河北工程通信系統(tǒng)仿真ASK,漢明碼

1、 信息與電氣工程學(xué)院通信工程專業(yè)CDIO二級項(xiàng)目項(xiàng)目設(shè)計說明書（2012/2013學(xué)年第一學(xué)期） 項(xiàng)目名稱 ： 通信系統(tǒng)仿真 題 目 ： 數(shù)字通信系統(tǒng)仿真采用2ASK調(diào)制和hamming碼技術(shù) 專業(yè)班級 ： 通信工程10- 1班 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計周數(shù) ： 1周 設(shè)計成績 ： 2013年1月11日目錄1.課程設(shè)計目的22.課程設(shè)計內(nèi)容23.課程設(shè)計要求24.項(xiàng)目設(shè)計正文24.1 2ASK調(diào)制原理24.2 2ASK解調(diào)原理54.3 高斯白噪聲信道特性64.4 2ASK抗噪聲性能分析74.5 hamming技術(shù)8 4.51編碼原理8 4.52譯碼與檢錯、糾錯原理9 4.6

2、 2ASK的matlab編碼程序11 4.61 程序結(jié)果145.項(xiàng)目設(shè)計總結(jié)156.參考文獻(xiàn)161.課程設(shè)計目的1.通過課程設(shè)計加深理解和鞏固理論課上所學(xué)的有關(guān)2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本方法，鍛煉我們分析問題和解決問題的能力；同時培養(yǎng)我們進(jìn)行獨(dú)立工作習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，為今后參加工作打下良好的基礎(chǔ)。2.掌握 2ASK 解調(diào)原理及其實(shí)現(xiàn)方法，了解線性調(diào)制時信號的頻譜變化。理解 2ASK 的調(diào)制。3.認(rèn)識和理解通信系統(tǒng)，掌握信號是如何經(jīng)過發(fā)端處理被送入信道然后在接收端還原。會畫出數(shù)字通信過程的基本框圖，掌握數(shù)字通信的2ASK調(diào)制方式，學(xué)會運(yùn)用MATLAB來進(jìn)行通信系統(tǒng)的仿真

3、；4.學(xué)會2ASK傳輸系統(tǒng)的二級調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)，測試2ASK傳輸信號加入噪聲后的誤碼率，分析2ASK傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能。2.課程設(shè)計內(nèi)容 利用MATLAB環(huán)境下設(shè)計一個2ASK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng).用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形;用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化;加上各種噪聲源,用誤碼測試模塊測量誤碼率;最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。3.課程設(shè)計要求（1）熟悉MATLAB環(huán)境，熟悉2ASK/2ASK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理，構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路圖.（2）用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號的頻譜的變化。并觀察解調(diào)前后頻譜有何變化以加深對該信號調(diào)制解調(diào)原理的理解。（3

4、）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上各種噪聲源，用誤碼測試模塊測量誤碼率,并給出仿真波形，改變信噪比并比較解調(diào)后波形，分析噪聲對系統(tǒng)造成的影響。（4）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4.項(xiàng)目設(shè)計正文4.1 2ASK調(diào)制原理振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，則為二進(jìn)制振幅鍵控。 設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號的概率為P，發(fā)送1符號的概率為1-P，且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號序列可表示為 其中: 二進(jìn)制振幅鍵控信號時間波型如圖1 所示。 由圖1 可以看出，2ASK信號的

5、時間波形e2ASK(t)隨二進(jìn)制基帶信號s(t)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號（OOK信號）。 二進(jìn)制振幅鍵控信號的產(chǎn)生方法如圖2 所示，圖(a)是采用模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)， 圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法實(shí)現(xiàn)。 由圖1 可以看出，2ASK信號與模擬調(diào)制中的AM信號類似。所以，對2ASK信號也能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測法)，其相應(yīng)原理方框圖如圖3 所示。2ASK信號非相干解調(diào)過程的時間波形如圖4 所示。   圖2-1 二進(jìn)制振幅鍵控信號時間波型2ASK信號的功率譜密度 由于二進(jìn)制的隨機(jī)脈沖序列是一個隨機(jī)過程,所以調(diào)制后的二進(jìn)制數(shù)字信號也是一個隨機(jī)過程，因此在頻

6、率域中只能用功率譜密度表示。2ASK 信號功率譜密度的特點(diǎn)如下：(1)由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成，連續(xù)譜由信號g(t)經(jīng)線性調(diào)制后決定，離散譜由載波分量決定；(2)已調(diào)信號波形的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2ASK 信號功率譜密度推導(dǎo)：已知，設(shè)的功率譜為，s(t)的功率譜為。則 ， ，。圖2-2 2ASK信號的功率譜密度示意圖在二進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制中，載波的幅度隨著調(diào)制信號的變化而變化，實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制的方式有兩種：（1）模擬相乘法：通過相乘器直接將載波和數(shù)字信號相乘得到輸出信號，這種直接利用二進(jìn)制數(shù)字信號的振幅來調(diào)制正弦載波的方式稱為模擬相乘法，其電路如圖2-3所示。在該電路中載波信號和二進(jìn)制數(shù)

7、字信號同時輸入到相乘器中完成調(diào)制。（2）數(shù)字鍵控法：用開關(guān)電路控制輸出調(diào)制信號，當(dāng)開關(guān)接載波就有信號輸出，當(dāng)開關(guān)接地就沒信號輸出，其電路如圖2-4所示。 圖2-3模擬相乘法 圖2-4數(shù)字鍵控法4.2 2ASK解調(diào)原理2ASK/OOK信號有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法），相應(yīng)的接收系統(tǒng)如圖2-5、圖2-6所示。圖2-5非相干解調(diào)方式圖2-6 相干解調(diào)方式抽樣判決器的作用是：信號經(jīng)過抽樣判決器，即可確定接收碼元是“1”還是“0”。假設(shè)抽樣判決門限為b，當(dāng)信號抽樣值大于b時，判為“1”碼；信號抽樣值小于b時，判為“0”碼。當(dāng)本實(shí)驗(yàn)為簡化設(shè)計電路，在調(diào)制的輸出端沒

8、有加帶通濾波器，并且假設(shè)信道時理想的，所以在解調(diào)部分也沒有加帶通濾波器。 圖2-72ASK信號非相干解調(diào)過程的時間波形4.3 高斯白噪聲信道特性設(shè)正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為其中，白噪聲的取值的概率分布服從高斯分布。MATLAB本身自帶了標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的內(nèi)部函數(shù)。函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)序列服從均值為，方差的高斯分布。正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為故其有用信號功率為噪聲功率為信噪比滿足公式則可得到公式我們可以通過這個公式方便的設(shè)置高斯白噪聲的方差。4.4 2ASK抗噪聲性能分析 通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，加性噪聲可能使傳輸碼元產(chǎn)生錯誤，其錯誤程

9、度一般用誤碼率來衡量。（1） 非相干解調(diào)的誤碼率非相干接收時的誤碼率為： （7）其中 為解調(diào)器的輸入信噪比。當(dāng)信噪比r>>1時， （8）（2）相干解調(diào)的誤碼率相干接收時的誤碼率為： （9）其中為解調(diào)器的輸入信噪比。當(dāng)信噪比r>>1時，上式變成 （10） 4.5 hamming技術(shù) 4.51編碼原理線性分組碼的構(gòu)造方法比較簡單、理論較為成熟，應(yīng)用比較廣泛。漢明碼是一種能夠糾正一個錯碼的效率比較高的線性分組碼，下面以（7,4）碼為例就漢明碼的編碼與譯碼分別進(jìn)行介紹：一般來說，若漢明碼長為n，信息位數(shù)為k，則監(jiān)督位數(shù)r=n-k。若希望用r個監(jiān)督位構(gòu)造出r個監(jiān)督關(guān)系式來指示一位

10、錯碼的n種可能位置，則要求或 設(shè)漢明碼（n,k）中k=4，為了糾正一位錯碼，由式（1）可知，要求監(jiān)督位數(shù)r3。若取r=3,則n=k+r=7。這樣就構(gòu)成了（7,4）碼。用來表示這7個碼元，用的值表示3個監(jiān)督關(guān)系式中的校正子，則的值與錯誤碼元位置的對應(yīng)關(guān)系可以規(guī)定如表1所列。表2.1 校正子和錯碼位置的關(guān)系錯碼位置錯碼位置 001101 010 110 100 111 011000無錯碼則由表1可得監(jiān)督關(guān)系式： 在發(fā)送端編碼時，信息位的值決定于輸入信號，因此它們是隨機(jī)的。監(jiān)督位、應(yīng)根據(jù)信息位的取值按監(jiān)督關(guān)系來確定，為使所編的碼中無錯碼，則等于0，即方程組（5）可等效成如下矩陣形式 式(6)可簡化為

11、，H為監(jiān)督矩陣，則由式(6)可得到監(jiān)督矩陣因?yàn)樯删仃?，所以?7)得生成矩陣G如下：然后利用信息位和生成矩陣G相乘產(chǎn)生整個碼組，即有其中A為整個碼組矩陣，是信息位。根據(jù)上述原理可以得到(7,4)漢明碼的整個碼組。 4.52譯碼與檢錯、糾錯原理當(dāng)數(shù)字信號編碼成漢明碼后，由于信道噪聲的存在，使得經(jīng)過信道后的漢明碼會發(fā)生差錯，使得接收端接收到錯碼，因此需要多錯碼進(jìn)行糾正，以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。下面分析糾錯譯碼原理。設(shè)B為接收碼組，它是一行7列的矩陣，即，B中可能含有錯碼，錯誤圖樣，在E的表達(dá)式中，有若，表示該碼元沒錯；若，表示該碼元為錯碼。由得(9) 表示接收碼組和錯誤圖樣之和等于正

12、確碼組U，通過（9）式就可以實(shí)現(xiàn)糾錯?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)陣來表示所有可能的個n元碼組的接收矢量，(n,k)碼的標(biāo)準(zhǔn)陣形式如下：應(yīng)該注意到，碼組（全0碼字）起兩個作用：既是其中一個正確碼組，也是錯誤圖樣,代表所在行沒有錯誤。標(biāo)準(zhǔn)陣中的是陪集首，陪集首的選擇是有規(guī)定的，第j行的陪集首是在前j-1行中沒有出現(xiàn)的最小碼組，即錯誤圖樣E，如果不選錯誤圖樣作為陪集首，譯碼將會產(chǎn)生錯誤。對于(7,4)漢明碼，其最小碼重是3，設(shè)碼的糾錯能力為t，根據(jù)公式得該碼的糾錯能力為1，即能糾錯一位錯碼。由于根據(jù)完備碼的定義有將(7,4)碼代入(12)可以得知，(7,4)漢明碼為完備碼組，只能糾錯和檢錯一位錯碼。對于正確碼組A而

13、言，有當(dāng)接收到錯碼變成碼組B時，有其中S為校正子所構(gòu)成的校正矩陣，由于S和E如（11）所示的一一對應(yīng)的關(guān)系，對于(7,4)碼，錯誤圖樣與伴隨式的對應(yīng)關(guān)系如下表2.2 伴隨式查詢表錯誤圖樣伴隨式000000000000000001001000001001000001001000001000011001000010101000001101000000111 通過伴隨式查詢表，可以由伴隨式得到錯誤圖樣，從而實(shí)現(xiàn)檢錯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)糾錯。4.6 2ASK的matlab編碼程序%得到2ASK碼元和基帶信號n=1e3;%一次產(chǎn)生碼元數(shù)g=randint(1,n);%產(chǎn)生1000個碼元rs=1e3;%時間軸頻率步

14、進(jìn)fc=1e2;%載波頻率100HZtzd=1e2;%1個碼元用100個點(diǎn)模擬t=0:1/rs:(tzd-1/rs);snrb_one=0;snrb_end=10;for snrb=snrb_one:snrb_end %不同信噪比 ratio=0;%初始誤碼數(shù)設(shè)為0，累計十次得到總誤碼數(shù) for k=1:10 %十次循環(huán)產(chǎn)生10000碼元tz=g(ceil(10*t+(1/rs).*cos(2*pi*fc*t);%得到調(diào)制信號tz，100個點(diǎn)表示1個碼元%信號通過噪聲信道 signal=awgn(tz,snrb);%信號通過白噪聲信道Fs=1e3;%采樣頻率 b,a=butter(2,80,1

15、20*2/Fs);%設(shè)計巴特沃斯帶通濾波器，2階，系數(shù)為a,bsg1=filter(b,a,signal);%信號通過該BPFsg2=2*sg1.*cos(2*pi*fc*t);%信號通過相乘器Fs=1e3;%采樣頻率 b,a=butter(2,10*2/Fs)%設(shè)計巴特沃斯低通濾波器 sg3=filter(b,a,sg2);%信號通過該LPFb=0.4;%判決門限LL=tzd/2;for i=1:n if sg3(i-1)*tzd+LL)>b;%取sg2的中間的點(diǎn)作為判決點(diǎn) sg4(i)=1; else sg4(i)=0; endend%得到判決后信號sg4numbers,pe =sy

16、merr(g,sg4);%利用函數(shù)得到誤碼率和誤碼數(shù)ratio=ratio+numbers;endr1=ratio/(n*10);%誤碼數(shù)除以總點(diǎn)數(shù)為誤碼率pel(1,snrb+1)=r1;%11個信噪比對應(yīng)的11個誤碼率存入數(shù)組pelendfigure;%畫圖x=0:1:10;x1=10.(x./10);%分貝值轉(zhuǎn)化為真值y=0.5*(erfc(sqrt(x1/4);semilogy(x,pel,'-r',x,y,'-b');legend('理論值','仿真值');xlabel('信噪比')ylabel('

17、;誤碼率');grid on;title('2ASK信號相干解調(diào)時信噪比與誤碼率的關(guān)系');%=for snrb=snrb_one:snrb_end %不同信噪比 ratio1=0;%初始誤碼數(shù)設(shè)為0，累計十次得到總誤碼數(shù) for k=1:10 %十次循環(huán)產(chǎn)生10000碼元n=1e3;%一次產(chǎn)生碼元數(shù)c=7;v=4;%（7，4）漢明碼code=encode(g,c,v,'hamming'); signal=awgn(code,snrb);%信號通過白噪聲信道b=0.5;%判決門限for i=1:1750 if signal(i)>b;%取sg2的中

18、間的點(diǎn)作為判決點(diǎn) signal(i)=1; else signal(i)=0; endend%得到判決后信號sg4rcv=decode(signal,c,v,'hamming');numbers1,pe1 =biterr(g',rcv);%利用函數(shù)得到誤碼率和誤碼數(shù)ratio1=ratio1+numbers1;endr11=ratio1/(n*10);%誤碼數(shù)除以總點(diǎn)數(shù)為誤碼率pel1(1,snrb+1)=r11;%11個信噪比對應(yīng)的11個誤碼率存入數(shù)組pelendfigure(2);%畫圖x=snrb_one:1:snrb_end;x1=10.(x+7)./10);%

19、分貝值轉(zhuǎn)化為真值semilogy(x,y,'-r*',x,pel1,'-b');legend('hamming','no hamming');xlabel('信噪比')ylabel('誤碼率');grid on;title('2ASK信號相干解調(diào)時信噪比與誤碼率的關(guān)系');結(jié)果分析： 在相同信噪比的情況下，加入漢明碼不不加漢明碼的誤碼率低，隨著信噪比的不斷增加，誤碼率會越來越小.理想信道和有噪聲信道的誤碼率比較 結(jié)果分析： 在相同信噪比的情況下，加入漢明碼不不加漢明碼的誤碼率低，隨著信噪比的不斷增加，誤碼率會越來越小。加入漢明碼后的誤碼率接近于理論值。由圖可見隨著信噪比的增大，理論計算與實(shí)際仿真得到的誤碼率均在下降，但是由于仿真碼元數(shù)目比較少，誤碼率只能達(dá)到接近。5.項(xiàng)目設(shè)計總結(jié)我這次所做的課程設(shè)計是基于MATLAB的2ASK和hamming碼技術(shù)調(diào)制實(shí)現(xiàn)，雖然在制作此課程設(shè)計中遇到許多的困難，但主要還是自己對所學(xué)的知識并沒有完全的消化，以至對2ASK原理都是似懂非懂，浪費(fèi)了較多的時間，另外通過此次的課程設(shè)計，對MATLAB軟件的使用也有了更深一步的了解與掌握，特別是如何對基帶信號如何進(jìn)行調(diào)制，時