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1、1水声通信课程设计水声通信课程设计1课 程 设 计 报 告课程名称：课程名称：水声水声通信原理通信原理设计名称：设计名称：基于声卡的点对点通信实验基于声卡的点对点通信实验小组成员：小组成员：曹安妮（曹安妮（20113006952011300695）李鹏博（李鹏博（20113007042011300704）祁文涛（祁文涛（20113007062011300706）班班级：级：0304110203041102指导教师：指导教师：李斌李斌 教授教授起止日期：起止日期：2014/2014/5 5/2/20-2014/6/210-2014/6/212水声通信课程设计水声通信课程设计2目 录第 1 章 概
2、论21.1 目的与意义 2第 2 章 方案设计32.1 课设题目分析.32.2 系统主要技术指标.32.3 系统方案设计.32.3.1 调制解调方案.42.3.2 同步方案72.3.3 信道编码72.3.4 系统最终方案7第 3 章 具体实现83.1 系统程序流图83.2 系统发射端设计83.3 系统接收端设计10第 4 章 性能分析134.1 性能分析.13第 5 章 总结135.1 课设总结.135.2 心得体会.13附录：实验源程序143水声通信课程设计水声通信课程设计3第第 1 1 章章 概论概论1.11.1 目的与意义目的与意义通信原理这门课对于电子信息工程专业学生而言非常重要， 单
3、纯理论教学对于学生掌握艰深晦涩的理论知识非常困难， 而课程设计给了同学们一个将理论付诸实践的机会，让同学通过课设来发现问题，解决问题，大大促进了学生对课堂所学理论知识的理解，锻炼和培养了学生掌握 matlab 在数字通信工程方面的应用能力， 过程中所建立起的系统的概念将对学生以后的实际应用产生极大的促进作用。综上所述感谢老师给我们这次课设的机会。第第 2 章章 方案设计方案设计2.1 课设题目分析课设题目分析题目题目： 应用 matlab 设计实现一个点对点数字无线通信系统， 实现两台笔记本电脑之间的信息发送和接收。分析分析：题目要求在不借助外网的条件下，通过软件的方式实现两台笔记本电脑之间的
4、信息收发。在最初接到这一题目时，我们设想通过蓝牙方式，在后续分析研究以及老师的提示下，同时结合技术实现可行性，我们小组决定通过声波这一载体实现信息的无线传输过程。2.2 系统主要技术指标系统主要技术指标课设立足于对课堂理论知识的应用实践，所以在不影响系统功能的前提下，我们小组对此通信系统拟实现的技术指标做了一定程度的简化。主要技术指标如下： 1、通信内容上：主要进行数字信息的发送和接收。 2、在一米的范围内实现两台笔记本间的无线通信。 3、信息传输速率方面100bits/s4、误码率方面3410eP4水声通信课程设计水声通信课程设计42.3 系统方案设计系统方案设计一般通信系统的模型基本包括五
5、个部分：信源、调制、信道、解调、信宿。信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信的基本特征是，它所传输的消息或者信号具有“离散”或“数字”特征，从而使数字通信具有许多特殊的问题，数字通信系统概括成一个统一的模型可用下图表示：信源信源编加密信道编调制信道解调信道解解密信源解信宿图 1 通信系统结构分析系统设计实现的重难点在于数字调制解调，同步，信道编码过程，下面我重点从这几个方面谈谈我们的技术方案。2.3.1 调制解调方案调制解调方案方案一：采用方案一：采用 2ASK2ASK 调制调制2ASK 调制原理调制原理振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。 当数字基带信号为二进
6、制时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由 0、1 序列组成，发送 0 符号的概率为 P，发送 1 符号的概率为 1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为(1)5水声通信课程设计水声通信课程设计5其中：2ASK 信号的时间波形 e2ASK(t)随二进制基带信号 s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK 信号） 。2ASK2ASK 解调原理解调原理2ASK/OOK 信号有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法） ，此处不再详述。2ASK2ASK 调制的优缺点分析调制的优缺点分析2ASK 调制系统实现简单，但信息传输速率较低，适合于低速率对信息误码
7、率（可靠性）要求不高的场合。方案二：方案二：2FSK2FSK 调制调制2FSK2FSK 调制原理调制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频率。2FSK 信号便是符号“1”对应于载频 f1，而符号“0”对应于载频f2（与 f1 不同的另一载频）的已调波形，而且 f1 与 f2 之间的改变是瞬间完成的。其表达式为： )cos()cos(212)(nntAtAFSKte典型波形如下图所示。由图可见,2FSK 信号可以看作两个不同载频的ASK 信号的叠加。因此 2FSK 信号的时域表达式又可以写成
8、：)cos()()cos( )()(2_12ns nnn nsnFSKtnTtgatnTtgats2FSK2FSK 调制原理调制原理2FSK 的解调方式有两种:相干解调方式和非相干解调方式，本次课程设计采用的是相干解调方式。根据已调信号由两个载波 f1、f2 调制而成，相干解调先用两个分别对 f1、f2 带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再2( )( )cos( )()cosASKcnsc nets tw ta g tnTw t6水声通信课程设计水声通信课程设计6分别将滤波后的信号与相应的载波 f1、f2 相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可其原理如下：图 2 相干
9、解调原理框图2FSK2FSK 优缺点分析优缺点分析2FSK 调制系统实现简单，信息传输速率较 2ASK 有较大提高，误码率较 ASK有很大改善，适合于中低速率对信息误码率（可靠性）要求较高的场合。方案三：方案三：2DPSK2DPSK 调制调制2DPSK2DPSK 调制原理调制原理2DPSK 信号的产生方法是先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对调相，从而变成二进制差分相移键控信号。2DPSK 信号调制器原理框图如图 2-1 所示。2DPSK2DPSK 的解调原理的解调原理 2DPSK 的解调方法分为两种：一种是相干解调加码反变换即
10、极性比较法，另 一种是差分相干解调即相位比较法。 这里采用的是第一种。7水声通信课程设计水声通信课程设计7其解调原理是：对 2DPSK 信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊带来的问题。2DPSK 的相干解调原理框图如图 2-3 所示2DPSK2DPSK 的优缺点的优缺点2DPSK 调制系统实现较复杂，信息传输速率较 2ASK，2PSK 有较大提高，误码率较 2ASK 和 2PSK 有很大
11、改善，适合于高速率速率对信息误码率（可靠性） 要求较高的场合。2.3.2 同步方案同步方案方案一方案一： 采用 7 位巴克码， 将同步脉冲抽样出来的信息与七位巴克码进行一位一 位的比对，将七位巴克码与抽样信息头完全符合的位置，记为有用信号的开始位 置。 方案二方案二： 采用 7 位巴克码， 将同步脉冲抽样出来的信息与七位巴克码作自相关处 理，自相关函数取最大值的位置记为有用信号的开始位置。2.3.3 信道编码信道编码方案一：方案一：不采用信道编码 方案二：方案二：采用（7,4）汉明纠错码2.3.4 系统最终方案系统最终方案分析本系统拟实现的技术指标， 实现100bits/s速率的数符信号的稳定
12、传输，结合上述各个方案的可实现难易程度，我们小组最终选择：1）调制解调方式采用方案二方案二 2FSK2FSK 调制，相干解调调制，相干解调2）同步方案采用方案一方案一 采用 7 位巴克码，将同步脉冲抽样出来的信息与七位巴克码进行一位一位的比对。 （理论上分析方案二优于方案一，但我们小组在具体编程过程中由于一些问题最终没能实现方案二，最终依然采用方案一） 。3）为了提高系统可靠性，信道编码选择方案二，采用（7,4）汉明码。8水声通信课程设计水声通信课程设计8第第 3 章章 具体实现具体实现3.1 系统程序流图系统程序流图系统通过 matlab 实现的程序流图如下图所示系统具体调制参数： 1)采样
13、率：8000Hz2) 载波频率 1:1000Hz3)载波频率 2:500Hz 4)单个码元采样点数：805)单个码元发送时间：0.01s6)接收时间：6s注：上图来自参考文献与本系统存在些微差异，但总体思想是完全一致的。注：上图来自参考文献与本系统存在些微差异，但总体思想是完全一致的。3.2 系统发射端设计系统发射端设计采用 matlab 自带函数 de2bi 将数字转化为 4 位 2 进制数， 然后通过矩阵变化将其化为行向量，即自然二进制码，最后做 2FSK 调制，调用 sound 函数实现信息的发送。为了增强系统的人机交互性，方便操作演示，我们小组通过 MATLAB 图形用户界面（GUI）
14、对系统发送接收端做了界面化处理。9水声通信课程设计水声通信课程设计9本系统中，向 GUI 设计窗口中添加了若干文本框、按钮、编辑框等，具体方式是从 GUI 设计窗口的控件工具栏中选择不同对象，然后以拖拽的方式在对象设计区建立该对象。在 GUI 设计窗口创建对象后，通过对象属性查看器（Property Inspector）修改或者查看每个对象的属性值；使用菜单编辑器（MenuEditor）创建、设计、修改下拉式菜单；利用位置调整工具（Alignment Tool） 对各个对象的左右、上下位置进行调整；在设计过程中，也不断使用对象浏览器（Object Browser）观察当前设计阶段的各个句柄图形
15、对象；界面中的菜单、按钮等句柄对象的功能实现时通过“Callback”函数对各种其他函数、代码的调用实现的。图 3 信号发射端图 4 信号发射端基带信号的波形10水声通信课程设计水声通信课程设计10图 5 信号发射端 2FSK 调制信号的波形如上图所示，信号发送端分为三个主要区域，菜单栏进行信源类型，信号图像的选择，左边参数设置区可进行调制参数的设置更改，邮编波形显示区可以实时的显示信号的时域，频谱等图像。3.3 系统接收端设计系统接收端设计采用 matlab 自带函数 wavrecord 接收信号，经过相干解调，同步抽样检测之后还原信号，最后用 bi2de 函数将 BCD 码转化为 10 进
16、制数，并显示。如下图示是信号接收端对信号的处理过程。图 6 信号接收端对信号的还原显示11水声通信课程设计水声通信课程设计11图 7 接收信号经过中心频率 1000Hz 带通滤波器后的波形图 8 接收信号经过中心频率 500Hz 带通滤波器后的波形图 9 接收信号经过相乘器后的波形12水声通信课程设计水声通信课程设计12图 10 接收信号同步提取后的波形图 11 接收信号恢复后的波形如上述图像过程所示，接收端调制原理如下图所示图 12 接收端总体原理框图13水声通信课程设计水声通信课程设计13第第 4 章章 性能分析性能分析4.1 性能分析性能分析我们设计的通信系统在信噪比约为 100dB 的条件下，性能比较稳定，经过多次实验统计得系统稳定性在 90%以上。基本实现了距离 1 米左右，在 100bits/s的码元速率下，稳定可靠的传输 10 位数符的技术指标。但在信道环境比较差的条件下， 比如多径扩展明显的走廊， 喧哗吵闹的室外，系统的可靠性仍有待提高。第第 5 章章 总结总结5.1 课设总结课设总结本系统最终
