王兴亮数字通信原理

目录1.通信原理 (1)2.二进制移频键控(2FSK)原理 (2)3.2FSK的调制与解调仿真 (6)总结 (11)参考文献 (11)1、通信原理通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。

通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。

当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1-1所示。

→→→→信息源发送设备信道接收设备受信者↑噪声源图1-1通信系统一般模型通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。

数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示，→→→→→→→→信数信信数信信源道字受道源字信息编编调 解译译信源码码调码码者制道器器器器器器 ↑噪声源图1-2 数字通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。

→→→→信息源调制器信道解调器受信者↑噪声源图1-3 模拟通信系统模型数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。

因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。

近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。

然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。

必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

图 1-4数字调制系统的基本结构数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。

课程设计任务书学生姓名：专业班级：通信0906班指导教师：尹勇工作单位：信息工程学院题目:汉明码的性能分析初始条件：MATLAB软件，电脑，通信原理知识要求完成的主要任务:输入信号：速率为100Bd的矩形信号信道：AWGN要求：画出编码器输入、输出信号，信道的输出信号，译码器的输出信号的波形、频谱以及误码率与译码器输入信噪比的关系曲线参考书目:徐明远主编《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用》王兴亮主编《数字通信原理与技术》孙屹吴磊主编《Simulink通信仿真开发手册》葛哲学主编《精通MATLAB》樊昌信曹丽娜主编《通信原理》时间安排：第1周，安排任务（鉴主15楼实验室）第1-17周，仿真设计（鉴主13楼计算机实验室）第18周，完成（答辩，提交报告，演示）指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (3)Abstract (4)1.引言 (5)2.设计原理 (6)2.1汉明码编码原理 (6)2.2汉明码纠错原理 (8)2.3程序函数及命令介绍 (9)3．仿真与程序 (11)3.1仿真 (11)3.1.1 SIMULINK仿真 (11)3.1.2 模块属性设置 (12)3.1.3 M文件程序 (14)3.1.4仿真结果 (15)3.1.5调试 (20)3.1.6结果分析 (20)3.2程序 (20)3.2.1程序 (20)3.2.2调试结果 (21)3.2.3结果分析 (22)4.总结 (23)参考文献 (24)摘要随着信息时代和数字世界的到来，通信原理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。

在通信原理中起着重要的作用并已获得广泛应用的是汉明码。

汉明码是一种能够自动检测并纠正一位错码的线性纠错码，即SEC码，用于信道编码与译码中，提高通信系统抗干扰的能力。

MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。

它是美国的MathWorks公司推出的一套用于科学计算和图形处理可视化、高性能语言与软件环境。

一、实习目的：1、学习使用SYSTEMVIEW的方法并构建简单的仿真系统。

2、掌握2FSK的调制基本原理。

3、掌握2FSK不同的解调方法。

4、完成对2FSK调制与解调仿真电路设计并观察其波形及其功率谱密度。

二、实习仪器：计算机，SystemView软件。

三、设计内容：1、设计原理：数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。

数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的率。

2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。

从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。

模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。

2FSK 键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。

键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。

2FSK系统分调制和解调两部分。

①调制部分：2FSK信号的产生方法主要有两种。

第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如(a)图所示，使其能够输出两个不同频率的码元。

第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如(b)图所示。

这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号，在相邻码元之间的相位是连续的，如(c)图所示；而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续，如(d)图所示。

本次设计用模拟调频法实现2FSK信号。

(c)相位连续 (d)相位不连续根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列，本次实习用阻塞得到s(t)单极性信号。

，为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即。

课程概述•课程的若干个实验围绕一个基本项目进行，该项目的目的为设计并实现一个电信传输系统•采用基于软件无线电的设计思想来实现•在实验过程中运用“项目教学法”思路及实施方法，以“兴趣驱动、自主实验、重在过程”为实施原则，以完成项目为实验中心目标•通过完成项目的过程来达到学习和掌握相关知识和技能的目的，培养学生创新意识和创新能力课程概述•本课程的实验基于一块数字通信信号处理板，该平台上包扩一片Xilink公司的FPGA、一片高速ADC 和一片高速DAC•利用ISE软件进行开发，工具为Verilog或VHDL硬件描述语言•将学习VHDL硬件描述语言、ISE软件开发工具、系统设计及子模块划分的方法•通过一个系统项目的实现，掌握现代电子开发工具的使用、自顶而下的系统设计方法及模块化的底层实现技巧授课内容•理论课一：课程简介、电信传输系统介绍、背景知识讲述、系统方案设计•理论课二：FPGA基本原理介绍，自顶而下的模块化设计思想讲解•理论课三：FPGA设计思想讲解，ISE开发工具使用介绍•理论课四：VHDL/Verilog硬件描述语言讲解，Modelsim仿真工具使用介绍•理论课五：PSK调制原理、算法流程讲解•理论课六：PSK解调原理、算法流程讲解授课内容•实验课一：熟悉实验平台，掌握FPGA的操作方法，了解ADC和DAC的作用•实验课二：学习ISE软件的实际操作使用，学习利用VHDL（或Verilog）硬件描述语言进行简易编程•实验课三：进一步熟悉ISE软件的使用，进行ADC采样和DAC驱动实验•实验课四：DBPSK数字调制实验一，内容包括原理介绍，组帧、差分编码、BPSK映射•实验课五：BPSK数字调制实验二，内容包括成形滤波、数字上变频实验授课内容•实验课六：DBPSK数字解调实验一，内容包括原理介绍，数字下变频、匹配滤波实验•实验课七：DBPSK数字解调实验二，内容包括原理介绍，符号同步实验•实验课八：DBPSK数字解调实验三，内容包括原理介绍，载波同步、BPSK判决实验•实验课九：DBPSK调制解调联调实验，内容包括原理介绍，调制解调收发功能联调实验•实验课十：DBPSK调制解调联调实验，内容包括原理介绍，调制解调收发性能联调实验参考文献•数字通信原理与技术，王兴亮主编•ISE应用与开发技巧•VHDL数字电路设计教程电信系统概述•传递信息所需的一切技术设备的总和，称为通信系统•克服距离上的障碍，迅速而准确的传递信息，是通信的基本任务•以电磁波为传输载体的通信系统，就是电信传输系统•现代通信系统即是电信传输系统，是信息时代的生命线，现代通信网已不再是单一的电话网或电报文字通信网，而是一个综合性的为多种信息服务的通信网，以下用通信系统代替电信系统通信系统组成•信息源和收信者：根据信息源输出信号的性质不同可分为模拟信源和离散（数字）信源通信系统组成•模拟信源（如电话机、电视摄像机）输出连续时间连续幅度的信号•数字信源（如电传机、计算机）输出离散的符号序列或文字，模拟信源可通过抽样和量化变换为数字信源，目前数字信源的种类和数量越来越多，而模拟信源越来越少•数字信源的传输速率用信息速率来表示，单位为bit/s，目前通信的信息传输速率越来越高通信系统组成通信系统组成•发送设备：发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成便于传送的信号形式，送往传输媒介通信系统组成•变换方式很多，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式•对于数字通信系统来说，发送设备又可分为信道编码与信源编码两部分•信源编码是把连续消息变换为数字信号，而信道编码则是使数字信号与传输媒介匹配，提高传输的可靠性或有效性•发送设备还包括某些特殊处理，如多路复用、加密等通信系统组成•传输媒介：从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，可以是无线的，也可以是有线的（包括光钎）通信系统组成•接收设备：接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等，从带有干扰和噪声的信号中正确恢复出原始消息来•对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路•在大多数场合下，信源兼为收信者，双方可以双向通信•如果双向有各自的传输媒介，则双方可以独立收发，否则必须用频率或时间分割等共享传输媒介通信系统组成•通信系统除了完成信息传递之外，还必须进行信息的交换，传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，乃至通信网络•交换系统所用的设备为交换机通信系统分类•根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和调制传输•基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频室内电话、数字信号基带传输•调制传输是对各种信号变换方式后传输的总称–将消息变换为便于传送的形式–提高性能，特别是抗干扰能力–有效地利用频带通信发展简史通信发展简史主要通信传输手段•电缆通信：电缆通信是最早发展起来的通信手段，历史悠久，在通信中占有突出地位，目前主要用于短距离通信，长途逐渐被光钎取代•微波中继通信：属于无线传输，因此成本较低，建设周期短，但带宽受限•光钎通信：容量大、成本低，不怕电磁干扰，为目前主要的长距离传输媒介•卫星通信：通信距离远，覆盖面积大，不受地形限制，传输容量大，可靠性高•移动通信：现代通信中发展最迅速，应用最广泛通信系统的性能度量•通信的任务是传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的指标•有效性指在给定信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性指接收信息的准确程度•模拟通信系统的有效性用有效传输带宽来衡量，可靠性用接收端最终输出的信噪比来度量•数字通信系统的有效性用信息传输速率来衡量，可靠性用误比特率来衡量•可靠性和有效性是可以互换的，而其极限性能遵从信息论中著名的香农公式软件无线电设计•软件无线电是二十实际末提出的一种新的设计思想，即以现代通信理论为基础、以数字信号处理为核心、以微电子技术为支撑的软件可编程定义的无线电•软件无线电突破了传统无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以可编程的硬件作为通用平台，尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能软件无线电设计软件无线电设计•软件无线电的设计思想是将宽带A/D和D/A的变换尽可能地靠近天线，对数字化后的信号采用数字信号处理(DSP)技术，在可编程控制的硬件平台上，利用软件来实现无线电台的各部分功能•整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全由软件编程来实现•软件无线电对硬件的依赖程度很小，具有高度的开放性、灵活性和可编程性，使得通信系统的开发将重点放在软件的研究上，因此可以很好的解决通信系统的标准问题，极大缩短通信系统开发的时间和成本软件无线电设计•理想的软件无线电在天线之后就进行数字化，并使所有的过程软件化和可编程化•理想的软件无线电台是对天线接收的模拟信号经过放大后直接采样，实现完全的可编程性，其后所有的信号处理全部由ADC变换器之后的可编程芯片处理•软件无线电已经成为继固定通信到移动通信之后的无线通信领域的又一突破软件无线电关键技术•射频天线：软件无线电的射频段应具备接入多个波段甚至覆盖全波段的功能，它具有频率高、带宽宽的两大特点•宽带ADC转换：软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近RF端，这样高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围就提出了较高的要求，可以将RF先变频至IF，再进行ADC采样，可以降低采样率软件无线电关键技术•高速数字信号处理：数字信号处理和数字控制的方案大致有数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑器件（FPGA）、可由参数控制的硬件电路、用户定制集成电路（ASIC）四种，可编程性能为DSP最高（可用汇编或C语言），后者依次降低，ASIC不具编程能力，运算速度则相反，以ASIC为最高，DSP最低，功耗以DSP为最高，ASIC最低•高性能的总线结构：由于需要进行高速的A/D/A变换及数字信号处理，各个处理器之间需要进行高速数据交互，系统总线必须具有极高的I/O传输速率FPGA背景知识•现场可编程门阵列（FPGA）是在专用ASIC的基础上发展出来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点•与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便•随着VlSI(Very Large Scale IC，超大规模集成电路)工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百上千万个晶体管，FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大•目前，FPGA的容量已经跨过了千万门级，使得FPGA 成为解决系统级设计的重要选择方案之一FPGA背景知识•和其他通用DSP相比，FPGA在处理方式上和设计编程上有很大的区别，它更强调数据的平行处理和流水线处理并且有更强的灵活性和可编程型，所以FPGA在定点数据处理方面有很大的优势•目前的FPGA是基于查找表结构，查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM•目前FPGA中多使用4或6输入的LUT，所以每一个LUT 可以看成一个有4或6位地址线的16x1或64x1的RAMFPGA背景知识•当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM•每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可•这种结构更接近于硬件实现，而且不同的硬件算法不同的编写方式对资源的使用和速率的提高影响很大，象面积与速度互换，并串转换等，都是在运行速度与所耗资源方面进行调整模块化设计•模块化设计是一种自上而下（Top-Down）的设计方法，它是从系统级开始，把系统划分为基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用基本语句或元件来实现为止•在硬件描述语言（HDL，如Verilog HDL、VHDL）中，模块化设计是其最基本的思想，其中最基本的单元就是模块模块化设计模块化设计•自顶向下的设计方法方便了从系统划分和管理整个项目，使得几十万门甚至几百万门规模的复杂数字电路的设计成为可能，并可减少设计人员，避免不必要的重复设计，提高了设计的一次成功率•由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，所以能够早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑仿真的工作量模块化设计模块化设计EDA技术•EDA (Electronics Design Automation)即电子设计自动化，是以计算机硬件和系统软件为基本工作平台，继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科的最新科技成果而研制成的商品化通用支撑软件和应用软件包•EDA技术旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB（印刷电路板）的自动设计等EDA技术•EDA技术的范畴包括电子工程师进行产品开发的全过程，以及电子产品生产全过程中期望由计算机提供的各种辅助工作•EDA技术可粗略分为系统级、电路级和物理实现级三个层次的辅助设计过程•EDA技术还包括电子电路设计的各个领域：即从低频电路到高频电路、从现线性电路到非线性电路、从模拟电路到数字电路、从分立电路到集成电路的全部设计过程EDA技术EDA技术的基本特征•并行工程和“自顶而下”设计方法•硬件描述语言（HDL）：硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征，便于组织大规模系统的设计，且设计与工艺无关•逻辑综合与优化：逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译成门级逻辑的电路描述，做到了设计与工艺的独立•开放性和标准性：任何一个EDA系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构，就可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作•库（Library）的引入EDA技术的基本工具数字调制解调概述•通信的任务是完成消息的传递和交换，调制解调器是其中的关键部分，调制器的作用是对待传输的信号或信息进行某种变换或处理，使之适应信道的传输特性要求；解调器则完成相逆的任务，从接收到的调制信号中将原始信号或信息恢复出来信道干扰数字调制器数字解调器信道编码器信源编码器信道译码器信源译码器信源信宿调制信道编码信道数字调制解调概述•常见的基本数字调制方式主要包括振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），其中以PSK用得最多。

《通信原理A》教学大纲英文名称：Communication System Principles学分：4.5学分学时：72学时理论教学：58学时实验学时：14学时先修课程：概率统计与随机过程、信号与系统、数字电路适用专业：通信工程专业教学目的：本课程是通信工程系本科生的专业基础课，是学生学习专业课和从事本专业的科研、生产工作必备的理论基础。

通过本课程的学习，使学生掌握通信系统的基本概念和基本规律，熟悉常用的各种通信手段及性能，对通信理论与实践的结合有具体的认识，是培养该专业学生扎实的理论基础与应用能力重要的环节。

教学要求：本课程的教学与学习要侧重于准确理解数字通信的基本概念和基本规律；掌握随机信号与噪声分析的数字手段；熟悉数字通信、模拟信号数字化和数字信号最佳接收原理；理解数字通信中的编码和同步等技术。

教学内容：第一章绪论（4学时）1．通信系统的组成2．通信系统的分类及通信方式3．信息及其度量4．主要性能指标基本要求：掌握通信系统的分类方法。

重点：信息度量。

难点：数字系统的传输速率。

第二章随机信号的分析（6学时）1．随机过程的一般表述2．平稳随机过程3．平稳随机过程的相关函数与功率谱密度4．高斯过程5．窄带随机过程6．正弦波加窄带高斯过程7．随机过程通过线性系统基本要求：随机过程的主要数字特征：数学期望、方差、相关函数；高斯噪声；窄带信道。

重点：平稳随机过程的功率谱与自相关函数是一对傅立叶变换。

难点：平稳窄带高斯噪声的特征。

第三章信道（5学时）1．信道定义2．信道数学模型3．恒参信道举例4．恒参信道特征及其对信号传输的影响5．随参信道举例6．随参信道特征及其对信号传输的影响7．随参信道特性的改善——分集接收8．信道的加性噪声9．信道容量的概念基本要求：信道的基本概念和特性；通信中可能存在的各种噪声；多径传播。

重点：信道容量的计算。

难点：离散信道的信道容量。

第四章模拟调制系统（6学时）1．幅度调制的原理及抗噪声性能2．非线性调制（角度调制）的原理及抗噪声性能3．各种模拟调制系统的比较4．频分复用（FDM）5．复合调制及多级调制的概念基本要求：掌握调幅（AM）、双边带(DSB)、残留边带（VSB）和单边带（SSB）原理及它们的噪声性能。