数字信号频带传输系统设计

1、呵1欲夕赞w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学号姓名指导教师2011年12月26日湖南工程学院课程设计任务书课程名称通信原理课程设计课 题专业班级学生姓名学 号指导老师审 批任务书下达日期2011年12月12日任务完成日期2011年12月26日一、设计目的与设计内容1、设计目的：结合通信原理课程内容，培养实际动手能力，增强把书本知识传化为实 践设计的能力。在强调基本原理的同时，更突出设计过程的锻炼。强化学生的实 践创新能力和独立进行科研工作的能力。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 输屮的各个基本环节2、设

2、计内容:具体设计题目包抓模拟调制、数字调制、pcm编解码、循环码的编译码、 m序列伪随机码、最佳接收等内容。其具体的设计题目如下： 题目1信息论基本计算。要求：（1）编程实现信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例）；（2）编程实现离散信道容量的计算（以输入符号等概分布为例）；（3）编程实现信源编码过程（以huffman编码为例）；题目2 pcm编译码器设计及应用。要求：（1）用simulink对系统建模设计一个pcm编译码器（2）输入模拟话音信号观察其输出波形；（3）输入数字信号观察其输出波形（4）对所设计的系统性能进行仿真分析（5）对莫应用举例阐述。题目3数字信号基带传输系统设计要求：（

3、1）编程实现常见基带信号的波形、码型转换：非归零/归零码、ami码;（2）并绘岀每种波形、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；（3）编程实现基带传输系统的误码率计算：二电平误码率计算；（4）编程实现基带信号传输的扰码与解扰。题目4 数字信号频带传输系统设计（1）2ask调制/相干解调器和非相干解调系统（包络检波法）设计耍求：a编程实现或是用simulink对系统建模b输入数字信号序列并进行接收判决。c通过多次输入输岀对两种系统性能进行分析比较d绘出信号的时域波形和频谱图；（2）2fsk调制/相干解调器和非相干解调系统（包络检波法）设计 耍求：a编程实现或是用simuli

4、nk对系统建模b输入数字信号序列并进行接收判决。c通过多次输入输出对两种系统性能进行分析比较d绘出信号的时域波形和频谱图；（3）2psk、2dpsk调制/相干解调系统设计要求：a编程实现或是用simulink对系统建模b输入数字信号序列并进行接收判决。c通过多次输入输出对两种系统性能进行分析比较d绘岀信号的时域波形和频谱图；（4）16/64qam调制/解调系统设计要求：a编程实现或是用simulink对系统建模b输入数字信号序列并进行接收判决。c通过多次输入输岀对两种系统性能进行分析比较 d绘出信号的时域波形和频谱图；题目5设计一个先验等概的2ask最佳接收机耍求：（1）编程实现或是用simu

5、link对系统建模（2）输入数字信号序列并进行接收判决。（3）通过多次输入输出对所设计的系统性能进行分析。题目6设计一个dsb调制/解调电路（用平方环和科斯塔斯环实现载波提取） 要求：（1）编程实现或是用simulink对系统建模（2）输入模拟话音信号观察其输岀波形；（3）对所设计的系统性能进行仿真分析（4）对其应用举例阐述题目7 数字通信频带传输系统综合设计 必做题目：题目1, 2, 3；选作题目：4、4 （2）、4（3）、4（4）, 5, 6中的一个;综合题目7：每班同学屮，做2、3、4、5题目的各选2个同学，共计6人合作来完成题目7o3、设计要求：(1) 在一周内学生须上机16小时以上，

6、程序调试完后，须由指导老师在机 器上检查运行结果，经教师认可后的源程序可通过打卬机输出，并请教师在程序 清单上签字。(2) 课程设计报告内容和格式：设计题口，设计的详细步骤，设计过程屮的 结果、图形等，设计总结。(3) 每组每人必须独立完成，成绩的考核按设计结果、答辩成绩及课程设计 报告来综合评定。成绩分为优、良、屮、及格、不及格五级分评定。(4) 指导教师：彭祯，谭小兰。二、进度安排第十六周星期三8： 00一-12： 00星期五8： 00一-12： 00星期日8： 00一-12： 00星期日14： 00-18： 00第十七周星期二 14： 00-18： 00星期四14： 00-18： 00一

7、、课题的主要功能1二、课题的功能模块的划分12. 1、信息论基木计算12.2、pcm编译码器应用12.3、数字信号基带传输系统设计22.4、设计一-个先等概的2ask最佳接收机2三、主要功能的实现33.1、信息论基木计算33.2、pcm编译码器53.3、数字信号基带传输系统63.4、先验等概的2ask最佳接收机7四、程序调试94. 1、信息论基木信息94. 2、 pcm编译码器设计及应用104.3数字信号基带传输系统设计134.4、设计一个先验等概的2ask最佳接收机17五、总结17六、附件18七、评分表27一、课题的主要功能此次课题的主耍功能是希望学生能够通过利用matlab软件对通信原理的

8、课 程内容进行仿真，培养实际动手能力，增强把书木知识转化为实践设计的能力。让学生不仅仅是片面的了解书上的内容，而是通过课程设计分析实验结果进 而对通信原理这门课程的基木原理了解的更透彻。在强调基木原理的同吋，更突 出设计过程的锻炼。强化学生的实践创新能力和独立进行科研工作的能力。同吋 让学生们更加熟练的掌握matlab这门工具。二、课题的功能模块的划分2.1 信息论基本计算图（一）2.2、pcm编译码器应用输出波形图（二）2.3、数字信号基带传输系统设计图（三）2.4、设计一个先等概的2ask最佳接收机图（四）三、主要功能的实现3.1 信息论基本计算3. 1.1平均信息量的计算(1) 原理与分

9、析对离散信源的平均信息量(爛)为h(x) =.p(x,)log2p(x/)()也可以用其他的数作为对蝕的底，如以e为底，单位有比特改为奈(nit)o 对连续信源的信息量定义与此类似，设该信源的概率密度函数是f(x),则信 源的平均信息量为x (x) =-j*«log2/w x(b)(2) 高斯分布信源分析高斯分布函数的概率分布函数是：p(x) = exp -(7丁2*龙(x-a)22，则由平均信息量的公式h(x)二一工卩(召)log/心)；i可以得出以高斯分布的信源的平均信息量。3.1.2离散信道容量的计算(1)原理与分析信道是所传信息的载体，信号所耍通过的通道。信道在信息系统屮的主

10、要 作用是传输与存储信息，而在通信系统屮的主要作用是传输信息。对于有干扰的离散信道，假设通信系统发送端每秒发出1个符号，则该信道 的信息传输速率为r=i(x,y)r=h(x)-h(xiy)r=h(y)-h(yix)r而信道容量c就是r的最大值max(r)。在h(yix)定的时候，当h(y)达到最大值时，信道容量c也达到最大值, 通常在涉及的信道屮，信道输入的符号等概率分布和输出符号的等概率分布是同 时存在的，对一个对称的信道而言，信源爛有最大值时，信道容量最大。(2)输入符号等概分布的分析信道输入为等概率分布，即p,- = l/4, i=l,2,3,4.3.1.3以huffman编码实现信源编

11、码图（五）3.2、pcm编译码器321、pcm系统的原理方框图图（五）3.2.2用simulink建立pcm译码器relaylookup tableinteger to bitconverter图（六）323建立解码器图（七）3.2.4输入模拟/数字信号观察输出波形图（八）3. 3、数字信号基带传输系统3. 3.1基带数字信号传输系统模型gr(f)亠小gr(f)噪声图（九）基带数字信号传输系统模型3. 3. 2编程实现基带信号的波形功能实现图双极性非归零单极性非归零结束结束图(十图(十)基带信号的波形：将二进制信号用数字“0”和“1” “t”表示，这些数字 在电路屮是用电压表示出来的，现在用矩

12、形电压脉冲表示为例，有单极性波形、 双极性波形、单极性归零波形、双极性归零波形。其他码元的波形类似于单极性 和双极性的码元画法。3.4、先验等概的2ask最佳接收机3.4.1先验等概的最佳接收准则当先验概率相等，即p(1)=p (0)时，则要求按下列准则划分：在区域a °内所有点上：p( 1 )f | (r)<p(o)fo (r)在区域a1内所有点上：p(o)fo(r)< p(l)f, (r)当先验概率相等时：当接收矢量r使:f.(r)<f0(r)，则判发送码元是“0” 当接收矢量r使:f0(r)< fi (r),则判发送码元是“ 1 ” 3.4.2等先验概率

13、二进制最佳接收机原理方框图图(十二)最佳接收机原理图3.4.3 simulink 建模图(十三)最佳接收机系统模块3.4.4系统的性能分析u!程序调试4.1.信息论基本信息（1）编程实现信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例）平均信息量为：r =0.2529（2）编程实现离散信道容量的计算（以输入符号等概分布为例）（3）编程实现信源编码过程（以huffman编码为例）» p二1/2, 1/4, 1/& 1/16, 1/16p =0. 50000. 25000. 12500.06250.0625>> hj l=huffman(p)h =1010010000000

14、11 =1.8750pcm编译码器设计及应用（1）用simul ink对系统建模设一个pcm编译码器display图（十五）pcm编码器图（十六）pcm解码器（2）输入模拟话音信号观察其输出波形 scope 上.i 口 | 回5|012345678910time offset: 0图（十七）正弦信号输入（3）输入数字信号观察其输出波形图（十八）输入数字信号（4）对所设计的系统性能进行仿真分析504540353025201510-50-40-30输入信号电平db1 cmtamm图（十九）pcm编译码系统性能仿真得出的量化信噪与输入的信号电平的关系（5）对其应用举例阐述图（二十） 经过pcm后的脉

15、冲和经过信道后的信道谋码脉冲回区）scope图（二十一） 经过pcm后的止弦信号和经过信道后的信道谋码脉冲4.3数字信号基带传输系统设计（1）编程实现常见基带信号的波形、码型转换：非归零/归零码、ami码;图（二十二）单极性非归零码图（二十三）单极性归零码图（二十四）双极性非归零dq应寻恰丽®渥匡| 口1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1图（二十五）双极性归零figure 1iefileeditvi ewinse rt toolsdesktopwindowhelpwmmobbmbsdbohbdbdfe 致量 s s0图（二十六）ami码图像（2）并绘出每种码型的功率谱分布图

16、（二十七）单极性码型功率分布图（二十八）双极性码型分布（3）编程实现基带传输系统的误码率计算：二电平误码率计算;图（二十九） 基带信号误码率44、设计一个先验等概的2ask最佳接收机（1）输入数字信号序列并进行接收判决图（三十）接受判决五、总结此次实验课程设计学校给了我们一个很好的平台将所学的理论的只是应用 于实践中，在两个星期的课程设计中，我不仅对通信原理有了更进一步的了解， 同时更加熟练了的掌握了 matlab软件的应用。我做的课设题目是前面三个和后面的2ask的最佳接收器的设置。虽然这 个学期学了 matlab但是由于学的不好，又没有运用。刚拿到题目的时候特别 的盲目不知道该如何做。老师

17、给了我们一个小时的时间去查资料，在查阅了网上 的资料和matlab书以及老师上课的课件后对此次实验冇了一个大概的掌握。 在信息论的基木运算时主要运用到的是matlab的m文件写程序实现，让我对 平均信息量的计算更加印象深刻，在对huffman编码实现信源编码时遇到了许多 的问题，开始的吋候不记得huffman编码的实现过程，在问了同学后才知道了它 是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，兀余度减小。在错pcm编码器的设计时运用到simulink,通过自己 构建系统模块实现pcm的编码译码以及输出波形，开始都是一步步按照着书上 的模块来建模，但是在调试

18、参数的时候出现了好多的问题，总是不能得出满意的 波形，在这个过程屮我学会如何分析实验原理去得到实验结果，只冇将pcm的 编码过程熟悉了，才能够建好系统模块并且调好参数，根拯你所分析的结果去得 到实验结果看是否正确。并且开始初步的对sinmlink里面的模块有一定的了解 知道了那些模块的功能是什么，适用丁什么构造屮。数字信号基带传输系统相对 而言比较快的做出来了因为书上有例题，看懂之后口己做起来比较的容易实现。 在求功率普密度时是在同学的帮助下求的到的。设计一个先验等概的2ask最 佳接收机花了比较长的时候，开始的时候要看懂通信原理怎么样构造最佳接收 机。它是由相乘器、记分器、相加器以及最后的比

19、较判决使通信系统中噪声引起 的错误率概率最小。参数设计时我调试了很多次都没有得到的满意的波形，最后 在老师的指导下才发现自己没有注意两个脉冲调制模块的参数设计英实是存在 着内在联系的，并不是自己以为的那么简单。当实验结果与自己分析的结果一致 时那种成功的兴奋感是难以言喻的。在此次课程设计屮学到的东西远远不止在于如何运用matlab软件和对 通信原理的知识掌握。更多的是学到了如何分析问题、解决问题。让我感触到无 论做什么都有个困难期这个时候不要放弃，要静下心来好好去看下基础知识，只 冇地基打的好才能建好房子的，平时屮的我们过于心急总想着一口气吃成大胖子 而忘却了最基本的东西。在以后的学习生还是要

20、先对基本原理知道掌握于心，再 加强实践能力的提升。六、附件1、编程实现信源平均信息量的计算(以高斯分布的信源为例);程序：u二4;o=5;f=l/(u*sqrt (2*pi)*exp(-(x-o)"2/2*u 2);t=-f*log2(f);r=int (t, -inf, inf);disp('平均信息量为：')redouble (r)2、编程实现离散信道容量的计算(以输入符号等概分布为例); 程序：x二0. 25, 0. 25, 0. 25, 0. 25;fl二1/4, 1/4, 1/4, 1/41/4, 1/4, 1/4, 1/41/4, 1/4, 1/4, 1/

21、41/4, 1/4, 1/4, 1/4;hfl=hmessage(x, fl, 4, 4)hx二message (x, 4)dispccl信道容量为');cl=hx-hf1f2=l/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8, 1/81/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/81/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/81/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1/& 1

22、/8;hf2=hmessage (x,f2,4,8)hx二message (x,4)dispc c2信道容量为)；c2=hxhf2函数 hmessage ()function r=hmessage (x, f, nx, my)sum二0;for i=l:nxfor j=l:myt二f (i, j)*x(i) ; %求平均互信息量 sum=sum-t*log(f (i, j)/log (2);endendr=sum;disp('平均互信息量：，);double (r) %返回结果函数 message ()function r二message(x, n)r=0;for i=l:nr=r-x

23、(i)*log (x (i)/log (2);enddisp '次离散信源的平均信息量：')；double (r)3、编程实现信源编码过程(以huffman编码为例)；程序：functionh, l=huffman(p)if length (find(p<0)=0);error input is not a prob.vector,there is negative component");endif abs (sum(p)-l) >10e10errorinput is not a prob, vector, the sum of the componen

24、t is notequal to 1，)；endn=length(p);q=p；m=zeros (nl, n);for i二l:nt,q, e=sort (q);m(i, :) = e(l:n-i+l), zeros(1, il);q 二q(l)+q (2)+q (3:n), e;endfor i=l:nl,c (i, :)=blanks (n*n);endc (nl, n)=，o'c(n-2,2*n)二'1'for i=2:n-l c(n-i, 1:n-1)=c(n-i+1, n*(find(m(n-i+1, :)=1)-(n-2):n*(find(m(n-i+1,:

25、) =1)；c (n-i, n)二'o'c (n-i, n+1: 2*n-l)二c (ni, 1: nl);c(n-i,2*n)二'1'for j=l:n;c(n-i, (j+1) *n+l:(j+2) *n) =c(n-i+1, n*(find(m(n-i+1, :)=j+l)-1+ l:n*(find(m(n-i+1, :)=j+l);endendfor i=l:nh(i, l:m) =c(l,n*(find(m(l, :)=i)-l)+l:find(m(l,:)二二i)*n); e(i) =length(find(abs(h(i,:)厂二32);ende=

26、sum(p. *e);4、数字信号基带传输系统设计5、单极性非归零码：function y=snrz(x);grid=3oo;t=0: l/grid:length(x);for i=l :length(x);if(x(i)=l),for j=l:grid, y(i-l)*grid+j)=l;end;elsefor j=l:grid,y(i-l)*grid+j)=o;endend endy=y,x(i);m=max(y);m=min(y);subplot(2,l,l);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1 ,m+0.1);0 0 0titlefl00110 1 0 1*);6、码型功

27、率谱密度分布n=1024;m=64;s=n/m;a=round(rand( 1 ,s);rb=2;t=l/rb;dt=t/m;f=l/n/dt;fs=l/dt;y=snrz(a);ys=abs(fft(y).a2/n;f=o:f:fs;figure(2)plot(f,10*(logl0(ys);单极性归零码：function y=srz(x);grid=200;t=0: l/grid:length(x);for i=l :length(x); if(x(i)=l), for j=l:grid/2,y(grid/2*(2*i-2)+j)=l; y(grid/2*(2*i-1 )+j)=0;end

28、elsefor j=l :grid/2, y(grid*(i-l)+j)=o;endendendy=y,x(i)； m=max(y);m=min(y);axis(0 120 1.2)subplot(2,l,l);plot(t,y);titlefl000 1 0 1)；7、双极性非归零：function y=dnrz(x);grid=300;t=0: l/grid:length(x);for i=l :length(x);if(x(i)=l),for j=l:grid, y(i-l)*grid+j)=l;end;elsefor j=l :grid, y(i-l)*grid+j)=-l;endend endy=y,x(i);m=max(y);m=min(y);subplot(2,l,l);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1 ,m+0.1);titlec 10010 1 0 1*);8、双极性功率普n=1024;m=64;s=n/m;a=round(rand(l,s);rb=2;t=l/rb;dt=t/m;f=l/n/dt;fs=l/dt;y=dnrz(a);ys=abs(fft(y).a2/n;f=o:f:fs;figure(2)plot(f,10*(logl0(ys);9、双极性归零：