《通信原理》课程设计报告数字信号频带传输系统设计1

1、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 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 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

2、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

3、，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p

4、sk、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 星期三: 总体设计，详细设计星期四： 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7二、课题的功能模块的划分71、平均信息量的计算72、离散信道容量的计算73、以h

5、uffman编码实现信源编码84、ask调制技术，绘出时、频域波形85、fsk调制技术，绘出时、频域波形96、psk、dpsk调制技术，绘出时、频域波形97、16/64qam调制技术，绘出时、频域波形9三、主要功能的实现101、 信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例）102、 离散信道容量的计算103、 信源编码（以huffman编码为例）114、 编程实现ask调制技术、绘制时、频域波形115、 编程实现fsk调制技术、绘制时、频域波形126、 编写实现psk/dpsk调制技术，绘制时。频域波形127、 编程实现16/64qam调制/解调技术，绘出时、频域波形12四数字信号频带传输系统

6、13五、程序调试141、程序的图14六、总结19七、附件20八、评分表25一、 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

7、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。

8、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、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

9、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)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。6、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。2ps

10、k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：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。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=3;o=4;f=1/(u*sqrt(2*pi)*exp(-(x-o)2/2*u2);t=-f*log2(f);r=int(t,-inf,inf);disp(平均信息

11、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/

12、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

13、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

14、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(1,10

15、0), 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)。 16qam是用两路独立的正交4ask信号叠加形成的。

16、 qam信号的时域表达式为 四数字信号频带传输系统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调制图4 数字信号频带传输流程图五、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）表示原信号的频域波形，频率为50hz图（5）是ask调制后的时域波形图(6)原信号的频域波形图（7）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（8）用psk、dpsk调制之后的频谱

17、波形图（9）qam原始的结果图（10）qam调制后的结果 图（11）qam调制后的时域波形六、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“三分编程七分调试”，说明程序调试的工作量要比编程大得多对于这次课程设计，我感触颇多，从拿到题目到完成整个课程设计，从理论到实践，在整整两个星期的日子里，学到了很多很多的的东西，同时不仅巩固了学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过

18、的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到很多很多的问题，因为这毕竟是第一次通信原理课程设计，难免会遇到各种各样的问题。当程序能正确运行时那种成就感无法言表，我感受到了收获的喜悦。也就是从现在我更深刻体会到学海无涯，我要用正确的态度面对学习的挑战，理论联系实际，进一步熟练掌握科学知识，武装自己的头脑，为将来走向社会打下坚实的基础。” 在这两周中，我的心情有时候会因为程序的成功而高兴不已，有时也会因为设计的失败而感

19、到沮丧，但是对于我来说，不管怎么样，只要我自己的能力得到了提升，再怎么样都没有问题，再实验过程中，我的问题还是有一些，有时候自己解决不了的我就虚心的请求其他会做的同学帮忙，在自己的努力下和同学老师的帮助下，终于做完了此次的课程设计，最后向老师说声感谢，因为你们的帮助室我认识到许多错误，同时也是使我在实践的时候少走了不少弯路，感谢你们给我一个锻炼和实践的机会！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=do

20、uble(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

21、,8) hx=dmessage(x,4)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

22、);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：t=0:0.01:8;fs=50;y=sin(2*pi*t);x=ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);figure(1)subplot(2,1,1);plot(t1,x)am3,ph

23、a3=dft3(x);n=0:(length(x)-1);w=(2*pi/length(x)*n;subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(am3),b); grid;xlabel(frequency in radians);ylabel(|x(exp(jw)|);z=x.*y;figure(2)n=0:(length(x)-1);w=(2*pi/length(x)*n;subplot(2,1,1), plot(t1,z); am3,pha3=dft3(z);subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(am3),

24、b); grid;title(phase part);xlabel(frequency in radians);ylabel(argxexp(jw)/radians); fsk调制方式：x=0:0.01:8;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);plot(x,y)figure(1)n=0:(length(x)-1);w=(2*pi/length(x)*n;subplot(2,1,1);plo

25、t(t1,t);am3,pha3=dft3(t);subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(am3),b); grid;xlabel(frequency in radians);ylabel(|x(exp(jw)|);figure(2)n=0:(length(x)-1);w=(2*pi/length(y)*n;subplot(2,1,1), plot(t1,y); am3,pha3=dft3(y);subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(am3),b); grid;xlabel(frequency in ra

26、dians);ylabel(argxexp(jw)/radians); 2psk调制方式x=0:0.01:8;fc=2;fs=50;%二元序列为10110010d=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);%z=d.*s;subplot(211);plot(x,d);title(原始二元序列);xlabel(时间);ylabel(幅度);am3,pha3=dft3(d);%原信号频域波形sub

27、plot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(am3),b); grid;xlabel(频率/hz);ylabel(振幅);figure(2)n=0:(length(s)-1);w=(2*pi/length(s)*n;subplot(2,1,1);plot(x,s);title(调制后的信号);xlabel(时间);ylabel(幅度);am3,pha3=dft3(s);%调制后的频谱波形subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(am3),b); grid;xlabel(频率/hz);ylabel(振幅);16qam调制：t1=0:0.01:8;m = 16; k = log2(m); % 4 位n = 3e4; nsamp = 1; %产生随机信号 40比特 x = randint(n,1); figure(1);% 产生40位.stem(x(1:40),filled);title(