通信原理课程设计数字信号频带传输系统设计.doc

课 程 设 计 报 告课程名称 通信原理课程设计 课题名称 数字信号频带传输系统设计 专 业 通信工程 班 级 学 号 姓 名 指导教师 彭祯 郭芳 2011年 12 月 28 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 学生姓名 学 号 指导老师 彭祯 郭芳 审 批 任务书下达日期 2011 年 12月 11日任务完成日期 2011 年 12月 26日 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）模拟信号调制系统设计编程实现AM调制/解调技术，绘出时域波形和频谱图；编程实现DSB调制/解调（用平方环和科斯塔斯环实现载波提取）技术，绘出时域波形和频谱图；（3）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。（4）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。（5）数字信号频带传输系统设计编程实现ASK调制/解调技术，绘出时域波形和频谱图；编程实现FSK调制/解调技术，绘出时域波形和频谱图；编程实现PSK、DPSK调制/解调技术，绘出时域波形和频谱图；编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时域波形和频谱图；（6）数字通信频带传输系统综合设计综合(1)、(3)、(4)、(5)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。必做题目：题目(1)，(2)；选作题目：(3)、(4)、(5)中的一个，以学生自己的学号/3得到的余数来确定自己的题号，如18号/3，余数为0，则选择(3),依此类推；综合题目：每班同学中，做(3)、(4)、(5)题目的各选2个同学，共计6人合作来完成题目(6)。二、进度安排第十六周 星期一 14：0017：30 星期二 08：0011：30 星期三 14：0017：30 星期四 14：0017：30星期五 14：0017：30第十七周 星期一 14：0017：30星期三 14：0017：30目 录一、课题的主要功能(6)二、课题的功能模块的划分(6)1、平均信息量的计算(6)2、离散信道容量的计算(6)3、以Huffman编码实现信源编码(6)4、AM调制/解调技术(7)5、DBS调制/解调技术(7)6、ASK调制/解调技术(8)7、FSK调制/解调技术(8)8、PSK、DPSK调制/解调技术(8)三、主要功能的实现(8)1、信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例）(8)2、离散信道容量的计算(9)3、信源编码（以Huffman编码为例）(9)4、AM调制技术/解调(10)5、ASK调制技术/解调(12)6、FSK调制技术/解调(13)7、PSK调制/解调技术(15)8、DPSK调制/解调技术(17)四、数字信号频带传输系统设计（流程图）(18)五、时域波形和频谱图(19)六、总结(25)七、评分表(26)一、课题的主要功能MATLAB语言是一种面向对象的高级语言，以矩阵作为最基本的数据结构。MATLAB的主要功能包括：数值计算功能、富豪集散功能、数据分析和可视化功能、Simulink动态仿真功能。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MATLAB具有许多的优点比如：语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富；MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环，while循环，break语句和if语句)，又有面向对象编程的特性;程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行，等等优点。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。二、信息论基本计算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。uffman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、 AM调制/解调 AM信号的调制的时域和频域表示式分别为：      式中，为外加的直流分量；可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即。AM信号的解调：调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信号。 AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。5、 DSB调制/解调 DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为                               DSB信号的包络不再与成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，即DSB信号只能采用相干解调，其模型与AM信号相干解调时完全相同。 此时，乘法器输出经低通滤波器滤除高次项，得即无失真地恢复出原始电信号。6、 ASK调制/解调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) 7、FSK调制/解调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。8、PSK、DPSK调制/解调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信号属于DSB信号,它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调。2PSK相干解调系统框图及个测试行波形如下：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 u ou=5;o=7;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) 2、离散信道容量的计算x=0.25,0.25,0.25,0.25; f1=1/2,1/2,0,0; 0,1/2,1/2,0; 0,0,1/2,1/2; 1/2,0,0,1/2; hf1=hmessage(x,f1,4,4); hx=dmessage(x,4); disp('信道容量：'); c1=hx-hf1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=1/2,1/4,1/8,1/16,1/16i=dmessage(p,5)h1,l=huffman(p)h1= 1 01 001 0000 0001l=1.8750n=i/ln=1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、AM调制/解调技术dt=0.0002; %时间采样间隔fm=100; %信源最高频率fc=1000; %载波中心频率T=5; %信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t); %信源Fs=1/dt; %原始图figure(1)subplot(2,2,1)plot(mt(1:1000);hold on; %画出AM信号波形title('时域mt');Y=fft(mt);subplot(2,2,2)plot(abs(Y);hold on; %画出AM信号波形 title('频率mt') %调制A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);%B=2*fm; figure(2)subplot(2,2,1)plot(t(1:1000),s_am(1:1000);hold on; %画出AM信号波形plot(t(1:1000),A+mt(1:1000),'r-'); %标示AM的包络title('时域AM调制信号及其包络');Y=fft(s_am);subplot(2,2,2)df1=Fs/length(Y);f1=0:df1:Fs-df1;plot(f1,abs(Y); hold on; %画出AM信号波形 title('频域AM调制信号') %解调figure(3)g=s_am.*cos(2*pi*fc*t);subplot(2,2,1);plot(g(1:1000);grid onxlabel('f');ylabel('a');title('g=s_am.*cos(2*pi*fc*t)');G=fft(g);subplot(2,2,2)df1=Fs/length(Y);f1=0:df1:Fs-df1;plot(f1,abs(G); hold on; %画出AM信号波形 title('G')%低通wpz=2*150/Fs;wsz=2*200/Fs;rp=3;rs=15;K,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs);bz,az=butter(K,wc,'low')yn=filter(bz,az,g);figure(4)subplot(2,2,1);Hk=freqz(bz,az,2048,1/dt);plot(abs(Hk);grid onxlabel('f');ylabel('a');title('低通滤波器');subplot(2,2,2)plot(yn(1:1000);hold on; title('时域AM解调信号');YN=fft(yn);subplot(2,2,3)df1=Fs/length(Y);f1=0:df1:Fs-df1;plot(f1,abs(YN); hold on; title('频域AM解调信号')5、ASK调制/解调技术clear all;t=0:0.01:10;y=sin(2*pi*t);%载波信号x=zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);%数字基带信号0100101010s_2ask=x.*y;%幅度键控recos=s_2ask.*y; meg=find(recos>0);%找出大于1的那一位demo(meg)=1; meg=find(recos=0);demo(meg)=0; figure(1)%原始信号subplot(211);plot(t,x);grid;title('原始信号');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1fx=fft(x);plot(f,abs(fx);grid;title('原始信号频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度');figure(2)%调制后信号subplot(211);plot(t,s_2ask);grid ;title('ASK调制');xlabel('时间');ylabel('幅度');subplot(212)s_2askf=fft(s_2ask);plot(f,abs(s_2askf);grid ;title('ASK调制频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度'); figure(3) %解调后信号subplot(211)plot(t,demo);grid ;title('ASK解调');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(212);demof=fft(demo);plot(f,abs(demof);grid;title('ASK解调频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度');6、FSK调制/解调技术clear all;t=0:0.01:10;y=sin(2*pi*t);%载波信号x=zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);%数字基带信号0100101010s_2fsk=sin(t.*(2*pi+pi*x);%频移键控recos1=s_2fsk.*sin(t.*(2*pi+pi*x)+pi*(x-1); %低通Fs=100;fb=1b,a=butter(6,4*fb/Fs);RECOS1=filtfilt(b,a,recos1);figure(4)subplot(2,1,1);plot(RECOS1);grid;title('经过低通');xlabel('时间');ylabel('幅度'); %判决meg1=find(RECOS1>0);demo1(meg1)=1; meg1=find(RECOS1<0);demo1(meg1)=0; figure(1)%原始信号subplot(211);plot(t,x);grid ;title('原始信号'); xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,10,-0.1,1.1);fx=fft(x);f=0:1/(length(x)-1):1subplot(212);plot(f,abs(fx);title('原始信号频谱'); xlabel('频率');ylabel('幅度'); figure(2)% FSK调制后的信号subplot(211);plot(t,s_2fsk);title('FSK调制') ;xlabel('时间');ylabel('幅度');s_2fskf=fft(s_2fsk);subplot(212);plot(f,abs(s_2fskf);title('FSK调制信号频谱'); xlabel('频率');ylabel('幅度');figure(3)%FSK调制信号subplot(211);plot(t,demo1);grid ;title('FSK解调'); xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,10,-0.1,1.1);demof1=fft(demo1);subplot(212);plot(f,abs(demof1);title('FSK解调信号频谱'); xlabel('频率');ylabel('幅度'); 7、PSK调制/解调技术clear all;t=0:0.01:10;y=sin(2*pi*t);%载波信号x=zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);%数字基带信号0100101010s_2psk=(2*x-1).*y;%相移键控recos2=s_2psk.*y %低通Fs=100;fb=1b,a=butter(6,4*fb/Fs);RECOS2=filtfilt(b,a,recos2);figure(4)subplot(2,1,1);plot(RECOS2);grid;title('经过低通');xlabel('时间');ylabel('幅度'); %判决meg2=find(RECOS2>0);demo2(meg2)=1;meg2=find(RECOS2<0);demo2(meg2)=0; figure(1)%原始信号subplot(211);plot(t,x);grid;title('原始信号');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1fx=fft(x);plot(f,abs(fx);grid;title('原始信号频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度'); figure(2)subplot(211);plot(t,s_2psk); grid;title('PSK调制');xlabel('时间');ylabel('幅度');subplot(212)s_2pskf=fft(s_2psk);plot(f,abs(s_2pskf);grid;title('PSK调制信号频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度'); figure(3)subplot(211);plot(t,demo2);grid ;title('PSK解调');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(212)demof2=fft(demo2); plot(f,abs(demof2);grid;title('PSK解调信号频谱');xlabel('频率');ylabel('幅度'); 8、DPSK调制/解调技术clear allx=zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);%数字基带信号0100101010s_2dpsk=dpskmod(x,2);%低通Fs=100;fb=1b,a=butter(6,4*fb/Fs);RECOS3=filtfilt(b,a,s_2dpsk);figure(4)subplot(2,1,1);plot(RECOS3);grid;title('经过低通');xlabel('时间');ylabel('幅度');%判决meg3=find(RECOS3>0);demo3(meg3)=1; meg1=find(RECOS3<0);demo3(meg3)=0; DEMO3=dpskdemod(demo3,2)%DPSKfigure(1)subplot(211)plot(x);grid;title('原始信号');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0 1000 -0.1 1.1);subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1fx=fft(x);plot(f,abs(fx);grid;title('原始信号频率');xlabel('频率');ylabel('幅度');figure(2)subplot(211);plot(s_2dpsk);grid ;title('DPSK调制图');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(-2 2 -1*10(-15) 1*10(-15) );subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1s_2dpskf=fft(s_2dpsk);plot(f,abs(s_2dpskf);grid ;title('DPSK调制频谱图');xlabel('频率');ylabel('幅度');figure(3)subplot(211);plot(demo3);grid ;title('DPSK解调图');xlabel('时间');ylabel('幅度');axis(0 1000 -0.1 1.1);subplot(212)demo3f=fft(demo3);plot(f,abs(demo3f);grid ;title('DPSK解调频谱图');xlabel('频率');ylabel('幅度');四、数字信号频带传输系统（流程图）输入基带信号和载波开始QAM调制2ASK调制2FSK调制2PSK调制2DPSK调制2ASK调制2FSK调制2PSK调制2DPSK调制五、时域波形和频谱图1、AM调制技术/解调00.050.10.150.2-4-2024时域AM调制信号及其包络020004000600000.511.522.5x 104频域AM调制信号05001000-2-1012时域mt0123x 10400.511.52x 104频域mt0500100001234fag=sam.*cos(2*pi*fc*t)02000400060000123x 104G2、DSB调制技术/解调3、ASK调制/解调技术，绘出时、频域波形4、FSK调制/解调技术，绘出时、频域波形5、PSK、DPSK调制/解调技术，绘出时、频域波形六、总结为期两周的课程设计让我发现，对于这门学科我有很多不懂的地方，因此这次课设我几乎都是照着书做的，以及和同学之间的交流才能顺利完成这次课程设计。数字调制与解调模块是我们这次课程设计的内容，课程设计是一次综合实验的检测，是对整个通信系统更好的实际性的理解，在设计时遇到的问题，在得到解决的同时，使我们对通信系统的设计的思路和对通信系统的印象有更进一步的加深。数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成合适的在信道中传输带通信号。基本的数字调制有振幅调制（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对相移键控（DPSK）。在接受端可以采用相关解调和非相干解调还原数字基带信号。数字解调就是还原基带信号。通过这次课程设计，我对通信原理课程有了更深入的认识，知道了不少自己以前不懂的东西，对于MATLAB技术的应用也有了进一步的了解。这次的课程设计不仅使我巩固了以前所学到的知识，同时也锻炼了自己得实际操作能力。七、评分表计算机与通信系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：