通信原理课程设计数字信号频带传输系统设计

1、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

2、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

3、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

4、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

5、；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

6、(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

7、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

8、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)

9、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

10、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

11、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

12、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)/

13、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=dmessa

14、ge(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ti

15、tle(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:d

16、f1: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

17、=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:f

18、s-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(recos0);%找出大

19、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

20、(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);xlabe

21、l(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;

22、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(recos10);demo1(meg1)=1; meg1=find(recos10);demo2(meg2)=1;meg2=find(recos20);demo3(meg3)=1; meg1=find(recos30);demo3(meg3)=0; demo3=dpskdemod(demo3,2)%dpskfi

23、gure(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) );

24、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