数字通信系统仿真

西南石油大学

“通信工程2012级专业综合实践”

报告

报告题目：数字通信系统仿真和实现

学院：电气信息学院

作者：

联系方式：

辅导老师：苏赋

完成日期 2016年 1月 12日一、设计任务

（1）通过使用MATLAB中的SIMULINK仿真平台，搭建了仿真模型，来对比分析通信系统的性能，

设计要求：

选择2种以上合适的调制方式；选用2种以上噪声信道；

选择2种以上的信源编码方式；选用2种以上的信道编码方式。

性能分析要求：

比较不同信源、信道编码方式对系统的影响；

比较噪声信道变化时对系统的影响；比较不同的信道带宽对系统的影响；

比较不同调制方法对系统的影响。

性能指标包括：误码率、传输速率、流量。

（2）通过编写MATLAB程序，实现仿真中的具体调制方式、信源编码和信道编码。二、设计原理

图1 数字通信系统模型

数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图1所示。它的主要组成结构为信源编/译码器、加密/解密模块、信道编/译码器，数字调制/解调器和信道。

由信源编码器输出的二进制数字序列成为信息序列，信源编码的主要目的其一是减少码元数目，降低码元速率，提高通信的有效性，其二可以使模拟信号数字化进行传输。之后它传送到加密模块，信息序列通过加密模块主要是为了保证通信的安全。加密后的序列送入信道编码器。信道编码器的目的是在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收机中用来克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响。因此，所增加的冗余是用来提高接收数据的可靠性以及改善接受信号的逼真度的。

三、设计软件

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

四、设计方案

（一）信源编码

本次设计分别采用两种时间波形编码，一是A律PCM脉冲编码调制，二是μ律PCM 脉冲编码调制。

1.非均匀量化

非均匀量化是根据喜好的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就越大。非均匀量化是一种在整个动

态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率

密度函数来分部量化电平，以改善量化性能。及均匀量化相比，有两个主要优

点：

（1）当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可得较高的平均信号量化噪声功率比。

（2）非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上及信号抽样值成比例。

因此，量化噪声对大小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化

信噪比。

通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩，即y=ln x。广泛采用的两种对数压缩特性是μ律压缩和A律压缩。美国采用μ律压缩，我国和欧洲各国均

采用A律压缩，下面分别讨论两种压缩的原理。

2.A律压扩

A律压缩的压缩特性为

y={

Ax

1+lnA

,1≤x≤1

A

（a）

1+lnAx 1+lnA ,1

A

≤x≤1 （b）

其中，上式中(b)是A律的主要表达式，但它当x=0时，y→∞，这样不满足对压缩特性的要求，所以当x很小时应对它加以修正。A为压缩参数，A=1时

无压缩，A值越大压缩效果越明显。

在现行的国际标准中A=87.6，此时信号很小时(即小信号时)，从上式可以看到信号被放大了16倍，这相当于及无压缩特性比较，对于小信号的情况，

量化间隔比均匀量化时减小了16倍，因此，量化误差大大降低；而对于大信

号的情况例如x=1/A，量化间隔比均匀量化时增大了5.47倍，量化误差增大

了。A律压缩通常采用13折线来近似。

3.μ律压扩

μ律压缩的压缩特性为

y=ln (1+μx)

ln (1+μ)

, 0≤x≤1

其中，μ是压缩系数，y是归一化的压缩器输出电压，x是归一化的压缩器输入电压。μ=0时，压缩特性是一条通过原点的直线，故没有压缩效果，

小信号性能得不到改善，μ值越大压缩效果越明显，一般当μ=100时，压缩

效果就比较理想了。

在国际标准中取μ=255。μ律一般采用15折线来近似。

（二）信道编码

本次设计采用线性分组码及循环码。

1.线性分组码

既是线性码又是分组码的码称为线性分组码。监督码元仅及本组信息码元有关的码称为分组码，监督码元及信息码元之间的关系可以用线性方程表

示的码称为线性码。因此，一个码子中的监督码元只及本码子的信息码元有

关，而且这种关系可以用线性方程来表示的就是线性分组码，通常表示为

(n,k)。

2.循环码

循环码是线性码的一个重要的子类，它有以下两大特点：第一，码的结构可以用代数方法来构造和分析，并且可以找到各种实用的译码方法；第二，

由于其循环特性，编码运算和伴随式计算，可用反馈移位寄存器来实现，硬

件实现简单。

（三）通信信道

信道是通信系统的基本环节之一。在通信系统中，发送端产生的数据通过信源编码和信号调制转化成调制信号，然后进入信道。这些调制信号通过信道

到达接收端，在接收端通过及发送端相反的过程得到原始数据。系电脑的传输

质量影响着信号的接收和解调。

1.加性高斯白噪声信道

如果噪声的取值服从零均值高斯分布，而任意不同时刻的取值互相独立，则称这样的噪声信号为高斯白噪声(AWGN)。高斯白噪声的自相关函数为一

个冲激函数，其功率谱密度函数为常数。

2.瑞利衰落信道

瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞

利分布。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建

筑物密集的城市环境。12瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信

号（LoS，Line of Sight）的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型。

（四）数字调制

数字调制是现代通信的重要方法，它及模拟调制相比有许多优点。数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输

系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信源编码、

加密技术以及均衡等。

1.二进制相移键控(BPSK)

BPSK二进制相移键控。是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准

的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送

接受2值(1比特)的信息。

2.二进制查分相移键控(DBPSK)

DBPSK信号的产生方法是先对基带信号进行查分编码得到差分码，在对差分码进行BPSK调制。

五、设计过程及分析

（一）不同信源编码

信源编码分别采用A律压扩及μ律压扩。输入正弦模拟信号，采用bpsk调制，crc循环冗余校验码，输出误码率曲线。整体框图如下图5-1示

图5-1

Signal generator 设为正弦波，频率幅度均为1。如下图5-2示：

图5-2

Subsystem为信源编码模块，A律压缩如下图5-3示，μ律压缩如下图5-4示。

图5-3

图5-4

加性高斯白噪声信道设置如下图5-5示

图5-5

示波器输出波形，A律压缩如图5-6示，μ律压缩如图5-7示：

图5-6

图5-7

输出误码率曲线如下图5-8所示：

图5-8示

（二）不同信道编码

信道编码分别采用线性分组码及CRC循环冗余校验码，信源输入如前文A 律压扩一致，系统框图如前文图5-1一致，改为使用线性分组码，如图5-9

示。

图5-9

线性分组码示波器输出如图5-10示。

图5-10

输出误码律曲线如图5-11示：

图5-11

（三）不同调制方式

数字调制方式分别采用bpsk和dbpsk，信源编码为A律压扩的pcm编码，信道编码采用CRC,系统框图如图5-12示

图5-12

示波器输出如图5-13示：

图5-13

输出误码率曲线如图5-14示：

图5-14

（四）不同噪声信道

噪声信道分别采用加性高斯白噪声信道和加性高斯白噪声+莱斯衰落信道，信源编码同前采用A律pcm编码，信道编码采用CRC,数字调制方式为BPSK,系

统框图如下图5-15示。

图5-15

示波器输出如图5-16示：

图5-16

误码率曲线如图5-17所示：

图5-17

（五）性能分析

由前文讨论可以看出A律压缩性能好于μ律压扩，线性分组码性能好于CRC码，BPSK调制优于DBPSK,加入莱斯衰落后对于系统影响较大。当然，通信系统的性能受多种因素影响，需要综合考虑整个系统所使用的结构。

参考资料：

1.张水英《通信原理及MATLAB/Simulink仿真》人民邮电出版社

2.张德丰《MATLAB通信工程仿真》机械工业出版社

3.樊昌信《通信原理》国防工业出版社