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1、. . .基于PC机声卡的数据传输系统设计与实现毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 选题背景意义11.2 论文主要容21.3 总体方案设计32 数字编译码52.1 信源编译码52.2 信道编译码62.2.1 差错控制技术概述62.2.2 卷积码编码的实现72.2.3 维特比译码的实现93 数字调制解调与同步113.1 DQPSK数字调制实现113.1.1 DQPSK调制113.1.2 脉冲成型123.2 DQPSK数字解调实现163.3 系统同步183.3.1 载波同步183.3.2 位同步214 通信仿真验证平台224.1 声卡的编程控制224.2 通信平台的GUI设
2、计及程序实现244.2.1 通信平台的GUI设计244.2.2 通信平台的程序设计实现264.3 通信软件功能介绍及测试294.3.1 实时通信界面介绍294.3.2 实时通信测试314.3.3 波形查看窗口335 总结与展望355.1 总结355.2 展望35致 谢37参 考 文 献38.参考资料. . .1 绪论1.1 选题背景意义近年来随着技术的进步，特别是超大规模集成电路技术和工艺的发展，个人计算机等多媒体终端不仅在性能上大幅度提升，而且制造成本的降低也使得计算机等多媒体终端更为普及。而另一方面，设计并实现一个通信系统必须专业的通信设备支持，虽然专业设备性能更好，但专业设备较为复杂、开
3、发难度高、开发周期较长、成本高，这对于学生通信实验及研究、通信功能仿真与验证、简单通信系统设计与开发等非常不利。软件无线电概念从90年代提出至今，发展迅速；并由于其灵活性和可重配置性特点符合通信的发展趋势，所以其一直是通信领域的研究重点1。它的出现已然使无线电通信经历了由硬件到软件的第三次变革，其创新及意义丝毫不亚于无线电通信由固定到移动、由模拟到数字的两次变革。软件无线电是基于软件定义的无线通信协议而非硬件连线实现，换而言之，频带、空中接口协议和通信功能均由软件实现，并可进行修改、更新和动态加载2。其核心思想就是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用通信平台，将各种通信功能如频带、波形、调
4、制解调类型、信道编解码、通信协议等用软件来实现，通过动态加载软件来实现不同的通信功能，从而研制出具有高度开放性、灵活性和可重配置的无线通信系统3。软件无线电的一般组成框图如图1.1.1所示，主要由前端的射频模块和高速A/D-D/A转换器，以及后端的实时信号处理器和各功能软件模块组成4。软件无线电由于其开放性的系统结构、功能的模块化及软件化、平台的通用性及兼容性强等技术特点，其必然会成为未来无线电的发展方向。图1.1.1 软件无线电基本结构由于软件无线电发展还不够成熟，现今的软件无线电设备特别是高带宽的软件无线电设备还非常的昂贵。而得益于超大规模集成电路技术等的进步，计算机和声卡的性能得到大幅度
5、提升，且制造成本的降低也使得计算机得以普及5。PC声卡可进行A/D-D/AD的转换，其采样频率和采样精度均可编程控制。采样频率能够满足一般的基带信号的采样，市场现有声卡最高可达200KHz；而采样位数可达24位，分辨率高；采样通道为多通道，灵活性强且计算机可为其分配较大的缓存空间。专业的DSP数字信号处理器虽然处理信号速度快，但它也有一些弊端，比如开发难度较高、周期长、成本较高、需要其它器件如存储器的辅助支持。而现在的CPU性能已经大幅度提升，CPU的处理速度和存的容量已经能够完全代替DSP胜任常规数字信号的实时处理6。所以本文基于软件无线电思想，利用计算机和声卡来构建一个通信仿真验证平台。该
6、通信仿真验证平台用软件来实现并动态加载各通信功能模块，并以DQPSK为例验证了整个系统功能的可行性。该平台基本架构与软件无线电的基本架构相似，声卡对应于高速A/D-D/A转换器，计算机CPU对应于DSP。基于计算机和PC声卡搭建的这个通信仿真验证平台具有很多优势：平台结构是标准化、模块化的，具有较强的开放性，易于新技术的应用。其硬件可以随着技术的发展而更新，而其软件部分也可以不断的升级，其兼容性也较强，可以同其它通信设备进行通信。平台是用面向对象的高级语言VC+编写的，开发简单、开发周期短；平台是基于软件无线电思想搭建的，通信功能均由模块化软件实现，通用性、可重配置性、灵活性更强，可以实现AS
7、K、PSK、FSK等多种通信方式；平台可编写噪声信号程序仿真信道特性等，能够很好的进行抗干扰性能测试等仿真验证；PC声卡作为计算机的一个模拟信号输入输出接口，其作用不同于串口和USB口传输数据信息，它可以直接输出经过调制好后的模拟信号到电台或网进行传输。这在短波通信领域特别是应急通信领域作用非常大，可以直接在计算机上用软件实现多种短波通信，如CW、RTTY、PACTOR、PSK31等，并通过音频线连接到电台进行远程传输；同样也可以通过有线信道进行传输，如线和音频线等，可利用现有网进行传输7。平台的硬件设备是计算机和PC声卡，普及率极高，不需另外购置硬件设备，相对于昂贵的专业软件无线电设备，更适
8、合学生进行通信实验及研究、通信系统仿真验证、简单通信系统的开发。1.2 论文主要容本论文基于软件无线电思想，利用声卡和计算机的硬件平台来搭建一个通信仿真验证平台，并在此平台用软件实现DQPSK双工通信。整个通信系统的调制与解调、信源编译码、信道编译码等通信功能均由软件实现并动态加载，并最终利用MFC生成相应通信软件。主要容： 可变长度编解码、卷积码编码和维特比译码原理及软件实现； DQPSK信号调制与解调原理及软件实现 载波同步、锁相环、脉冲成型原理及软件实现 VC+对声卡的编程控制； 基于PC声卡的仿真验证平台的搭建及整体通信系统的MFC实现。1.3 总体方案设计要实现基于PC声卡的通信系统
9、，如图1.3.1为通信方案结构图。图形用户界面层主要用于输入输出消息、命令、通信参数、波形等信息。而通信接口层主要用于上层图形用户界面层与下层通信执行层的一个接口层，传递各种参数、指针、消息、启动接收或发射线程等。下层通信执行层即通信协议层，主要执行相应通信方式的具体功能，有编译码和调制解调，还有控制声卡将调制后的数字信号转换成模拟信号输出，或者控制声卡对输入模拟信号进行采样转换成数字信号。图1.3.1 通信方案结构图如图1.3.2、图1.3.3和图1.3.4为三种通信实物连接图，声卡在其中的主要作用是将数字信号转换成模拟信号输出或对模拟信号采样转换成数字信号输入。而信号的信道传输可以直接通过
10、3.5mm音频线连接两台电脑，进行传输如图1.3.2；也可以用音频线连接一台电脑的输入输出，在一台电脑上进行发送和接收信号；还可以通过音频线将信号连接到射频端如电台将信号通过无线信道进行传输，这种可以用短波电台进行远程传输非常方便。图1.3.2 音频线连接两台电脑通信图1.3.3 音频线连接一台电脑的输入输出进行通信图1.3.4 连接电台进行无线通信有了可实现通信的平台，仍需要一个具体的通信方式来在这个平台进行实现。查阅了一些相关资料之后，最终选择了差分四相键控（DQPSK），它是较为常用的数字信号调制方式，具有频谱利用率低、抗干扰性强、实现简单等优点，被广泛应用于无线通信中。通信流程如图1.
11、3.5所示，而具体的每一个通信模块原理及实现方式将在后续章节详细介绍。图1.3.5 主通信流程. . .2 数字编译码2.1 信源编译码信息源将消息转换成原始电信号之后，为了提高信息传输效率、减小输出序列的剩余度、提高平均信息量，通过某种数据压缩编码技术对信源输出符号序列进行压缩变换，减少码元数量降低码元速率，最终降低传输带宽提高通信有效性，而信源译码或称解码是其逆过程。具体说来，就是针对信源输出的统计特性寻找一种编码方法将序列变成最短码字并输出，使码元平均信息量增时又保证能无失真的恢复原始序列。信源编码有多种，此处采用了编码效率很高的Varicode码，Varicode码是一种哈夫曼编码（H
12、uffman Coding）。哈夫曼编码属于可变字长编码（VLC），即用长度不等的码字提高有效性。该方法完全依据字符出现的概率来构造长度最短、最佳的码字，有时候又称其为最佳编码8。该编码是一种基于符号的概率分布来进行编码的，符号在信息源中出现概率越大码字长越短，即最常出现的符号相应的码字越短；同样，出现概率越小的符号相应的码字越长，从而使信源在传输信息时传输的码最短即传输效率最高，它在可变字长的编码中也是最佳的。而在计算机信息处理中，哈夫曼编码是一种一致性编码，用于无损耗数据压缩。程序中我们用一特殊码表如图2.1.1，采用查表法对信源数据进行编码。这码表特别之处是建立在源字符出现估算的概率上的
13、，为了提高效率，将常用字符分配短的编码，如字母“e”是英语中经常使用的字符分配二进制11，而将长的编码分配给不常用的字符，如“z”分配111010101。可变长度编码方式提高了编码效率，加快了字符传输速度。图2.1.1 可变长编码在CPSKMode类中有：m_TsShiftReg=VARICODE_TABLEch&0xFF，其中变量ch是从键盘输入得到的8bit的ASCII字符。而VARICODE_TABLE256是一个256个元素的数组即为编码表，程序通过ch&0FF对数组VARICODE_TABLE进行查表并将得到的可变长码字输入变量m_shiftReg保存用于后面进行信道编码。而信源译码
14、同样是采用查表技术，只不过是信源编码的逆过程。2.2 信道编译码2.2.1 差错控制技术概述一个通信系统的性能指标最为主要的就是有效性和可靠性，而有效性和可靠性的提高往往存在一定矛盾，必须根据系通信统实际要求折中考虑。一般来说在满足一定的可靠性指标下，尽量提高通信的有效性即提高信息的传输速度。上一小节讲的“信源编码解码”技术，主要作用是提高通信的有效性；而这一小节讲的“信道编解码”技术即“差错控制编码”技术，主要是用于提高数字通信系统的可靠性传输技术。由于数字信号在传输的过程中，必然会受到各种干扰的影响，而致使其码元波形产生了变形，故当接收端收到变形的码元波形之后可能会产生错误的判决而导致误码
15、的产生。信号传输中的干扰有两种，第一种“乘性干扰”，由于信道传输特性的不理想产生的误差，通常采用频域均衡或时域均衡技术加以纠正抵消干扰；二种“加性干扰”，信号在传输过程中叠加的噪声信号产生了误差导致了误码，需要采用其它方法加以解决，如合理选择调制解调方以及发送功率，当达不到误码率要求时通常采用差错控制编码技术来加以纠正。从差错控制的角度来看，按照加性干扰引起的错码分布规律不同，可将信道分成三类，即突发信道、随机信道和混合信道。不同信道类型采用不同的差错控制技术，常采用的差错控制技术有以下几种：检错重发法（ARQ）如图2.21，当接收端检测出接收到的信码出错时，即设法通知发送端让发送端重发，一直到正确接收为止。而所谓的检测到错码，是指在接收到的码组中发现有一个或多个错码，但是又不知道具体是哪个码错了，也不能对错码进行纠正而只能要求发端重发。接收端要通知发端重发必须一个反向信道，所以这种差错控制方法需具备双向信道，这也是一个缺陷。图2.2.1 ARQ系统原理框图前向纠错法（FEC）在发送端序列通过差错控制编码，即在发送序列中按照一定的
