《通信原理》课程设计报告-数字信号频带传输系统设计

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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18 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18 《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；18 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18 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1218 六、总结12七、附件13八、评分表1818 一、课题的主要功能MATLABMatMATLABMathWorks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*u^2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=max[I(X;Y)]（比特/码元）I(X;Y)=H(Y)﹣H(Y/X);18 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：18 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π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，=；18 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)=00);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clearall;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);18 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clearall;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');18 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]);18 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：18