下一定的基礎。</p><p&

4、gt;　　1.1 研究背景與研究意義</p><p>　　當今社會，人們無處不享受著數(shù)字通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)給我們帶來的便利及數(shù)字化多媒體產(chǎn)品帶給我們的多彩的生活的娛樂。數(shù)字化的廣泛應用是因為數(shù)字信號易于存儲和傳輸，沒有累積失真等數(shù)字的高品質(zhì)等。 然而在語音信號的領域中，數(shù)字化的語音傳輸和存儲，無論其在可靠性，抗干擾性，速交換，易保密和廉價格等方面都遠遠高于模擬語音信號。 但是，數(shù)字化的語音信號也有其固有的

5、缺點，就是數(shù)字語音信號的帶寬遠大于模擬語音信號的，從而要求傳輸數(shù)字語音信號的信道更大才能傳輸數(shù)字語音信號，竟而造成了高成本。為了來降低這種高成本從而促使發(fā)展了一種新的技術—壓縮編碼。然而PCM通信系統(tǒng)就是采用了該種技術。</p><p>　　1.2 課程設計的目的和任務</p><p>　　本次課程設計的主要任務和目的是：掌握一般的通信系統(tǒng)設計的過程、步驟、要求、工作內(nèi)容及設計方法；掌

6、握用計算機仿真通信系統(tǒng)的方法。此外通對PCM系統(tǒng)性能的分析的過程中訓練學生網(wǎng)絡設計能力。從而進一步的訓練了學生綜合運用專業(yè)知識的能力，提高學生進行通信工程設計的能力。學習有關MATLAB通信仿真方面的知識，掌握其相關內(nèi)容與具體操作方法，為今后的工作實習打下了一定的軟件編程基礎。</p><p>　　2 PCM通信系統(tǒng)</p><p>　　PCM 通信系統(tǒng)包括對信號的抽樣、PCM 編碼（

7、包括量化、非均勻量化編碼）調(diào)制、信道編碼、及經(jīng)過傳輸后在接收端進行的信道譯碼、解調(diào)、譯碼。</p><p>　　PCM通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：抗干擾能力強；傳輸性能穩(wěn)定，遠距離信號再生中繼時噪聲不累積，且可以使用壓縮編碼和糾錯編碼和保密編碼等來提高系統(tǒng)有效性、可靠性、保密性。</p><p>　　2.1 PCM通信系統(tǒng)基本模型</p><p>　　圖1 PCM系統(tǒng)基

8、本模型 </p><p>　　信號源：其是模擬的正弦波語音信號。抽樣：低通連續(xù)信號采樣，且繪出信號時、頻域圖形。量化：均勻量化及非均勻量化（本課程設計采用的是非均勻量化），給出編碼器的輸出碼組序列。編碼：實現(xiàn)A律的PCM編碼。信道：信號經(jīng)過調(diào)制以后，通過信道。信道選擇高斯加性白噪聲信道。解調(diào)：根據(jù)調(diào)制方式，選擇對應的解調(diào)方式。譯碼：根據(jù)信道編碼方式，選擇

9、對應的信道解碼方式。性能分析：信號經(jīng)過調(diào)制、信道、解調(diào)過程。在接收端，將得到的數(shù)據(jù)與原始信號源數(shù)據(jù)比較，得到在特定信噪比下的誤碼率。改變系統(tǒng)信噪比，從而得到系統(tǒng)的誤碼率曲線圖。</p><p>　　2.2 PCM通信系統(tǒng)的性能指標</p><p>　　PCM通信系統(tǒng)的主要性能指標有：</p><p>　　1誤碼率：指的是接受碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例。&l

10、t;/p><p>　　2信噪比：指的是信號的功率與噪聲的功率之比。</p><p>　　3 PCM通信系統(tǒng)主要模塊</p><p><b>　　3.1 信源</b></p><p>　　信息源簡稱信源，其作用是把各種消息轉換成原始的電信號。根據(jù)其種類不同可以將信源分為模擬信源和數(shù)字信源。本次課程設計的語音信號為模擬信號

11、源，且其波形函數(shù)為y=A*sin(w*t)，其中幅值A為4.2頻率為1.2KHZ。很容易看出該原始語音信號是個幅值為4.2頻率為1.2KHZ的正弦波。其波形圖如圖1所示：</p><p><b>　　圖2 原始信號圖</b></p><p>　　3.2 語音信號取樣及抽樣</p><p>　　對信號進行的周期性掃描即是對信號的抽樣。每隔時間t

12、（時間t要盡量小,如0.000001s）對低通連續(xù)的語音信號進行取樣，則在時間T內(nèi)所抽取的信號樣值（離散沖激脈沖）可以近似看成此連續(xù)信號在時間T內(nèi)的原始模擬信號波形。然后再按8000HZ的頻率所取樣的樣值信號進行抽樣，即完成了對信號的取樣和抽</p><p>　　樣的過程。對語音信號的抽樣脈沖如圖3所示（這里只顯示了20個抽樣脈沖）：</p><p>　　圖3 抽樣脈沖信號圖</p&

13、gt;<p>　　3.3 信源編碼/譯碼</p><p>　　信源的編碼的功能主要有：一是提高信息的傳輸有效性，即是通過某種數(shù)據(jù)壓縮技術設法減少碼元數(shù)目和降低碼元的速率。二是完成模/數(shù)的轉換，即當信息源給出的是模擬信號時，信息源編碼器將其轉換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號</p><p>　　的數(shù)字化傳輸。本次課程設計中采用的是PCM非均勻量化編碼。實際中，非均勻量化的實際方法

14、通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼, 壓擴特性圖如圖4所示：</p><p><b>　　圖4 十三折線法</b></p><p>　　PCM非均勻量化編碼包括了對信號的量化和編碼，其編的是

15、8位碼，構成依次為1位極性碼、3位段落碼和4位段內(nèi)碼。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是將模擬信號變成二進制信號的常用方法。</p><p>　　信源譯碼是信源編碼的逆過程。</p><p>　　3.4 信道編碼/譯碼</p><p>　　信道編碼的目的就是增強數(shù)字信號的抗干擾能力。數(shù)字信號在信道中傳輸容易受到噪聲干擾，為了減少差錯，我們對傳輸信息的碼元按一定的規(guī)則加入保護

16、成分（監(jiān)督元），組成所謂的抗干擾編碼。在本次課程設計中分別按設計的要求采用了無信道編碼、漢明碼和循環(huán)碼三種方式進行信道編碼。</p><p>　　信道譯碼是信道編碼的逆過程。</p><p>　　3.5 數(shù)字調(diào)制/解調(diào)</p><p>　　數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘??；镜恼{(diào)制方式有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控(F

17、SK)、絕對相移鍵控(PSK)、差分相移鍵控（DPSK）等,本課程設計中則采用的是振幅鍵控（ASK）。 </p><p>　　數(shù)字解調(diào)：在接收端可以采用相干解調(diào)或者非相干解調(diào)還原數(shù)字基帶信號。</p><p>　　3.6 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響</p><p>　　4 MATLAB對PCM通信系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4.1 PCM

18、通信系統(tǒng)的主要參數(shù)設置</p><p>　　信噪比（SNR）范圍是-25dB～25dB之間，步長為5dB。</p><p>　　信源模塊：我們設定原始信號的幅值A為4.2，頻率f為1200HZ。</p><p>　　信源編碼/譯碼模塊：取樣時間間隔t為0.001S，范圍是-3S--3S；抽樣頻率8000HZ，抽樣100個值，進行非均勻量化PCM8位編碼。</p

19、><p>　　4.2 PCM通信系統(tǒng)的仿真圖和結果分析</p><p>　　4.2.1 時域抽樣</p><p>　　時域抽樣圖如下圖圖5所示：</p><p><b>　　圖5 時域抽樣圖</b></p><p>　　4.2.2 抽樣信號頻譜</p><p>　　抽樣信

20、號頻譜如圖6所示：</p><p>　　圖6 抽樣信號頻譜圖 </p><p>　　被抽樣的原始語音信號的頻率是1200HZ，通過對抽樣的信號進行快速傅里葉變換即能得到其對應的頻譜。</p><p>　　4.2.3 系統(tǒng)誤碼率</p><p><b>　　圖7 系統(tǒng)誤碼率</b></p><p&g

21、t;　　從仿真的結果圖中很容易的看出，信噪比越大，誤碼率越低，與理論相符。系統(tǒng)在漢明碼編碼時的誤碼率最低，且在對信道進行循環(huán)碼編碼時的系統(tǒng)誤碼率也跟其差不多，而在無信道編碼時的誤碼率的最高。從而我們可以得出通過信道編碼可以增加通信系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　4.3 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響</p><p>　　PCM系統(tǒng)的噪聲主要有兩種:量化噪聲和加性噪聲。</p>&

22、lt;p>　　在圖1中的PCM系統(tǒng)的低通濾波器的輸出信號為</p><p>　　其中 ：接收端輸出的信號成分;</p><p>　?。河闪炕鸬妮敵鲈肼暢煞?</p><p>　?。河尚诺兰有栽肼曇鸬妮敵鲈肼暢煞?。</p><p>　　在接收端輸出信號的總信噪比為</p><p>　?。毫炕肼暤钠骄β?&

23、lt;/p><p>　?。盒诺兰有栽肼暤钠骄β?</p><p>　　量化噪聲和信道加性噪聲相互獨立，分別討論它們單獨作用時系統(tǒng)的性能，然后再分析系統(tǒng)總的抗噪聲性能</p><p>　　量化噪聲對系統(tǒng)的影響</p><p>　　假設發(fā)送端采用理想沖激抽樣，則抽樣器輸出為</p><p><b>　　則量化信號可

24、表示為</b></p><p>　　其中 由量化引起的誤差?！　×炕`差的功率譜密度為</p><p>　　假設輸入信號在區(qū)間具有均勻分布的概率密度，對其進行均勻量化，其量化級數(shù)為M，則有，量化噪聲的功率為</p><p>　　量化間隔。　　所以量化誤差的功率譜密度為</p><p>　　因此，低通濾波器輸出的量化噪聲成分的功

25、率譜密度為</p><p>　　低通濾波器輸出的量化噪聲功率為</p><p>　　通常情況下有M>>1，所以有</p><p>　　綜上，可以得到PCM系統(tǒng)輸出端的量化信號與量化噪聲的平均功率比為</p><p>　　對于二進制編碼，設其編碼位數(shù)為N，則上式又可寫為</p><p>　?。?）加性噪聲對系

26、統(tǒng)的影響</p><p>　　僅考慮信道加性噪聲時PCM系統(tǒng)的輸出信噪比為</p><p>　　從上式可以看出，由于誤碼引起的信噪比與誤碼率成反比。（3）PCM系統(tǒng)接收端輸出信號的總信噪比</p><p>　　在接收端輸入大信噪比的情況下，誤碼率將極小，于是，所以總信噪比近似為　</p><p>　　與只考慮量化噪聲情況下的系統(tǒng)輸出信噪比是

27、相同的。　　在接收端輸入小信噪比的情況下，有，則又可近似為 與只考慮噪聲干擾時系統(tǒng)的輸出信噪比是相同的。</p><p>　　由于在基帶傳輸時誤碼率降到以下是不難的，所以此時通常用來估算PCM系統(tǒng)的性能。</p><p><b>　　5 心得體會</b></p><p>　　此次課程設計，我們更加扎實的掌握了相關的知識，在設計過程中起初遇到了

28、很多問題，但經(jīng)過一次又一次的嘗試和思考，一遍又一遍的檢查，終于找出了問題所在，暴露出了個人在這方面的欠缺和不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是課本上學到的死知識，在動手嘗試的設計過程中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，改正錯誤，吸取到的是課本不能給予的，這對于我們以后的學習和生活中都是十分關鍵的收獲。在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，我們一定一定要不懈努力，不能遇到問題就只能退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，保持刻苦鉆研的精神，，

29、只有這樣，才能取得成功，收獲人生，才能一直前行在布滿荊棘的道路上！</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理.北京：國防工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[2] 黃吉順.數(shù)字信號處理及其應用.北京：國防工業(yè)出版社，1982</p><p>　　[3] 張賢

30、達.現(xiàn)代數(shù)字信號處理.北京：清華大學出版社，1994</p><p>　　[4] 王世一.數(shù)字信號處理.北京：北京理工大學出版社，2010</p><p>　　[5] 鄧華.MATLAB通信仿真及應用實例詳解[M].北京：人民郵電大學出版社，2006</p><p>　　[6] 郭文彬.通信原理—基于MATLAB的計算機仿真[M].北京：北京郵電大學出版社，2006

31、</p><p>　　[7] 趙靜，張瑾.基于基于MATLAB的通信系統(tǒng)的仿真.北京：北京航空航天大學出版社，2007</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　主程序</b></p><p><b>　　clear all</b></p>

32、;<p>　　A=4.2;f=1200;w=2*pi*f;%語音信號頻率，幅值</p><p>　　t=-0.003:0.000001:0.003;%樣值語音信號的時間段</p><p>　　y=A*sin(w*t);%語音信號</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　p

33、lot(t,y);</p><p>　　xlabel('時間t');</p><p>　　ylabel('幅度A');</p><p>　　legend('原始信號')</p><p><b>　　n=1:100;</b></p><p>　　fs=

34、8*10^3;T=1/fs;</p><p>　　L(n)=1; %抽樣脈沖幅值1</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　stem(n,L(n));</p><p>　　axis([0 20 0 1]);%顯示20個值的圖</p><p>　　xlabel(

35、'顯示的個數(shù)n');</p><p>　　ylabel('幅度y');</p><p>　　legend('抽樣脈沖信號');</p><p>　　fs=8*10^3;T=1/fs;</p><p>　　s=A*sin(w*n*T);</p><p><b>　

36、　figure(3)</b></p><p>　　stem(n,s);%時域抽樣后的信號圖</p><p>　　axis([0 100 -4.5 4.5]);</p><p>　　xlabel('抽樣個數(shù)n');</p><p>　　ylabel('幅度y');</p><p&g

37、t;　　legend('時域的抽樣信號圖');</p><p>　　f=n./(100*T);</p><p>　　y1=abs(fft(s));</p><p><b>　　figure(4)</b></p><p>　　plot(f,y1);</p><p>　　xlabel(

38、'f');</p><p>　　ylabel('幅頻');</p><p>　　legend('抽樣信號頻譜');</p><p>　　s1=s./max(s);%歸一化</p><p>　　s2=s1./(1/2048);</p><p>　　for i=1:100&l

39、t;/p><p>　　a(i,1:8)=SE(s2(i));%c是pcm碼100*8</p><p><b>　　end</b></p><p>　　m=a;%4ASK調(diào)制 %無信道編碼a</p><p>　　m1=m.';m1=reshape(m1,2,400);m1=m1.';</p>

40、<p>　　m2=bi2de(m1,'left-msb');</p><p>　　m2(find(m2==0))=-1;m2(find(m2==2))=-3;</p><p>　　a1=a.';a7=a;</p><p>　　a1=reshape(a1,4,200);a1=a1.';%a1=200*4,前兩行對應c第一行&l

41、t;/p><p>　　a2=encode(a1,7 ,4,'hamming/binary');%(7,4)hamming信道編碼</p><p>　　a3=encode(a7,15,8,'cyclic/binary');%(15,8)循環(huán)碼編碼</p><p>　　tx1=a2;tx1(find(tx1==0))=-1;%2ASK調(diào)制&l

42、t;/p><p>　　tx2=a3;tx2(find(tx2==0))=-1;</p><p>　　errorbit=0;</p><p>　　dB=-25:5:25</p><p>　　for q=1:11</p><p>　　biterrors=0;biterrors1=0;biterrors2=0;</p>

43、;<p>　　r1=10.^(dB(q)/10);</p><p>　　r1=0.5./(r1);</p><p>　　sigma=sqrt(r1);%標準差</p><p>　　mm2=m2+sigma*randn(400,1);%加噪聲</p><p>　　mm2(find((mm2>=0)&(mm2<2

44、)))=1;%判決，解調(diào)</p><p>　　mm2(find(mm2>=2))=3;</p><p>　　mm2(find((mm2>=-2)&(mm2<0)))=-1;</p><p>　　mm2(find(mm2<-2))=-3;</p><p>　　mm2(find(mm2==-3))=2;mm2(fi

45、nd(mm2==-1))=0;</p><p>　　mm3=de2bi(mm2,2,'left-msb');mm3=mm3.';</p><p>　　mm3=reshape(mm3,8,100);mm3=mm3.';</p><p>　　errors=zeros(100,8);errors(find(mm3~=a))=1;</p

46、><p>　　errors=reshape(errors,1,800);%矩陣變換成1行800列</p><p>　　biterrors=sum(errors);</p><p>　　bit1(q)=biterrors/(100*8);</p><p>　　rr1=tx1+sigma*randn(200,7);</p><p&

47、gt;　　rr2=tx2+sigma*randn(100,15);%加噪聲</p><p>　　rr1(find(rr1>=0))=1;rr1(find(rr1<0))=0;%判決，解調(diào)</p><p>　　rr2(find(rr2>=0))=1;rr2(find(rr2<0))=0;</p><p>　　a22=decode(rr1,7,4

48、,'hamming/binary');%hamming信道譯碼200*4</p><p>　　a33=decode(rr2,15,8,'cyclic/binary');%循環(huán)譯碼</p><p>　　errors1=zeros(200,4); </p><p>　　errors2=zeros(100,8);</p>&l

49、t;p>　　errors1(find(a22~=a1))=1;%發(fā)現(xiàn)錯誤使其值為1</p><p>　　errors2(find(a33~=a7))=1;</p><p>　　errors1=reshape(errors1,1,800); %矩陣變?yōu)?行800列</p><p>　　errors2=reshape(errors2,1,800);</p&g

50、t;<p>　　biterrors1=sum(errors1);%統(tǒng)計錯誤</p><p>　　biterrors2=sum(errors2);</p><p>　　errorbit(q)=biterrors1/(100*8);</p><p>　　errorbit2(q)=biterrors2/(100*8);%誤碼率</p><

51、p><b>　　end</b></p><p><b>　　figure(5)</b></p><p>　　semilogy(dB,errorbit,':r*');</p><p><b>　　hold</b></p><p>　　semilogy(dB,

52、bit1,'--go');</p><p>　　semilogy(dB,errorbit2,'-.bs');</p><p><b>　　grid;</b></p><p>　　legend(':r*漢明','--go無信道編碼','-.bs循環(huán)碼');</p

53、><p>　　xlabel('dB');</p><p>　　ylabel('誤碼率');</p><p><b>　　調(diào)用程序</b></p><p>　　function [a]=SE(y)%PCM編碼</p><p>　　a=[0 0 0 0 0 0 0 0 ]&

54、lt;/p><p><b>　　if(y>0)</b></p><p><b>　　a(1)=1;</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　a(1)=0;</b></p><p><

55、b>　　end</b></p><p><b>　　y=abs(y);</b></p><p>　　if(y>=0&y<16)</p><p>　　a(2)=0;a(3)=0;a(4)=0;step=1;st=0;</p><p>　　elseif(y>=16&y<

56、;32)</p><p>　　a(2)=0;a(3)=0;a(4)=1;step=1;st=16;</p><p>　　elseif(y>=32&y<64)</p><p>　　a(2)=0;a(3)=1;a(4)=0;step=2;st=32;</p><p>　　elseif(y>=64&y<128

57、)</p><p>　　a(2)=0;a(3)=1;a(4)=1;step=4;st=64;</p><p>　　elseif(y>=128&y<256)</p><p>　　a(2)=1;a(3)=0;a(4)=0;step=8;st=128;</p><p>　　elseif(y>=256&y<51

58、2)</p><p>　　a(2)=1;a(3)=0;a(4)=1;step=16;st=256;</p><p>　　elseif(y>=512&y<1024)</p><p>　　a(2)=1;a(3)=1;a(4)=0;step=32;st=512;</p><p>　　elseif(y>=1024&y

59、<=2048)</p><p>　　a(2)=1;a(3)=1;a(4)=1;step=64;st=1024;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(y<2048)</p><p>　　t=floor((y-st)/step);</p><p>　　p=