【正文】 ..........................................................................................................................22 附錄源程序 ： ...........................................................................................................................23 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 33 頁(yè) 1. 緒論 數(shù)字通信作為一種新型的通信手段，早在 20 世紀(jì) 30 年代就已經(jīng)提出。從此揭開了近代數(shù)字傳輸?shù)男蚰弧Ｎ覀冎攸c(diǎn)關(guān)注的是這些現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們采用的都是數(shù)字制式。 現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展是以多種先進(jìn)的通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。在移動(dòng)通信中，數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，其中數(shù)字調(diào)相信號(hào)具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字移動(dòng)通信中廣泛使用它來(lái)傳送各種控制信息。于 20 世紀(jì) 40 年代，在通信技術(shù)中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一編碼技術(shù)，并迅速在光纖通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字微波通信中得到廣泛應(yīng)用，目前它不僅運(yùn)用于通信領(lǐng)域，還廣泛運(yùn)用于計(jì)算機(jī)、遙控遙測(cè)、數(shù)字儀表廣播電視等許多領(lǐng)域。 PCM 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性強(qiáng) 、 失真小 、 傳輸特性穩(wěn)定 、 遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪 聲不累積，而且可以采用有效編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼來(lái)提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。故它能較好地適應(yīng)信息化社會(huì)對(duì)通信的要求。但是，隨著數(shù)字技術(shù)的飛躍發(fā)展這些缺點(diǎn)也不重要。 本次課設(shè)項(xiàng)目主要分五個(gè)部分，分為原始信號(hào)的抽樣采集，信號(hào)均勻與非均勻量化， A律壓縮，非均勻量化的編譯碼以及最后的誤碼率表示，都是用 MATLAB 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 每一部分都分為一個(gè)小塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。抽樣定理是指：在一個(gè)頻帶限制在（ 0， f h）內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào) f（ t），如果以小于等于 1/(2 f h)的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號(hào)。 抽樣過程 抽樣的過程是將輸入的模擬信號(hào)與抽樣信號(hào)相乘，通常抽樣信號(hào)是一個(gè)周期為 Ts 的周期脈沖信號(hào)，抽樣后得到的信號(hào)稱為抽樣序列。話音信號(hào)頻率在 4kHZ 以內(nèi)，實(shí)際中話音的抽樣頻率采用的是 8kHZ，此次課程設(shè)計(jì)也是采用 fs=8kHZ 的抽樣頻率 ,抽樣周期 T=1/fs。每隔時(shí)間 t（時(shí)間 t要盡量小 ,如 ）對(duì)低通連續(xù)的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行取樣。 抽樣是把一個(gè)時(shí)間連續(xù)信號(hào)變換成時(shí)間離散的信號(hào)，量化則是將取值連續(xù)的抽樣變換成取值離散的抽樣 ?？梢杂眠m當(dāng)速率對(duì)此隨機(jī)信號(hào) m(t)進(jìn)行抽樣，并按照預(yù)先規(guī)定，將抽樣值 m(kT)變換成 M 個(gè)電平 q1， q2， … ， qM 之一 ， 有 mq(kTs)=qi， 若 mi1≤ m(kTs)mi，則 量化器的輸出是一個(gè)數(shù)字序列信號(hào) 。 均勻量化 ：把輸入信號(hào)的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。其量化間隔 Δv 取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。主要缺點(diǎn)是，無(wú)論抽樣值的大小如何，量通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 33 頁(yè) 化噪聲的均方根都固定不變。 對(duì)話音信號(hào)來(lái)說，大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。 非均勻量化： 均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的信號(hào)量噪比。 由于 A 律壓縮 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 A 壓縮律 編碼 , 壓擴(kuò)特性圖如圖 所示： 圖 13 折線法 A 壓縮律 通常近似用 13 折線 法實(shí)現(xiàn) ：圖中先把 軸的 [0,1]區(qū)間分為 8 個(gè)不均勻段。 [0,1/32]再一分為二，其中點(diǎn)為 1/64,取區(qū)間 [1/64,1/32]作為第三段 ； [0,1/64]再一分為二，其中點(diǎn)為 1/128,取區(qū)間 [1/128,1/64]作為第二段； 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 33 頁(yè) [0,1/128]作為第一段。分別與 x 軸的八段一一對(duì)應(yīng)。 圖 中的八段線段的斜率分別為 : 表 各段落的斜率 段落 1 2 3 4 5 6 7 8 斜率 16 16 8 4 2 1 1/2 1/4 信號(hào)的編碼 編碼定義： 量化后的抽樣信號(hào)在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號(hào)正、負(fù)幅度分布的對(duì)稱性使正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級(jí)對(duì)稱分布。簡(jiǎn)單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進(jìn)制碼系統(tǒng)，因此，應(yīng)將十進(jìn)制數(shù)字代碼變換成二進(jìn)制編碼。這種把量化的抽樣信號(hào)變換成給定字長(zhǎng)的二進(jìn)制碼流的過程稱為編碼。量化噪聲隨量化級(jí)數(shù)的增多和級(jí)差的縮小而減小。因此，量化噪 聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號(hào)的速率提高而減小。 A 律 PCM 編碼規(guī)則： 表 A 律 13 規(guī)則 極性碼 段落碼 段內(nèi)碼 C1 C2C3C4 C5C6C7C8 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 33 頁(yè) C1:極性碼， 1 為正； 0 為負(fù)，表示信號(hào)的正負(fù)極； C2C3C4：段落碼，表示信號(hào)絕對(duì)值處在 8 個(gè)區(qū)間中的哪個(gè)區(qū)間，為 000～ 111 共有 8 種組合，分別表示對(duì)應(yīng)的 8 個(gè)分段，即第 1 至 8 段； C5C6C7C8:段內(nèi)碼，表示區(qū)間中的 16 個(gè)均勻量化級(jí)， 0000～ 1111 共有 16 中組合， 表示每段的16 個(gè)分級(jí)。 信道編碼 /譯碼 ： 信道編碼的目的就是增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力。主要實(shí)現(xiàn)方法是增加冗余位。本課程采用了線性分組碼中的典型編碼方式（ 7,4）漢明碼和 A 率 13 編碼。對(duì)收到的信號(hào)還要進(jìn)行譯碼 ,信道譯碼 是信道編碼的逆過程。 折疊碼優(yōu)點(diǎn)：只需對(duì)單極性信號(hào)進(jìn)行，再增加最高位來(lái)表示信號(hào)的極性；小信號(hào)的抗噪性能強(qiáng)，大信號(hào)的抗噪性能弱。 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）。 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。 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。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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 。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)。而譯碼與低通濾波的組合稱為 D/A 變換。 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(lái)提高系統(tǒng)有效性、可靠性、保密性。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 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(lái)解算問題要比用 C， FORTRAN 等語(yǔ)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。可以直接調(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(yè) 共 33 頁(yè) 函數(shù)庫(kù)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。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。 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。 用 MATLAB 語(yǔ)言編寫的程序，稱為 M 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)。 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。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。 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 文件窗口可以對(duì)打開的 M 文件進(jìn)行編輯修改。 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。 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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。 fs=1/ts。 這句為定義時(shí)間序列 df=。 m=x./(200*t+eps)。 這句為確定 t=0 的點(diǎn) m(w)=1。 這句為引用傅立葉變換函數(shù) f=[0:dfy:dfy*length(mn)dfy]fs/2。 plot(t,m)。 信號(hào)持續(xù)的時(shí)間 ts1=。 t1=[t0/2:ts1:t0/2]。 m1=x1./(200*t1+eps)。 m1(w1)=1。 定義信號(hào) [M1,mn1,df1]=fft_seq(m1,ts1,df)。 plot(t1,m1,39。)。 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(yè) 共 33 頁(yè) 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。bo39。 %stem(t2,m2)。y=sin(t)。 定義函數(shù) subplot(2,1,1)。 輸出 xlabel(39。)。幅度 39。 這句為定義 Y 軸 axis([0,4*pi,])。原始信號(hào) 39。 輸出命名 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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。 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。) ylabel(39。) 通信原理課程 設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 33 頁(yè) title(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。 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)。 x=abs(x)。 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。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(wú)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(wú)信道編碼的情況； 程序中，用 t=0::。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。 誤信率：指錯(cuò)誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的比例。 PCM 系統(tǒng)中噪聲的影響 PCM 系統(tǒng)的噪聲主要有兩種 :量化噪聲和加性噪聲。 )(tnq ：由量化引起的輸出噪聲成分 。 在接收端輸出信號(hào)的總信噪比為 ? ?eq NNtmENS ?? )(200 qN ：量化噪聲的平均功率 。 （ 1）量化噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 CM 系統(tǒng)輸出端的量化信號(hào)與量化噪聲的平均功