《通信原理》课程设计报告数字信号频带传输系统设计.doc

课 程 设 计 报 告课程名称 通信原理 课题名称 数字信号频带传输系统设计 专 业 通信工程 班 级 0881 学 号 200813120111 姓 名 指导教师 2011年1月 10 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 通信原理 课 题 数字信号频带传输系统设计 专业班级 通信工程0881 学生姓名 学 号 200813120111 指导老师 审 批 任务书下达日期 2011 年1月 10 日任务完成日期 2011年 1 月 19日通信原理课程设计任务书一、设计目的与设计内容学生通过自己设计及建立通信系统，掌握通信系统的构成原理、信号传输的概念，加深对通信系统及信号的认识，提高学生的实际应用、动手能力。要求学生经过课程设计这一教学环节学会应用MATLAB软件来实现信号传输中的各个基本环节。可选的设计题目有：（1）信息论基本计算。要求：编程实现信源平均信息量的计算(以高斯分布的信源为例)；编程实现离散信道容量的计算(以输入符号等概分布为例)；编程实现信源编码过程(以Huffman编码为例)；（2）脉冲编码调制(PCM)实现编程实现PCM技术的三个过程：采样、量化与编码。采样：低通连续信号采样，以为例说明低通采样定理，绘出信号时、频图形；带通连续信号采样，以为例说明带通采样定理，绘出信号时、频图形。量化：均匀量化，以幅度的正弦信号为例实现为64级电平的均匀量化；非均匀量化，输入A律PCM编码器的正弦信号，采样序列为，将其进行PCM编码，给出编码器的输出码组序列编码：以上述信号为例，实现A律的13折线近似法及国际标准PCM对数A律量化编码。（3）数字信号基带传输系统设计编程实现常见基带信号的波形、码型转换，包括：单/双极性、非归零/归零码、数字双相码(曼彻斯特码)、密勒码、AMI码、HDB3码，并绘出每种波形、码型的功率谱分布，给出与在理论课上所学相符合的分析与理解；编程实现基带传输系统的误码率计算，包括：二电平和多电平编码的误码率计算；编程实现基带信号传输的扰码与解扰。（4）数字信号频带传输系统设计编程实现ASK调制/解调技术，绘出时、频域波形；编程实现FSK调制/解调技术，绘出时、频域波形；编程实现PSK、DPSK调制/解调技术，绘出时、频域波形；编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时、频域波形；（5）数字通信频带传输系统综合设计综合(1)、(2)、(3)、(4)的设计程序，并将它们封装为SIMULINK模块，设计一个完整的数字通信频带传输系统。（三）、进度安排：第十八周 星期一： 课题讲解，查阅资料 星期二: 总体设计，详细设计星期三： 编程，上机调试、修改程序第十九周 星期一：编程，上机调试、修改程序星期二：上机调试、完善程序星期三： 答辩星期四-星期六：撰写课程设计报告 目录一、 课题的主要功能1二、课题的功能模块的划分11、平均信息量的计算12、离散信道容量的计算13、以Huffman编码实现信源编码24、ASK调制技术，绘出时、频域波形25、FSK调制技术，绘出时、频域波形36、PSK、DPSK调制技术，绘出时、频域波形37、16/64QAM调制技术，绘出时、频域波形4三、主要功能的实现51、 信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例）52、 离散信道容量的计算53、 信源编码（以Huffman编码为例）64、 编程实现ASK调制技术、绘制时、频域波形65、 编程实现FSK调制技术、绘制时、频域波形66、 编写实现PSK/DPSK调制技术，绘制时。频域波形77、 编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时、频域波形7四、程序调试81、程序的图8五、课程设计参考资料12六、总结12七、附件13八、评分表18一、 课题的主要功能MATLAB Mat MATLAB MathWorks公司推出的一套高效率的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。学生通过自己设计及建立通信系统，掌握通信系统的构成原理、信号传输的概念，加深对通信系统及信号的认识，提高学生的实际应用、动手能力。要求学生经过课程设计这一教学环节学会应用MATLAB软件来实现信号传输中的各个基本环节。二、课题的功能模块的划分1、平均信息量的计算根据题目要求，用高斯过程X(t)d的一维概率密度函数服从正态分布的表达式f=1/(u*sqrt(2*pi)*exp(-(x-o)2/2*u2来完成信源平均信息量的计算。平均信息量：平均每个符号所能提供的信息量，也叫平均自信息量。H(X)= ；高斯分布函数：；2、离散信道容量的计算我们利用函数dmessage来求信源的熵，利用函数hemssage来求平均互信息量，并最终得到信道的容量。离散信道容量：信道容量是信道所能传送的最大的信息量。C=maxI(X;Y) （比特/码元）I(X;Y)=H(Y)H(Y/X);3、以Huffman编码实现信源编码对于所要求的信源，可以对其进行作为一元信源的哈夫曼编码并得到编码效率，相应的二元信源的哈夫曼编码及其编码效率。Huffman编码方法：（1） 将信源信息呼号按其出现的概率大小依次排列；（2） 取两个概率最小的字母分别配以0和1两个码元，并将这两个概率相加作为一个新字母的概率，与未分配的二进符号的字母重新排队；（3） 对重排后的两个概率最小符号重复步骤（2）的过程；（4） 不断重复上述过程，知道最后两个符号配以0和1为止；（5） 从最后一级开始，向前返回得到各个信源符号所对应的码元序列，及相应的码字；Huffman编码的意义：将概率大的信息符号编以短的码字，概率小的符号配以长的码字，使得平均码字长度最短，冗余度减小。4、ASK调制技术，绘出时、频域波形在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化的，最简单的形式是载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断，这种调制方式称为通断一段键控（ook）。时域表达式为 y=sin(2*pi*t) 由于在实际信道中，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信道中传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号，才能在无线信道、光纤信道等媒质中传输。2.2.1二进制振幅键控（2ASK） 2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。二进制时间波形图如下：5、FSK调制技术，绘出时、频域波形将信号的调制在载波的频率上的调制方法称为频移键控（FSK），它也包括二点平频移键控（BFSK）和电平频移键控（MFSK），频移键控的原理与跳频类似，只是使用数字信号而已。二进制频移键控信号码元的1和0分别用两个不同频率的正弦波形来传送，而其振幅和初始相位不变。故其表示式为：当发送”1”时s(t)=当发送”0”时s(t)=当A为一个常数时，码元的包络是矩形脉冲。频移键控的时间波形图如下：aak1011001ts(t)ts(t)bcdtefgt2FSK信号ttt6、PSK、DPSK调制技术，绘出时、频域波形在载波相位的调制中，将信道发送的信息调制在载波的相位上，相位通常范围是（0，2），2PSK信号码元的“0”“1”分别用初始相位0和 来表示，而其振幅和频率保持不变。gT(t)为发射端的滤波脉冲，决定了信号的频谱特征。2PSK信号码元的0和1分别分别用两个不同的初始相位0和表示，而其振幅和频率保持不变。故2PSK信号表示式可以写为s(t)=,当发送“0”时，=0；当发送“1”时，=；2DPSK是利用相邻码元载波相位的相对值表示基带信号“0”和“1”的。用表示载波的初始相位。设为当前码元和前一码元的相位之差：发送“0”时=0；发送“1”时=；则信号码元可以表示为: s(t)= 0<tT式中，0=2f0为载波的角频率；为前一码元的相位。下面以基带信号1 1 1 0 0 1 1 0 1为例，说明2DPSK信号的相位关系：基带信号 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0初始相位 0 2DPSK码元相位（+） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7、16/64QAM调制技术，绘出时、频域波形16进制相移键控，它的每一个矢量点对应4位b1b2b3b4共16种可能的信息符号序列。每一种都对应不同的相位因为QAM调制在MATLAB7.1中有库函数，直接调用该库函数即可。16QAM是用两路独立的正交4ASK信号叠加形成的。QAM信号的时域表达式为 三、主要功能的实现1、 信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例） syms x a ua=3;u=4;f=1/(a*sqrt(2*pi)*exp(-(x-u)2/2*a2);p=-f*log(f)/log(2);r=int(p,-inf,inf);disp('平均信息量为：')r=double(r)2、 离散信道容量的计算x=0.25,0.25,0.25,0.25; f1=1/4,1/4,1/4,1/4 1/4,1/4,1/4,1/4 1/4,1/4,1/4,1/4 1/4,1/4,1/4,1/4; hf1=hmessage(x,f1,4,4) hx=dmessage(x,4) disp('c1信道容量为'); c1=hx-hf1 f2=1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8; hf2=hmessage(x,f2,4,8) hx=dmessage(x,4) disp('c2信道容量为'); c2=hx-hf2 在这个程序之中有两个信道容量的转移概率矩阵，为了求两个信道容量，调用了两个函数：hmessage()和dmessage()，利用dmessage来求信源的熵，利用函数hmessage来求平均互信息量并最终得到信道容量。3、 信源编码（以Huffman编码为例）p=1/2,1/4,1/8,1/16,1/16 i=dmessage(p,5) h,l=huffman(p) n=i/l采用了哈夫曼编码，对离散的信源直接调用huffman.m函数文件就能得到编码，调用dmessage函数得到平均信息量。4、 编程实现ASK调制技术、绘制时、频域波形y=sin(2*pi*t1); %二元序列为10101100 x=ones(1,100),zeros(1,101),ones(1,100),zeros(1,100), ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100); 。 z=x.*y; %二元序列点乘y 即进行ask调制。 Am3,pha3=dft3(x); %fft变换二进制序列为10101100把二元序列点乘正弦载波。并绘制出原始二元序列和调制后的时域/频域图形。绘制频谱图时，对其进行傅立叶变换（调用dft3.m函数文件）即可。5、 编程实现FSK调制技术、绘制时、频域波形%二元序列为10110010 t=ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100) ,zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101); y=sin(x.*(2*pi+2*t);。 Am3,pha3=dft3(x); %fft变换6、 编写实现PSK/DPSK调制技术，绘制时。频域波形二元序列为10110010 d=ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100), zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101); s=cos(2*pi*fc*x+pi.*d);。 Am3,pha3=dft3(x); %fft变换7、 编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时、频域波形 %产生随机序列函数 x = randint(n,1);。 %转换为4比特的矢量点并映射成十进制数 xsym = bi2de(reshape(x,k,length(x)/k).','left-msb');。 %调用qammod.M库函数文件 y = qammod(xsym,M)。四、程序调试1、程序的图图（1）该图是用高斯分布实现平均信息量的计算图（2）以输入符号等概分布来实现离散信道容量的计算图（3）是实现信源编码过程图（4）是ASK调制后的时域波形图（5）表示用FSK调之后的频域波形可以看出载频有所改变，由于跳频同时必然带来了相位改变所以有相位的突变。图（6）用PSK、DPSK调制之后的频谱波形图（7）QAM原始的结果图（8）QAM调制后的结果 图 （9 ）16QAM调制波形图 由图可知当我输入M为64时，利用randint()函数随机产生一个1000行1列的矩阵，这个矩阵的每一个元素用64进制表示，然后调用matlab自带调制函qammod()，图上将有64个“*”出现及信号矢量图，每个“*”可以表示该码元的振幅和相位。接着对调制信号进行傅里叶变换，即得到了调制信号的频谱。调用matlab自带的qamdemod(),我们可以将调制信号进行解调，解调出来的波形和原始信号的波形一样，可见其正确性。让我的知识得到了有效的提高，更加明白动手操作的必要性以及重要性，理论的知识只有在实践中才能得到检验。五、课程设计参考资料教材：通信原理第5版，主编：樊昌信，出版社：国防工业出版社， 2004年。参考书：MATLAB通信仿真与应用，主 编：刘敏，出版社：北京邮电大学出版社， 2004年。六、总结此次课程设计，我做的题目是数字信号频带传输系统设计，在两周的课程设计之中，我体会到了很多东西，也学到了很多很多的东西，也按时的完成了老师所布置的任务，通过两周的努力，现在我较好地完成了既定目标，在试验中我学到了不少东西，也感触很深，在自己的努力下收获了成的喜悦。在实验中也有失败，如在刚开始编程和后来的转换都出现了很多问题，如在给程序进行时域和频域的转换的时候出现很多的错误和警告，有的是代码写错，有的是保存的时候文件名和实体名不同，还有的是运行之前没有将其保存，这样导致不知转换的文件是什么。经过几天的努力把模块进行连接后进行了整体的运作后，波形怎么也不出现。后来才知道原来我在运行的时候忘记把傅立叶变化的程序放到MATLAB的WORK之中去，导致没有运行转化程序，所以出不了图，细节决定成败，看来确实是这样的，做什么事都必须要认真，仔细。同时也从中发现自己还有很多知识不懂，但庆幸最终还是把波形弄出来了！在为期两周的课程设计之中我也发现了自己很多的不足之处，有些程序还不太熟悉，还有有些步骤也不怎么清楚，觉得自己的知识还存在着很多很多的漏洞，一些概念性的问题还不是很懂，在做课程设计的时候，理论与实践的结合还是不怎么好，感觉很多东西都要照着书来做，不能脱离书本的知识，所以，这是一个需要自己改进的问题，就是不光理论要会，而且更要注意理论与实践的结合，这次虽然软件方面是没有问题了，但是在程序的编写以及设计上，还是出现了很大的问题，有时候一点细微的不小心就会导致程序不能运行，一点语法的错误系统就会报错，所以，细心加知识才能做好此次的课程设计，通过此次的课程设计，七、附件平均信息量的计算syms x u ou=3;o=4;f=1/(u*sqrt(2*pi)*exp(-(x-o)2/2*u2);t=-f*log(f)/log(2);r=int(t,-inf,inf);disp('平均信息量为')r=double(r)信道容量x=0.25,0.25,0.25,0.25f1=1/2,1/2,1/2,1/2 1/2,1/2,1/2,1/2 1/2,1/2,1/2,1/2 1/2,1/2,1/2,1/2;hf1=hmessage(x,f1,4,4)hx=dmessage(x,4)c1=hx-hf1;f2= 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8; hf2=hmessage(x,f2,4,8) hx=dmessage(x,4) c2=hx-hf2;实现信源编码的过程p=1/2,1/4,1/8,1/16,1/16;i=dmessage(p,5)h,l=huffman(p)n=i/l平均互信息量函数文件：function r=hmessage(x,f,nx,my); sum=0; for i=1:nx for j=1:my t=f(i,j)*x(i) sum=sum-t*log(f(i,j)/log(2); end;end; r=sum; disp('平均互信息量为');平均信息量函数文件：function r=cmessage(f)t=-f*log(f)/log(2);r=int(t,-inf,inf);disp('平均信息量');r=double(r);信源熵函数文件：function r=dmessage(x,n)r=0;for i=1:n r=r-x(i)*log(x(i)/log(2);enddisp('次离散信源的平均信息量为');ASK调制方式clear all;t=0:0.01:8;y=sin(2*pi*t);x=ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);f=0:1/(length(x)-1):1s_2ask=x.*y;recos=s_2ask.*y;meg=find(recos>0);demo(meg)=1;meg=find(recos=0);demo(meg)=0;s_2aslf=fft(s_2ask);demof=fft(demo);figure(1)subplot(4,1,1);plot(t,s_2ask,'r');grid;title('ASK调制');xlabel('时间');ylabel('幅度');subplot(4,1,2);plot(f,abs(s_2ask),'r');grid;title('ASK调制');xlabel('频率');ylabel('幅度');subplot(4,1,3);plot(t,demo,'r');grid;title('ASK解调');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,8,-0.1,1.1);subplot(4,1,4);plot(f,abs(demof),'r');grid;title('ASK解调频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度');FSK调制方式clear all;t=0:0.01:8;y=sin(2*pi*t);x=ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);f=0:1/(length(x)-1):1s_2fsk=sin(t.*(2*pi+pi*x);recos1=s_2fsk.*sin(t.*(2*pi+pi*x)+pi*(x-1);meg1=find(recos1>0);demo1(meg1)=1;meg1=find(recos1<0);demo1(meg1)=0;s_2fskf=fft(s_2fsk);demof1=fft(demo1);subplot(4,1,1);plot(t,s_2fsk,'r');grid;title('FSK调制');xlabel('时间');ylabel('幅度');subplot(4,1,2);plot(f,abs(s_2fsk),'r');grid;xlabel('频率');ylabel('幅度');subplot(4,1,3);plot(t,demo1,'r');grid;title('FSK解调');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,8,-0.1,1.1);subplot(4,1,4);plot(f,abs(demof1),'r');grid;title('FSK解调频谱');xlabel('时间');ylabel('幅度');2PSK调制方式clear all;t=0:0.01:8;y=sin(2*pi*t);x=ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);s_2psk=(2*x-1).*y;recos2=s_2psk.*y;meg2=find(recos2>0);demo2(meg2)=1;meg2=find(recos2<0);demo2(meg2)=0;s_2pskf=fft(s_2psk);f=0:1/(length(x)-1):1demof2=fft(demo2);subplot(4,1,1);plot(t,s_2psk,'r');grid;title('PSK调制');xlabel('时间');ylabel('幅度');subplot(4,1,2);plot(f,abs(s_2pskf),'r');grid;title('PSK调制频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度');subplot(4,1,3);plot(t,demo2,'r');grid;title('PSK解调');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,8,-0.1,1.1);subplot(4,1,4);plot(f,abs(demof2),'r');grid;title('PSK解调频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度');16QAM调制M=16;meg=randint(500,1,M);fc=1;fd=0.5;fs=16;y=qammod(meg,M);Z=qamdemod(y,M);f=0:1/499:1y1=fft(y);Z1=fft(Z);subplot(5,1,1);stem(real(y),imag(y),'g');grid;title('16QAM原始信号');subplot(5,1,2);plot(f,abs(y1),'g');grid;title('16QAM原始信号频谱');subplot(5,1,3);plot(Z,'g');grid;title('16QAM解调');axis(0,20,-0.1,16);subplot(5,1,4);plot(f,abs(Z1),'g');grid;title('16QAM解调频谱');xlabel('频谱');ylabel('幅度');subplot(5,1,5);plot(meg,'g');grid;title('原始');axis(0,20,-0.1,16);八、评分表课程设计评分表课程名称： 通信原理 项 目评 价设计方案的合理性与创造性设计与调试结果设计说明书的质量答辩陈述与回答问题情况课程设计周表现情况综合成绩 教师签名： 日 期：