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畢業(yè)論文-qam傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(已改無(wú)錯(cuò)字)

2023-07-19 09:43:21 本頁(yè)面
  

【正文】 論: ( 1)為了提高通信系統(tǒng)的有效性,即提高系統(tǒng)的頻帶利用率,多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制式一個(gè)重要途徑; ( 2)提高頻帶利 用率是以降低功率利用率為代價(jià)。 ( 3)在相同的發(fā)射功率下, M 越大,系統(tǒng)的抗干擾能力越差,即系統(tǒng)誤碼率越大。 ( 4)為了降低誤碼率,只有提高發(fā)射功率。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備等場(chǎng)合提高功率又是難以實(shí)現(xiàn)的。在工程實(shí)踐中因權(quán)衡二者的關(guān)系。 本章小結(jié) 本章對(duì) QAM 調(diào)制解調(diào)相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究,給出了調(diào)制端和解調(diào)端的結(jié)構(gòu)框圖;通過(guò)對(duì)信號(hào)點(diǎn)星座圖的分析研究,給出了 QAM 調(diào)制技術(shù)的性能指標(biāo);構(gòu)建了 16QAM 和 64QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的 Simulink 的仿真模型,進(jìn)行仿真驗(yàn)證;并基于 Simulink 對(duì) MQAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一 步進(jìn)行性能分析,得出多進(jìn)制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關(guān)系,為后面系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 3 模擬信號(hào)數(shù)字化研究及 Simulink 仿真 隨著通信技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字通信成為主流技術(shù)。那模擬信源提供的模擬信號(hào)如何在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸呢?模擬信號(hào)要想在數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸,首先需要在QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 發(fā)送端把模擬信號(hào)數(shù)字化,即進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后在數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸;在接收端需把數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào),即進(jìn)行數(shù)模變換。一般模數(shù)轉(zhuǎn)換常采用脈沖編碼調(diào)制( PCM)、差分脈沖編碼調(diào)制等。 本章對(duì)差分 脈沖編碼調(diào)制相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究,給出了編解碼器的結(jié)構(gòu)框圖,基于 MATLABLE/Simulink 構(gòu)建了 DPCM 串行傳輸?shù)姆抡婺P图胺抡骝?yàn)證,并基于Simulink 實(shí)現(xiàn)了 PCM 及 DPCM 語(yǔ)音信號(hào)的傳輸,并進(jìn)行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能比對(duì)和分析。 脈沖編碼調(diào)制 脈沖編碼調(diào)制 (pulse code modulation—— PCM)是典型的編碼方式,通常把從模擬信號(hào)抽樣、量化、直到變?yōu)槎M(jìn)制符號(hào)的基本過(guò)程稱為 PCM。其原理框圖如圖31所示。 圖 31 脈沖編碼調(diào)制( PCM)系統(tǒng)原理框圖 差分脈沖編碼調(diào)制 PCM 體制需要用 64kb 的速率傳輸 1 路數(shù)字信號(hào),而傳輸一路模擬電話僅占用4kHZ 帶寬。相比之下,采用 PCM,則數(shù)碼率太高,傳輸 PCM 信號(hào)占用更大帶寬。例如,對(duì)于頻帶為 1MHz的可視電話信號(hào)進(jìn)行編碼,根據(jù)采樣定理,采樣速率 MHzfs 2? ,若每樣值采用 8位編碼,則數(shù)碼率為 16Mbit/s。對(duì)于電視信號(hào),圖像信號(hào)寬帶為 6MHz,若也采用 8位編碼,則數(shù)碼率將達(dá) 100Mbit/s。為了降低數(shù)字電話信號(hào) 的比特率,改進(jìn)方法之一是采用預(yù)測(cè)編碼方法。預(yù)測(cè)編碼方法有多種,差分脈沖編碼調(diào)制,簡(jiǎn)稱差分脈碼調(diào)制 DPCM,是其中廣泛應(yīng)用的一種基本預(yù)測(cè)方法。 DPCM 編解碼基本原理 DPCM 是一種利用信號(hào)樣值之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行高效率波形編碼的方法。當(dāng)信號(hào)樣值序列中鄰近樣值之間存在明顯的關(guān)聯(lián)時(shí),那么樣值的差值方差就會(huì)比較樣值本身的方差要小。 PCM 中直接傳輸樣值本身,而在 DPCM 中,傳輸數(shù)據(jù)為樣值的差值,在量化誤差不變的條件下,就可以用較少的比特?cái)?shù)來(lái)表示碼字,也就提高了波形編低通濾波 瞬時(shí)壓縮 抽 樣 量 化 編 碼 低通濾波 瞬時(shí)擴(kuò)張 解 調(diào) 解 碼 信 道 再 生 話音輸入 話音輸出 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 17 碼的效率。 DPCM 的組成方框如圖 32所 示 [23]: 圖 32 DPCM編碼器和解碼器原理方框圖 圖 32中,預(yù)測(cè)器根據(jù)過(guò)去時(shí)刻的信號(hào)樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的信號(hào)樣值 ,并與當(dāng)前輸入樣值 xn 相減得出預(yù)測(cè)誤差 en,即: nnn xxe ?~?? (31) 然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化編碼后傳送。設(shè)預(yù)測(cè)誤差的量化結(jié)果為 n n nee???,其中 n? 為量化誤差。量化結(jié)果 ne 與預(yù)測(cè)器輸出結(jié)果 ?nx 相加后 作為預(yù)測(cè)器新的輸入nx ,即 nnn xex ?~~~ ?? (32) nnnn xex ?~)(~ ??? ? (33) nnnnn xxxx ?~)?~(~ ???? ? (34) nnn xx ???~ (35) 因此,預(yù)測(cè)器的輸入 nx 也就是輸入樣值 nx 被量化的結(jié)果,也稱為編碼器的本地解碼樣值輸出。在 DPCM 解碼器中,以同樣的反饋相加方式得出解碼樣值輸出。 最佳預(yù)測(cè)器 常用的預(yù)測(cè)器是線性 FIR 濾波器,利用過(guò)去若干個(gè)(例如 p 個(gè))本地解碼樣值的線性組合來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前樣值,即 : ?? ??pk knkn xx 1~?~ ? (36) 其中, k? 是 FIR 濾波器的抽頭系數(shù); p 為 FIR 濾波器的階數(shù)。預(yù)測(cè)誤差序列 ne的均方誤差( MSE)為 : ? ?2neE?? (37) QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 ? ? ?????? ?? 2?~nn xxE? (38) ???????? ???????? ?? ?? ?21~pk knknxxE ?? (39) 最佳預(yù)測(cè)器將使均方誤差( MSE)最小。為此,可使 ? 對(duì)抽頭系數(shù) j? 求導(dǎo),并令其為零,得到方程組以求解出最佳抽頭系數(shù) j? , j=1, 2,?, p ,即 0, 1, 2, .. .,j jp??? ??? (310) 也就是: 120pn k n k n jkE x x x? ???????? ? ?????????? (311) 或?qū)憺椋? 1[ ] [ ]pn n j k n k n jkE x x E x x?? ? ??? ? (312) 當(dāng)量化間距足夠小,量化誤差 ????? ,有 nnxx? ,上式近似為: ? ? ? ??? ??? ?pk jnknkjnn xxExxE 1 ? (313) 利 用序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)定義 2( ) [ ] / [ ]n n jr j E x x E x?? 上式寫為: ? ? pjkjrjr pk k ,2,1,)( 1 ?????? ?? ? ( 314) 或以矩陣式表達(dá)為 : pjj ,2,1,0 ????????? (310) 也就是: 0~~21??????? ???????? ?? ?? ?? jnpk knknxxxE ? (311) 或?qū)憺椋? QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 19 ? ??? ??? ?pk jnknkjnn xxExxE 1~~]~[ ? (312) 當(dāng)量化間距足夠小,量化誤差 ????? ,有 nnxx? ,上式近似為: ? ? ? ??? ??? ?pk jnknkjnn xxExxE 1 ? (313) 利用序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)定義 ? ? ? ?2)( njnn xExxEjr ?? 上式寫為: ? ? pjkjrjr pk k ,2,1,)( 1 ?????? ?? ? ( 314) 或以矩陣式 表達(dá)為 : ??????????????????????????????????????????????????????????????pppppprrrrrrrrr?????????2121211121111 (315) 簡(jiǎn)寫為: R CW? (316) 其中, r(j)簡(jiǎn)寫為下角標(biāo)形式 rj,r(0)=1。矩陣 C是由歸一化自相關(guān)函數(shù)序列構(gòu)成的 Toeplitz 矩陣。求解得出預(yù)測(cè)器的最佳抽頭系數(shù)矩陣為 1W C R?? (317) DPCM 的系統(tǒng)性能分析 設(shè)信號(hào) )(tm 的平均功率為: cscs fffAS 22 222 22m a x20 822 ???? ??? (318) 由于誤差范圍 ),( ???? 被量化為 M 個(gè)電平,所以 2/)1( ?? ??? M 。其中 ?? 為量化級(jí)之間的間隔。則由式 cscs fffAS 22 222 22m a x20 822 ???? ??? , 可得到信號(hào) )(tm 的平均功率為: QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 20 cscs f fMffS 22 22222 220 32 )()1(8 ? ??? ???? (319) 下面求 DPCM 系統(tǒng)的量化噪聲功率 qN 。此時(shí)誤差信號(hào)的量化誤差的范圍為)2/,2/( ?? ??? ,根據(jù)式 ? ? 12 )()( 22 ????? sqq KTeN ,可以得到此時(shí)的量化噪聲功率為: 12/)( 2???tqN (320) 假設(shè)量化后的誤差信號(hào)具有均勻的功率譜密度,而 DPCM 系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)的碼元速率為 ,所以可以認(rèn)為噪聲頻譜均勻地分布于頻帶寬度為的范圍內(nèi),所以可求得此時(shí)的單邊功率譜密度為 : NfsfP 12 )()(2??? (321) 經(jīng)截止頻率為 的低通濾波器后,得到噪聲功率為 : s mmq NffffPN 12 )()( 2???? (322) 可算出 DPCM 系統(tǒng)的輸出信噪比為 : mcsq fffMNNS232208 )1(3 ??? ? (323) 其中 N為編碼位數(shù), M=2N; fs 為抽樣頻率。 因此,由式 323 可知信號(hào)量噪比隨編碼位數(shù) N和抽樣頻率 fs的增大而增大。 DPCM 的 Simulink 仿真 Simulink 模塊庫(kù)中提供了 DPCM 編碼模塊“ DPCM Encoder”、解碼模塊“ DPCM Decoder”等,利用這些模塊構(gòu)建 DPCM 串行傳輸仿真模型 [7],如圖 33所示。 圖 33 DPCM串行傳輸系統(tǒng)仿真模型 信號(hào)源輸出 200Hz 正弦波,經(jīng)放大、 DPCM 編碼輸出,再經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 21 制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道。解碼端信道輸出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換送入 DPCM 解碼,之后輸出解碼結(jié)果并顯示波形。 改變信道錯(cuò)誤比特率,以觀察信道誤碼對(duì) DPCM 傳輸?shù)挠绊憽.?dāng)信道錯(cuò)誤比特率為 時(shí)仿真結(jié)果和波形如圖 34所示。 圖 34 系統(tǒng)的輸出波形圖 由圖 34可知,對(duì)應(yīng)于信道產(chǎn)生誤碼的位置,解碼輸出波形中出現(xiàn)的干擾脈沖,干擾脈沖的大小取決于信道中錯(cuò)誤比特位于一個(gè) DPCM 編碼字串中的位置,位于高位時(shí)將導(dǎo)致解碼值極性錯(cuò)誤,這時(shí)引起的干擾最大,而位于低位的誤碼引起的干擾最輕微。 信道誤碼對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量影響的仿真分析 以一語(yǔ)音文件 為信號(hào)源,基于前面最佳預(yù)測(cè)器的理論來(lái)進(jìn)行仿真分析。 最佳預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)的確定 先計(jì)算一段采樣率為 8000Hz 的語(yǔ)音信號(hào)(文件名 )的最佳預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)。給定預(yù)測(cè)器的階數(shù) P=5。 首先估計(jì)出語(yǔ)音信號(hào)的歸一化自相關(guān)函數(shù)值 rj,j=1,?, 5,常用的估計(jì)方法是: 11[ ] , 0 , .. .,Njn n j i i jiE x x x x
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