【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。 對(duì)數(shù)字信號(hào)調(diào)制的方式有很多種，基本的調(diào)制方式有振幅鍵控（ ASK）、頻移鍵控 (FSK)、絕對(duì)相移鍵控 (PSK)、差分相移鍵控（ DPSK）等 ,本課程設(shè)計(jì)中則采用的是振幅鍵控（ ASK）。 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(hào)。 PCM 脈沖編碼的原理 若信源輸出的是模擬信號(hào)，如電話機(jī)傳送的話音信號(hào)，模擬攝象機(jī)輸出的圖像信號(hào)等，要使其在數(shù)字信道中傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即進(jìn)行 A/D 變換，在接收端則要進(jìn)行 D/A。對(duì)語音信號(hào)最典型的數(shù)字編碼就是脈沖編碼調(diào)制 (PCM)。 所謂脈沖編碼調(diào)制 :就是將模擬信號(hào)的抽樣量化值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過程。下圖給出了脈沖編碼調(diào)制的一個(gè)示意圖。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 33 頁 圖 脈沖編碼 調(diào)制示意圖 假設(shè)模擬信號(hào) m(t)的求值范圍為 [4V,+4V],將其抽樣值按 8個(gè)量化級(jí)進(jìn)行均勻量化，其量化間隔為 1s，因此各個(gè)量化區(qū)間的端點(diǎn)依次為 0、 4V， 8 個(gè)量化級(jí)的電平分別為 、 、 、 、 、 、 和 。 PCM 系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。圖中，輸入的模擬信號(hào) m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)信道傳送到接收端的譯碼器，由譯碼器還原出抽樣值，再經(jīng)低通濾波器濾出模擬信號(hào) m^(t)。其中，量化與編碼的組合通常稱為 A/D 變換器 。而譯碼與低通濾波的組合稱為 D/A 變換。 圖 PCM 通信系統(tǒng)方框圖 PCM 系統(tǒng)的原理框圖， 本次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用 Matlab 進(jìn)行仿真，仿真基本框圖如圖 所示。 PCM 主要優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)；傳輸性能穩(wěn)定，遠(yuǎn)距離信號(hào)再生中繼時(shí)噪聲不累積，且可以使用壓縮編碼和糾錯(cuò)編碼和保密編碼等來提高系統(tǒng)有效性、可靠性、保密性。 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 ： MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中 在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。 MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相 似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多， 并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。 在新的版本中也加入了對(duì) C， FORTRAN， C++ ， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用 ,用戶也可 以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲? MATLAB 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 33 頁 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和 測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。其具有以下特點(diǎn)：友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境；簡(jiǎn)單易用的程序語言；強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù) 據(jù)處理能力；出色的圖形處理功能；應(yīng)用廣泛的模塊集合工 具箱；實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)；應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）。 MATLAB 程序設(shè)計(jì)方法 ： MATLAB 有兩種工作方式：一種是交互式的命令行工作方式；另一種是 M 文件的程 序工作方式。在前一種工作方式下， MATLAB 被當(dāng)做一種高級(jí)數(shù)學(xué)演算紙和圖形表現(xiàn)器來 使用， MATLAB 提供了一套完整的而易于使用的編程語言，為用戶提供了二次開發(fā)的工具，下面主要介紹 MATLAB 控制語句和程序設(shè)計(jì)的基本方法。 用 MATLAB 語言編寫的程序，稱為 M 文件。 M 文件有兩類：命令文件和函數(shù)文件。兩者區(qū)別在于： 命令文件沒有輸入?yún)?shù)，也不返回輸出參數(shù)；而函數(shù)文件可以輸入?yún)?shù)，也可以返回輸出參數(shù)。命令文件對(duì) MATLAB 工作空間的變量進(jìn)行操作，而且函數(shù)文件中 定義的變量為局部變量，當(dāng)函數(shù)文件執(zhí)行完畢時(shí)，這些變量被清除。 M 文件可以使用任何 編輯程序建立和編輯，而一般常用的是使用 MATLAB 提供的 M 文件窗口。 首先從 MATLAB 命令窗口的 File 菜單中選擇 New 菜單項(xiàng)，在選擇 Mfile 命令，將得 到的 M 文件窗口。在 M 文件窗口輸入 M 文件的內(nèi)容，輸入完畢后，選擇此窗口 File 菜 單 的 save as 命令，將會(huì)得到 save as 對(duì)話框。在對(duì)話框的 File 框中輸入文件名，再選擇 OK 按鈕即完成新的 M 文件的建立。 然后在從 MATLAB 命令窗口的 File 菜單中選擇 Open 對(duì)話框，則屏幕出現(xiàn) Open 對(duì) 話框，在 Open 對(duì)話框中的 File Name 框中輸入文件名，或從右邊的 directories 框中打開這 個(gè) M 文件。在 M 文件所在的目錄，再從 File Name 下面的列表框中選中這個(gè)文件，然后 按 OK 按鈕即打開這個(gè) M 文件。在 M 文件窗口可以對(duì)打開的 M 文件進(jìn)行編輯修改。在編 輯完成后，選擇 File 菜單中的 Save 命令可以把這個(gè)編輯過的 M 文件報(bào)存下來。 當(dāng)用戶要運(yùn)行的命令較多或需要反復(fù)運(yùn)行多條命令時(shí)，直接從鍵盤逐漸輸入命令顯得 比較麻煩，而命令文件則可以較好地解決這一問題。我們可以將需要運(yùn)行的命令編輯到一個(gè)命令文件中，通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 33 頁 然后再 MATLAB 命令窗口輸入該命令文件的名字，就會(huì)順序執(zhí)行命令文 件中的命令。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 33 頁 3. PCM 的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) 原始信號(hào)的抽樣 源代碼詳見附錄 function sample() 這句為原始信號(hào)的抽樣 t0=10。 這句為定義時(shí)間長(zhǎng)度 ts=。 fs=1/ts。 t=[t0/2:ts:t0/2]。 這句為定義時(shí)間序列 df=。 這句為定義頻率分辨率 x=sin(200*t)。 m=x./(200*t+eps)。 w=t0/(2*ts)+1。 這句為確定 t=0 的點(diǎn) m(w)=1。 這句為修正 t=0 點(diǎn)的信號(hào)值 [M,mn,dfy]=fft_seq(m,ts,df)。 這句為引用傅立葉變換函數(shù) f=[0:dfy:dfy*length(mn)dfy]fs/2。 這句為定義頻率序列 figure(1) subplot(2,1,1)。 plot(t,m)。 這句為最后輸出波形 t0=10。 信號(hào)持續(xù)的時(shí)間 ts1=。 滿足抽樣條件的抽樣間隔 fs1=1/ts1。 t1=[t0/2:ts1:t0/2]。 定義滿足抽樣條件的時(shí)間序列 x1=sin(200*t1)。 m1=x1./(200*t1+eps)。 w1=t0/(2*ts1)+1。 m1(w1)=1。 修正 t=0 時(shí)的信號(hào)值 m1=m1.*m1。 定義信號(hào) [M1,mn1,df1]=fft_seq(m1,ts1,df)。 對(duì)滿抽樣條件的信號(hào)進(jìn)行傅 立葉變換 subplot(2,1,1)。 plot(t1,m1,39。bo39。)。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 33 頁 原程序經(jīng)過刪減最后得到的結(jié)果為： 圖 抽樣 正常仿真圖 圖 為表達(dá)式為 fh=200/2piHz 的的頻域圖和頻譜圖 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 33 頁 圖 抽樣 失真仿真圖 圖 為頻率為 fs=100Hz 的抽樣失真的頻域圖和頻譜圖 圖 原始 信號(hào) 仿真圖 分析：只有當(dāng)抽樣頻率滿足抽樣定理時(shí)，信號(hào)頻譜才能保持不失真，確保能完美恢復(fù)原始信號(hào)。 在編程時(shí)，老師指正輸出的圖形格式不對(duì)，最后改正成功，對(duì)比如下： 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 33 頁 圖 問題對(duì)比圖 因?yàn)檩敵?的 是 序 列類型的不好觀察，然后修改了程序得到了 新 的連續(xù)的 波形。 plot(t2,m2,39。bo39。)。 %stem(t2,m2)。 解決方法：輸出波形類型改變，再改一下線的類型 PCM 均勻量化 源代碼詳見附錄 function average() PCM 均勻量化 t=[0::4*pi]。y=sin(t)。 w=jylh(y,1,64)。 定義函數(shù) subplot(2,1,1)。 圖形分布 2 行 1 列第一個(gè) plot(t,y)。 輸出 xlabel(39。時(shí)間 39。)。 這句為定義 X 軸 ylabel(39。幅度 39。)。 這句為定義 Y 軸 axis([0,4*pi,])。 title(39。原始信號(hào) 39。)。 輸出命名 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 33 頁 仿真結(jié)果： 圖 原始信號(hào)及量化后信號(hào)仿真圖 分析：均勻量化輸出波形圖清晰地顯示處均勻量化的特征，每個(gè)量階都是均勻分布的，每個(gè)間隔都是相等的。由于量化級(jí)數(shù)是 64，所以從圖中看到的結(jié)果不是那么明顯，和輸入波形相比幾乎沒什么變化。 PCM 非均勻量化 源代碼詳見附錄 function a_quantize() PCM 非均勻量化 t=0::。 定義時(shí)間間隔及抽樣時(shí)間 y=sin(8000*pi*t)。 定義函數(shù) subplot(2,1,1) 定義圖形位置 plot(t,y) 輸出波形 axis([0 ]) 定義 x， y 軸屬性 xlabel(39。時(shí)間 39。) ylabel(39。幅度 39。) 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 33 頁 title(39。原始信號(hào) 39。) 仿真結(jié)果： 圖 原始信號(hào)及壓縮后信號(hào)仿真圖 分析：由圖可見，輸出的信號(hào)與原始信號(hào)有明顯的差別，這是因?yàn)榉蔷鶆蛄炕g隔是變化的。 A 律 13 折線 壓縮 源代碼詳見附錄 function a_13code() A 律 13 折線 壓縮 t=0::。 定義時(shí)間間隔及抽樣次數(shù) y=sin(8000*pi*t) 定義函數(shù) z=line13(y) 引用函數(shù) c=pcmcode(z) function y=line13(x) x=x/max(x)。 z=sign(x)。 x=abs(x)。 13 折線函數(shù)引用定義 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 33 頁 仿真結(jié)果： 圖 A 律壓縮后矩陣 非均勻量化 PCM編碼 流程圖： 圖 非均勻量化流程圖 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 33 頁 源代碼 詳見附錄 仿真結(jié)果： 圖 非均勻量化仿真結(jié)果 分析：輸入十進(jìn)制數(shù) 1588，輸出八位二進(jìn)制碼組為 1110 1000，它表示的該量化值位于第七段落的量化間隔八中間。 非均勻量化 PCM 譯碼 流程圖： 圖 譯碼流程圖 原程序詳見附錄，仿真結(jié)果如下： 圖 譯碼仿真結(jié) 果 分析：輸出量化值為 1568，所以量化誤差為 15881568=10。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 33 頁 仿真分析系統(tǒng)誤碼律 原程序詳見附錄，仿真結(jié)果如下： 圖 誤碼率仿真圖 系統(tǒng)誤碼率仿真圖：從仿真圖 可以看出，信噪比越大，誤碼率越低，與理論相符 。還可以直觀的看出誤碼率在有信道編碼的情況下明顯低于無信道編碼的情況，尤其是當(dāng)信噪比 dB5 時(shí)，有信道編碼的系統(tǒng)的誤碼率幾乎為 0，其傳輸可靠性遠(yuǎn)好于無信道編碼的情況； 程序中，用 t=0::。 兩種信道編碼方式在此傳輸系統(tǒng)中，性能相當(dāng)。由圖可以得知通過信道編碼可以增加通信系統(tǒng)的可靠性。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 33 頁 4. 系統(tǒng) 性能分析 PCM 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 誤碼率：錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。 誤信率：指錯(cuò)誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的