通信1205馬德民通信系統(tǒng)課設(shè).doc

武漢理工大學學科基礎(chǔ)課群綜合訓練報告課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： XXXXXX 專業(yè)班級： TXXXXX班 指導教師： 方藝霖 工作單位： 武漢理工大學 題 目: 通信系統(tǒng)課群綜合訓練與設(shè)計初始條件 1）MATLAB軟件 2）通信原理各模塊相關(guān)知識要求完成的主要任務(wù): 主要任務(wù):利用仿真軟件（如Matlab或SystemView），或硬件實驗系統(tǒng)平臺上設(shè)計完成一個典型的通信系統(tǒng)其中信源為隨機確定的一個模擬時間函數(shù)，數(shù)字化方式采用PCM編碼，基帶碼為CMI碼，信道碼采用循環(huán)碼，調(diào)制方式為FSK，信道類型為衰落信道。要求：掌握以上各種電路與通信技術(shù)的基本原理，掌握實驗的設(shè)計、電路調(diào)試與測量的方法。時間安排:序號設(shè) 計 內(nèi) 容所用時間1根據(jù)設(shè)計任務(wù)，分析電路原理，確定實驗方案2天2根據(jù)實驗條件進行電路的測試，并對結(jié)果進行分析7天3撰寫課程設(shè)計報告1天合 計2周指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄目錄2摘要4Abstract51 課程設(shè)計任務(wù)與要求61.1課程設(shè)計的目的61.2課程設(shè)計的任務(wù)與要求62 實驗原理分析72.1 數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.1.1 編碼72.1.2 調(diào)制72.1.3 同步82.1.4 信道82.2 信源編碼PCM原理分析82.2.1 PCM編碼原理82.2.2 A律13折線原理112.3 差錯控制循環(huán)碼原理分析122.3.1 RS循環(huán)碼編譯碼原理與特點122.3.2 編碼原理132.3.3 譯碼原理142.3.4 糾錯能力142.4 基帶調(diào)制CMI碼原理分析152.4.1 CMI編碼原理152.4.2 CMI譯碼原理162.5 頻帶調(diào)制2FSK原理分析162.5.1 2FSK信號的產(chǎn)生162.5.2 FSK的時域分析182.5.3 2FSK信號的功率譜密度192.5.4 FSK信號的調(diào)制方法212.5.5 二進制移頻鍵控(2FSK)系統(tǒng)的總誤碼率212.5.6 FSK解調(diào)的方法232.6衰落信道283仿真結(jié)果分析303.1原始函數(shù)和抽樣信號303.2 PSM調(diào)制和CMI編碼仿真303.3循環(huán)編碼仿真313.4 FSK調(diào)制輸出信號和過信道信號323.5 FSK解調(diào)輸出信號323.6 CMI解碼和PCM解調(diào)335 實驗心得體會336 參考文獻34摘要 MATLAB 軟件仿真課設(shè)對學生理解通信原理的基本概念有很大的幫助,它能將數(shù)字信號、高低電平、碼型、波形之間的關(guān)系聯(lián)系起來，能配合硬件的實驗通過示波器觀察到波形圖便于理解基本概念；其次在具體編程的過程中，讓學生從數(shù)學的角度來分析數(shù)學公式與波形圖之間的關(guān)系，將理論和實踐聯(lián)系到一起；再次，它可以從一種波形方式的編碼轉(zhuǎn)換到另一種數(shù)學編程方式，拓展了知識面，開闊了視野。是希望學生學會用軟件仿真的方法來分析通信系統(tǒng)中的問題，對層次較高、接收能力較強的學生起到拓展視野提高鉆研能力的作用；另一方面，希望利用已仿真好的軟件來驗證理論知識。 本課程設(shè)計完成整個系統(tǒng)各環(huán)節(jié)以及整個系統(tǒng)的仿真，最終在接收端或者精確或者近似地再現(xiàn)輸入（信源），并計算失真度。整個設(shè)計流程包括模擬信號數(shù)字化，即PCM編碼，差錯控制編碼（循環(huán)碼），基帶編碼，采用CMI碼型，頻帶調(diào)制，采用FSK調(diào)制，通過衰落信道，到接收設(shè)備，并進行解調(diào)解碼并恢復原始信號的過程，考驗我們對MATLAB編程的掌握程度。自己獨立設(shè)計一個通信系統(tǒng)，讓我對通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了更加深刻的印象，對通信系統(tǒng)的工作原理更為了解。通過實踐讓自己對理論知識有更加貼切深刻的了解，這才是重要的。關(guān)鍵字：通信系統(tǒng)，MATLAB，PCM，循環(huán)碼，CMI，F(xiàn)SK ，衰落信道Abstract MATLAB software simulation class set for students to understand the basic concept of communication principle has a lot of help, it will be digital signal, high level, the relationship between the MaXing, waveform link, can cooperate with hardware experiment through the oscilloscope observed oscillogram easy to understand basic concepts; Secondly in the programming process, let the students from the view of mathematics to analyze the mathematical formula and oscillograph, the relationship between the theory and the practice will contact together; Again, it can be from a wave mode coding switch to another kind of mathematical programming method, develop the knowledge, widened the field of vision. Is hope students learn to use software simulation method to analyze the problems of communication system, the level is higher, receiving ability strong students have broaden the outlook and improve the ability of study; On the other hand, wants to use has good simulation software to verify theoretical knowledge. The course is designed to complete the whole system and each link of the whole system simulation, and finally at the receiving end or similar or accurate reproduction of the input (source), and the degree of distortion. The whole design process including analog signal digital, namely PCM coding, error control coding (cyclic code), baseband code, using CMI MaXing, frequency modulation, utilize FSK modulator, through the fading channel, to the receiving equipment, and demodulation decoding and restore the original signal process, to test our MATLAB programming knowledge.Key words: communication system，MATLAB，PCM，cyclic code，CMI，F(xiàn)SK1 課程設(shè)計任務(wù)與要求1.1課程設(shè)計的目的 通過課程設(shè)計，使學生加強對電子電路的理解，學會對電路分析計算以及設(shè)計。進一步提高分析解決實際問題的能力，通過完成綜合設(shè)計型和創(chuàng)新性實驗及訓練，創(chuàng)造一個動腦動手獨立開展電路實驗的機會，鍛煉分析解決電子電路問題的實際本領(lǐng)，實現(xiàn)由課本知識向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；加深對通信原理的理解，提高學生對現(xiàn)代通信系統(tǒng)的全面認識，增強學生的實踐能力。1.2課程設(shè)計的任務(wù)與要求 要求利用仿真軟件（如Matlab或SystemView），或硬件實驗系統(tǒng)平臺上設(shè)計完成一個典型的通信系統(tǒng)（如圖1-1所示）。其中信源為隨機確定的一個模擬時間函數(shù)，數(shù)字化方式采用PCM編碼，基帶碼為HDB3碼，信道碼采用循環(huán)碼，調(diào)制方式為PSK，信道類型為衰落信道。要求完成整個系統(tǒng)各環(huán)節(jié)以及整個系統(tǒng)的仿真，最終在接收端或者精確或者近似地再現(xiàn)輸入（信源），計算失真度，并且分析原因。圖1.1 典型的通信系統(tǒng)2 實驗原理分析2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 通信系統(tǒng)是傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)各、傳輸介質(zhì)、信息接收者和接收設(shè)備。數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是數(shù)字化了的信息。單向數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。2.1.1 編碼（1）信源編碼 信源編碼的主要任務(wù)有兩個：一是將信源送出的模擬信號數(shù)字化，即對連續(xù)信息進行模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換，用一定的數(shù)字脈沖組合來表示信號的一定幅度。通常將這種過程稱為脈沖編碼調(diào)制(PCM)，簡稱為編碼。二是提高信號傳輸?shù)挠行浴Ｒ簿褪钦f，在保證一定傳輸質(zhì)量的情況下，用盡可能少的數(shù)字脈沖來表示信源產(chǎn)生的信息，故信源編碼也稱作頻帶壓縮編碼或數(shù)據(jù)壓縮編碼。需要說明的是，壓縮編碼的方式并不是每個數(shù)字通信系統(tǒng)均需進行的，視情況需要而采用。（2）信道編碼 信道編碼主要解決數(shù)字通信的可靠性問題，故又稱作抗干擾編碼或糾錯編碼。數(shù)字信號在信道中傳輸，不可避免地會受到噪聲干擾，并有可能導致接受信號的錯誤判斷，產(chǎn)生錯碼。信道編碼就是為了減少這種錯誤判斷出現(xiàn)的概率而引入的編碼。具體來說就是將信源編碼輸出的數(shù)字信號，人為地按一定規(guī)律加入一些多余數(shù)字代碼，形成新的數(shù)字信號，接收端按約定好的規(guī)律進行檢錯和糾錯，以達到在接收端可以發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目的。2.1.2 調(diào)制 編碼器輸出的信號是數(shù)字基帶信號（即編碼脈沖序列），若將基帶信號直接送至信道中去傳輸，稱這種傳輸方式為基帶傳輸?；鶐鬏敱仨毷褂糜芯€信道，且傳輸距離有限。為了進行遠距離傳輸，需要借助高頻振蕩信號（稱為載波）來運載。將數(shù)字基帶信號調(diào)制到高頻信號上的過程稱為數(shù)字調(diào)制，利用調(diào)制技術(shù)來傳輸數(shù)字信號的方式稱為頻帶傳輸。它的主要功能是提高信號在信道上的傳輸效率，達到信號遠距離傳輸?shù)哪康?。根?jù)用數(shù)字信號控制高頻信號的參數(shù)不同，數(shù)字調(diào)制可分為數(shù)字調(diào)幅（又稱振幅鍵控ASK）、數(shù)字調(diào)頻（移頻鍵控FSK）和數(shù)字調(diào)相（移相鍵控FSK）。2.1.3 同步 同步系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分。所謂同步，是指通信系統(tǒng)的收、發(fā)雙方具有統(tǒng)一的時間標準，使它們的工作“步調(diào)一致”。同步通常包括有載波同步、位（碼元）同步和群（幀）同步等。同步對于數(shù)字通信是至關(guān)重要的。如果同步存在誤差或失去同步，則通信過程中就會出現(xiàn)大量的誤碼，導致整個通信系統(tǒng)失效?？梢娡絾栴}是數(shù)字通信中一個重要的實際問題。2.1.4 信道 傳輸介質(zhì)是發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號傳遞所經(jīng)過的媒介，例如：電磁波、紅外線等無線傳輸介質(zhì)，各種電纜、光纜、雙絞線等有線傳輸介質(zhì)。傳輸過程中必然會引入熱噪聲、衰減、脈沖等干擾。介質(zhì)的固有特性和干擾特性直接關(guān)系到編碼方式的選取。 接收端的解調(diào)、信道解碼、信源解碼的功能與發(fā)送端相對應(yīng)的方框正好相反，是一一對應(yīng)的反變換關(guān)系，這里不再贅述。 實際的數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖與圖1.1可能不同。例如，如果信源是數(shù)字信息，則無需信源編碼，直接構(gòu)成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；如果通信距離不遠，且容量不大，信道一般采用電纜，即采用基帶傳輸方式，這樣就不需要調(diào)制和解調(diào)部分；如果對抗干擾性能要求不高，數(shù)字通信系統(tǒng)同樣可以不需要信道編碼和信道解碼部分。2.2 信源編碼PCM原理分析2.2.1 PCM編碼原理 脈沖編碼調(diào)制(PCM，Pulse Code Modulation)在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能。是一種對模擬信號數(shù)字化的取樣技術(shù)，將模擬信號變換為數(shù)字信號的編碼方式，特別是對于音頻信號。PCM 對信號每秒鐘取樣 8000 次；每次取樣為8個位，總共64kbps。PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，本設(shè)計采用了A律方式。 由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用13折線法編碼，采用非均勻量化PCM編碼示意圖如圖2.1所示。話音輸入低通濾波瞬時壓縮抽樣樣量化編碼信道再生解碼解調(diào)瞬時擴張低通濾波話音輸出圖2.1 PCM原理框圖（1）抽樣 所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。在一個頻帶限制在內(nèi)的時間連續(xù)信號，如果以的時間間隔對它進行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復原信號。或者說，如果一個連續(xù)信號的頻譜中最高頻率不超過，當抽樣頻率時，抽樣后的信號就包含原連續(xù)的全部信息。抽樣定理在實際應(yīng)用中應(yīng)注意在抽樣前后模擬信號進行濾波，把高于二分之一抽樣頻率的頻率濾掉。這是抽樣中必不可少的步驟。（2）量化 從數(shù)學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2.3所示，量化器Q輸出L個量化值，。常稱為重建電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度落在與之間時，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表達為： （2-1）這里稱為分層電平。通常： （2-2）其中稱為量化間隔。模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實際方法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，因此，PCM編碼方式采用的也是A壓縮律。模擬信號的量化過程如圖2.2所示 模擬入量化器量化值圖2.2 模擬信號的量化（3）編碼 所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。 在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。 在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表2-1所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表2-2所示。表2-1 段落碼 表2-2 段內(nèi)碼段落序號段落碼段落范圍量化間隔段內(nèi)碼量化間隔段內(nèi)碼81111024-2048151111701117110512-1024141110601106101256-512131101501015100128-25612110040100401164-12811101130011301032-6410101020010200116-32910011000110000-168100000000（4）譯碼PCM譯碼器是實現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如下：D/A轉(zhuǎn)換器：用來實現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過程，實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達到譯碼最基本的要求，也就是最起碼的步驟。瞬時擴張器：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴張也必須采用A律瞬時擴張器。 低通濾波器：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會引入孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，需要對再生信號進行幅度及相位的補償，同時濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。2.2.2 A律13折線原理 實際中，非均勻量化的實際方法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，因此，PCM編碼方式采用的也是A壓縮律。 所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律： （2-3） （2-4）其中。在實際中，A律13折線應(yīng)用比律13折線用得廣泛。表2-3列出了計算值與13折線時的值的比較。表2-3 計算值與A律13折線時值的比較0101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表2-3中第二行的值是根據(jù)時計算得到的，第三行的值是13折線分段時的值?？梢姡?3折線各段落的分界點與曲線十分逼近，同時按2的冪次分割有利于數(shù)字化。A律壓擴特性是連續(xù)曲線，A律不同壓擴特性也不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當復雜的。實際中，往往采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，。本設(shè)計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來編碼的。2.3 差錯控制循環(huán)碼原理分析2.3.1 RS循環(huán)碼編譯碼原理與特點設(shè)C使某線性分組碼的碼字集合，如果對任，它的循環(huán)移位也屬于C，則稱該碼為循環(huán)碼。該碼在結(jié)構(gòu)上有另外的限制，即一個碼字任意循環(huán)移位的結(jié)果仍是一個有效碼字。其特點是：（1）可以用反饋移位寄存器很容易實現(xiàn)編碼和伴隨式的計算；（2）由于循環(huán)碼有很多固有的代數(shù)結(jié)構(gòu)，從而可以找到各種簡單使用的譯碼辦法。如果一個線性碼具有以下的屬性，則稱為循環(huán)碼：如果n元組是子空間S的一個碼字，則經(jīng)過循環(huán)移位得到的也同樣是S中的一個碼字；或者，一般來說，經(jīng)過j次循環(huán)移位后得到的也是S中的一個碼字。RS碼的編碼系統(tǒng)是建立在比特組基礎(chǔ)上的，即字節(jié)，而不是單個的0和1，因此它是非二進制BCH碼，這使得它處理突發(fā)錯誤的能力特別強。碼長:信息段: （t為糾錯符號數(shù)）監(jiān)督段:最小碼段:最小距離為d的本原RS碼的生成多項式為：g(x)=(x-)(x-2)(x-3)(x-d-2)信息元多項式為:m(x)=m0+m1x+m2x2+mk-1xk-1循環(huán)碼特點有：(1）循環(huán)碼是線性分組碼的一種，所以它具有線性分組的碼的一般特性，且具有循環(huán)性，糾錯能力強。(2）循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，循環(huán)碼編排的特點為相鄰的兩個數(shù)碼之間符合卡諾中的鄰接條件，即相鄰數(shù)碼間只有一位碼元不同，因此它具有一個很好的優(yōu)點是它滿足鄰接條件，沒有瞬時錯誤（在數(shù)碼變換過程中，在速度上會有快有慢，中間經(jīng)過其他一些數(shù)碼形式，即為瞬時錯誤）。(3）碼字的循環(huán)特性，循環(huán)碼中任一許用碼經(jīng)過牡環(huán)移位后，所得到的碼組仍然是許用碼組。對所有的i=0,1,2,k-1，用生成多項式g(x)除，有： （2-5）式中是余式，表示為： （2-6）因此，是g(x)的倍式，即是碼多項式，由此得到系統(tǒng)形式的生成矩陣為： （2-7）它是一個kn階的矩陣。同樣，由G=0可以得到系統(tǒng)形式的一致校驗矩陣為： （2-8）2.3.2 編碼原理（1）有信息碼構(gòu)成信息多項式m(x)=mk-1xk-1+m0其中高冪次為k-1。（2）用xn-k乘上信息多項式m(x)，得最高冪次為n-1，做移位。（3） 用g(x)除xn-km(x)和到余式r(x)。2.3.3 譯碼原理（1） 有接收到的y(x)計算伴了隨式s(x)。（2） 根據(jù)伴隨式s(x)找出對應(yīng)的估值錯誤圖樣。（3） 計算c(x)=y(x)+e(x)，得估計碼字。若c(x)= c(x)，則譯碼正確，否則錯誤。由于g(x) 的次數(shù)為n - k 次，g(x) 除E(x) 后得余式（即伴隨式）的最高次數(shù)為n-k-1次，故S(x) 共有2n-k 個可能的表達式，每一個表達式對應(yīng)一個錯誤格式?？梢灾?7,4）循環(huán)碼的S(x) 共有2(7-4) = 8個可能的表達式，可根據(jù)錯誤圖樣表來糾正(7,4）循環(huán)碼中的一位錯誤。2.3.4 糾錯能力由于循環(huán)碼是一種線性分組碼，所以其糾檢錯能力與線性分組碼相當。而線性分組碼的最小距離可用來衡量碼的抗干擾能力，那么一個碼的最小距離就與它的糾檢錯能力有關(guān)。定理： 對于任一個線性分組碼，若要在碼字內(nèi)檢測個錯誤，要求碼的最小距離；（1） 糾正個錯誤，要求碼的最小距離；（2） 糾正個錯誤同時檢測個錯誤，則要求；循環(huán)碼的譯碼分檢錯譯碼與糾錯譯碼兩類。在無記憶信道上，對碼字c，差錯圖案和接收向量的多項式描述為： 定義的伴隨多項式為 （2-9）由于所以： 由此可見，則一定有差錯產(chǎn)生，或說滿足的差錯圖樣產(chǎn)生，它滿足。循環(huán)碼的檢錯譯碼即是計算并判斷是否為02.4 基帶調(diào)制CMI碼原理分析2.4.1 CMI編碼原理基帶傳輸常用碼型CMI編碼的方案設(shè)計：根據(jù)CCITT推薦，由于這種碼型有較多的電平跳躍，因此，含有豐富的定時信息。在程控數(shù)字交換機中CMI碼一般作為PCM四次群數(shù)字中繼接口的碼型，在光纜傳輸系統(tǒng)中也用做線路傳輸碼型1。CMI碼的全稱是傳號反轉(zhuǎn)碼， CMI碼的編碼規(guī)則如下：當輸入“0”碼時，編碼輸出“01”，當輸入“1”碼時，編碼輸出則“00“和”11“交替出現(xiàn)1。例如：NRZ代碼： 1 1 0 1 0 0 1 0CMI碼： 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1其相應(yīng)的波形比較如圖2.3所示：圖2.3 編碼前與編碼后波形圖根據(jù)此規(guī)則輸出CMI碼元的速率應(yīng)為輸入基帶信號的2倍。編碼的總體思想是對輸入的基帶信號進行采樣判斷，如果0則轉(zhuǎn)化為“01”，如果為“1”則交替轉(zhuǎn)化為“11”或“00”?！?”的轉(zhuǎn)化結(jié)果只有一種可以直接轉(zhuǎn)化為“01”，而“1”的轉(zhuǎn)化結(jié)果有兩種“11”和“00”，因此需要一個信號作為判斷，當前面一個 “1”碼編碼轉(zhuǎn)換的是“00”時，判斷編碼轉(zhuǎn)化為“11”，當前一個“1”碼編碼轉(zhuǎn)換的是“11”時，則判斷編碼轉(zhuǎn)化為“00”。2.4.2 CMI譯碼原理CMI碼解碼的方案設(shè)計:根據(jù)CCITT推薦，由于這種碼型有較多的電平跳躍，因此，含有豐富的定時信息，在程控數(shù)字交換機中CMI碼一般作為PCM四次群數(shù)字中繼接口的碼型1。CMI碼的編碼規(guī)則如下：當輸入“0”碼時，編碼輸出“01”，當輸入“1”碼時，編碼輸出則“00”和“11”交替出現(xiàn)1。根據(jù)此規(guī)則，在CMI的解碼模塊中：如果接收到“01”碼，則可解碼成“0”碼；如果接收到“00”碼或“11”碼，則可解碼還原為基帶信號“1”，如果接收到“10”(因為CMI編碼輸出是先輸?shù)母呶?但是由于CMI是串行傳輸，碼流中可能出現(xiàn)會出現(xiàn)“10”這樣的錯誤CMI碼，為了解決這個問題，我們在解“10”碼時統(tǒng)一將其解碼輸出為原先值。例如：CMI碼： 11 00 01 01 11 01 10 01 00輸出解碼： 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 其相應(yīng)的波形比較如圖2.4所示：圖2.4 CMI碼與其解碼波形圖2.5 頻帶調(diào)制2FSK原理分析2.5.1 2FSK信號的產(chǎn)生2FSK是利用數(shù)字基帶信號控制在波的頻率來傳送信息。例如，1碼用頻率f1來傳輸，0碼用頻率f2來傳輸，而其振幅和初始相位不變。故其表示式為 （2-9）式中，假設(shè)碼元的初始相位分別為和；和為兩個不同的碼元的角頻率；幅度為A為一常數(shù)，表示碼元的包絡(luò)為矩形脈沖。2FSK信號的產(chǎn)生方法有兩種：（1） 模擬法，即用數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號進行調(diào)頻。如圖2.5（a）所示。（2）鍵控法，用數(shù)字基帶信號及其反相分別控制兩個開關(guān)門電路，以此對兩個載波發(fā)生器進行選通。如圖2.5（b）所示。這兩種方法產(chǎn)生的2FSK信號的波形基本相同，只有一點差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號，則分別有兩個獨立的頻率源產(chǎn)生兩個不同頻率的信號，故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。 (a) (b) 圖2.5 2FSK信號產(chǎn)生原理圖 由鍵控法產(chǎn)生原理可知，一位相位離散的2FSK信號可看成不同頻率交替發(fā)送的兩個2ASK信號之和，即 （2-10）其中是脈寬為的矩形脈沖表示的NRZ數(shù)字基帶信號。 其中，為的反碼，即若，則；若，則。2.5.2 FSK的時域分析在二進制頻移鍵控（2FSK）中，當傳送“1”碼時對應(yīng)于載波頻率f1，傳送“0”碼時對應(yīng)于載波頻率f0。 (2-11)其中，為頻率為的載波的初始相位，為頻率為的載波的初始相位。令為的反碼，即利用Matlab對FSK的調(diào)制過程進行仿真設(shè)計。 (2-12)則有:當時，;當時，。則2FSK信號可表示為: (2-13)其中，我們在分析中假設(shè)為單個矩形脈沖序列，其表達式為: （2-14）由式(2-13)可知，相位不連續(xù)的2FSK信號可以看成是兩個2ASK調(diào)幅信號之和。2FSK信號波形可看作兩個2ASK信號波形的合成。下圖是相位連續(xù)的2FSK信號波形圖2.6 相位連續(xù)的2FSK波形2.5.3 2FSK信號的功率譜密度（1）可將2FSK信號表示成兩個2ASK信號的和，令: (2-15) (2-16)其中為的反碼，則相位不連續(xù)的2FSK信號可表示為 (2-17)相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜密度，可以利用2ASK的功率譜密度。假定“1”“0”碼等概率出現(xiàn)，且前后碼獨立，則2FSK(初始相位為0)的功率譜密度是載頻為和的兩個2ASK信號功率譜密度之和: (2-18)其中是的功率譜密度，是的功率譜密度。根據(jù)式(2-11)、式(2-12)及式(2-17)可以求得及,可得: (2-19) 假設(shè)信息碼為1和0的概率相等，則，當為矩形波時，又有; (2-20) （2-21)根據(jù)式(2-20)及（2-21）,有 （2-22） （2-23） （2-24） （2-25）將以上關(guān)系式代入式(2-19)得到相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜密度為: (2-26)（2）2FSK信號的功率譜密度的特點: 1) 2FSK信號的功率譜密度也由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個雙邊帶譜疊加而成，而離散譜出現(xiàn)在和的兩個載頻位置上。 2) 若兩個載頻之差較小，如小于，則連續(xù)譜呈現(xiàn)單峰；如載頻之差增大，則連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。如圖所示： 圖2.7 相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜示意圖相位不連續(xù)的2FSK信號的帶寬約為 （2-27） 如令，并稱為頻移指數(shù)，則 （2-28）其中，為碼速。相位不連續(xù)的2FSK信號存在載波譜線，浪費功率，只用于設(shè)備要求簡單的通信合。2.5.4 FSK信號的調(diào)制方法移頻鍵控(FSK)：用數(shù)字調(diào)制信號的正負控制載波的頻率。當數(shù)字信號的振幅為正時載波頻率為f1，當數(shù)字信號的振幅為負時載波頻率為 f2。有時也把代表兩個以上符號的多進制頻率調(diào)制稱為移頻鍵控。移頻鍵控能區(qū)分通路，但抗干擾能力不如移相鍵控和差分移相鍵控。他的主要調(diào)制方法有以下兩種:方法一： 用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調(diào)頻。模擬調(diào)頻器圖2.8 2FSK信號的產(chǎn)生(一)方法二:鍵控法 載波發(fā)生器 載波發(fā)生器 圖2.9 2FSK信號的產(chǎn)生(二)鍵控法是利用矩形脈沖來控制開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通。2.5.5 二進制移頻鍵控(2FSK)系統(tǒng)的總誤碼率 在二進制頻移鍵控（FSK）中，當傳送碼時對應(yīng)于載波頻率,傳送碼時對應(yīng)于載波頻率。 （2-29）當為1時,當為0時候.出現(xiàn)概率為1-P,其中，為頻率為的載波的初始相位，為頻率為的載波的初始相位。為了分析問題的方便，以下我們假設(shè)、為零。令為的反碼，即，則有:當時，;當時，。則2FSK系統(tǒng)中發(fā)送碼元信號可表示為: (2-30)其中 (2-31) (2-32)帶通濾波器帶通濾波器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器抽樣判決器輸入抽樣脈沖輸出圖2.10 二進制移頻鍵控信號常用的接收系統(tǒng)(非相干方式)二進制移頻鍵控信號的包絡(luò)檢波方框圖如圖2.11所示，圖中用兩個帶通濾波器來區(qū)分中心頻率為和的信息碼元，解調(diào)器(帶通濾波器)輸入端的信號為: (2-33)其中為高斯白噪聲，其雙邊帶功率譜密度為，假設(shè)圖5的帶通濾波器剛好使相應(yīng)的信號無失真通過，則帶通濾波器的輸出信號為 (2-34)其中 (2-35) (2-36)其中為高斯白噪聲通過帶通濾波器之后的噪聲，即為窄帶高斯白噪聲，將其表示為 (2-37) 假設(shè)在區(qū)間內(nèi)發(fā)送的碼元為“1”,則送入抽樣判決器進行比較的兩路輸入的包絡(luò)分別為 (2-38) (2-39)根據(jù)前面的分析可知，的一維概率分布為廣義瑞利分布，而的一維概率分布為瑞利分布。因此，它們的概率密度函數(shù)可表示為 (2-40) (2-41)式中，為的方差。2.5.6 FSK解調(diào)的方法常見的FSK解調(diào)方法有兩種:相干解調(diào)法與非相干解調(diào)法.現(xiàn)在我將對這兩種解調(diào)方法做具體分析。（1）相干解調(diào)法FSK信號可以采用兩個乘法檢測器進行相干檢測。原理如下圖所示圖2.12 FSK信號的相干檢測原理圖因為線性變換的階數(shù)變化不影響結(jié)果，所以圖中乘法器輸出端的LPF組被一個低通濾波器代替。發(fā)送的信號分別為：， (2-42) (2-43)公式(2-42)和公式(2-43)分別表示數(shù)據(jù)1或數(shù)據(jù)2時的發(fā)送信號.其中頻移量為,當時,接收機輸入端的信號為FSK信號加上高斯噪聲.對相干解調(diào)的分析,首先我們要分析的是具有單位直流增益的低通濾波器的接收機的性能.假定濾波器的等效帶寬為。低通濾波器與產(chǎn)生頻率變換的乘法檢測器相結(jié)合，就等效于一個中心頻率分辨在和的雙邊帶通濾波器。每個邊帶的等效帶寬為，于是影響輸出的輸入噪聲由兩個窄帶分量和組成，其中的頻譜的中心頻率位于，的頻譜的中心頻率位于。所以： (2-44） （2-45）頻移量滿足，于是信號0和1就可以通過濾波器來區(qū)分。圖2.12所示的上邊帶信道的信號加噪聲為： + （2-46）通過下邊帶信道的信號加噪聲為： + （2-47）其中。噪聲和功率滿足： （2-48）于是基帶的模擬輸出為: + (2-49)其中,和。最優(yōu)門限設(shè)置為。進一步基帶噪聲和相互獨立。因為他們存在于相互不重疊的頻帶中（見圖2.12）。并且他們是白噪聲。于是基帶噪聲和是相互獨立的，其噪聲功率為： (2-50)將代入可得: (2-51)基于PEP比較FSK,BPSK及OOK信號的性能,我們得到對于同一誤碼率 ,FSK信號需要比BPSK信號3dB的功率,但是與OOK相同.(因為OOK的平均功率比其峰值功率小3dB)。差分能量為： （2-52）考慮到當?shù)那樾?在這個條件下積分(亦即,交叉乘積項)值為0.這個條件就是要求正交.于是對于下頻段信道的輸出無影響(見圖2-6),同樣對于上頻段信道的輸出也無影響.進一步,如果,那么將近似正交,因為此時積分值與相比已變得可以忽略不計.假定上述其一或兩個條件全部滿足,那么,于是FSK信號的誤碼率為: (2-53)其中每比特的平均能量為.FSK信號的性能與OOK信號一致(匹配濾波器接收),比BPSK信號差3dB.相干檢測的優(yōu)點在于性能比非相干檢測好.然后采用相干采用檢測時必須可以獲取相干參量.這些相干參量一般從包含噪聲的輸入信號中獲取,因此它們也受噪聲的影響.這些因素都將使誤碼率比用前面的公式中得到的結(jié)果要高.提取截波參量的電路往往比較復雜且價格昂貴.所以我們也愿意忍受稍差一點的性能而采用非相干電路以降低價格.（2）非相干解調(diào)法中心頻率為f1的帶通濾波器中心頻率為f2的帶通濾波器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器抽樣判決器FSK輸入抽樣脈沖輸出圖2.13 FSK解調(diào)的非相干檢測原理圖輸入端信號有FSK信號加上功率譜密度為的高斯白噪聲組成。圖中帶通濾波器的帶寬為。假定頻率偏移量足夠大，于是和頻譜的重疊部分可以忽略。通過計算下列公式可得誤碼率: (2-54)當接收機輸入端只有信號的時候,若發(fā)送的數(shù)據(jù)為1,加法器的輸入為。因為對稱性以及上下邊帶接收機輸出噪聲的相似性，所以最優(yōu)門限為。同樣，在給定的條件下的條件概率密度函數(shù)與給定的條件下的條件概率密度函數(shù)也相似。即 (2-55)將(2-53)的結(jié)果帶入(2-52),可得其誤碼率為: (2-56)如圖2.12所示,當上邊帶輸出大于下邊帶的輸出時,為正定信號.于是 (2-57)對應(yīng)于接收機輸入端為數(shù)據(jù)0加噪聲的情形,我們知道上邊帶帶通濾波器的輸出僅為高斯噪聲(無信號).于是上邊帶通道包絡(luò)檢波器的輸出服從瑞利分布的噪聲.另一方面,下通道輸出具有萊斯分布,因為下邊帶通道的包絡(luò)檢波器的輸入端為正弦信號加上噪聲.因此經(jīng)過計算可以知道誤碼率為: (2-58)通過積分表可以查出,對于FSK信號的非相干檢測,誤碼率為: (2-59)其中每比特的平均能量為并且。是輸入噪聲的功率譜密度，是每個帶通濾波器的等效帶寬?？梢运愕氖剑?-37）是滿足無碼間串擾的最小濾波器帶寬的情形。比較FSK信號的相干檢測和FSK信號的非相干檢測的誤碼性能，我們看到，當誤碼率小于時，F(xiàn)SK信號的非相干檢測僅需比相干檢測高1dB的信噪比（）。因為不需要產(chǎn)生影響和提取參考信號，所以FSK信號的非相干檢測接收機比FSK信號相干檢測接收機簡單得多，于是在實際系統(tǒng)中，幾乎所有FSK信號接收機都是使用非相干檢測的。2.6衰落信道 由于多徑和移動臺運動等影響因素，使得移動信道對傳輸信號在時間、頻率和角度上造成了色散，如時間色散、頻率色散、角度色散等等，因此多徑信道的特性對通信質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。根據(jù)不同無線環(huán)境，接收信號包絡(luò)一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布和Nakagami-m分布。在無線通信信道環(huán)境中，電磁波經(jīng)過反射折射散射等多條路徑傳播到達接收機后，總信號的強度服從瑞利分布。同時由于接收機的移動及其他原因，信號強度和相位等特性又在起伏變化,故稱為瑞利衰落。 如果收到的信號中除了經(jīng)反射折射散射等來的信號外，還有從發(fā)射機直接到達接收機 （如從衛(wèi)星直接到達地面接收機）的信號，那么總信號的強度服從萊斯分布，故稱為萊斯衰落。 一般來說，多路信號到達接收機的時間有先有后，即有相對時（間）延（遲）。如果這些相對時延遠小于一個符號的時間，則可以認為多路信號幾乎是同時到達接收機的。這種情況下多徑不會造成符號間的干擾。這種衰落稱為平坦衰落，因為這種信道的頻率響應(yīng)在所用的頻段內(nèi)是平坦的。 相反地，如果多路信號的相對時延與一個符號的時間相比不可忽略，那么當多路信號迭加時，不同時間的符號就會重疊在一起，造成符號間的干擾。這種衰落稱為頻率選擇性衰落，因為這種信道的頻率響應(yīng)在所用的頻段內(nèi)是不平坦的。 至于快衰落和慢衰落，通常指的是信號相對于一個符號時間而言的變化的快慢。粗略地說，如果在一個符