课程实验报告

1、河南师范大学CDIO课程项目设计报告项 目 名 称 采用8QAM调制和hamming码技术 专 业 通信工程 班 级 指 导 教 师 设 计 时 间 通信工程CDIO项目任务书通信系统仿真一、题目： 数字通信系统仿真采用8QAM调制和hamming码技术 二、班级、学号、姓名： 通信工程一班：1008224011 李莉萍；1008224012 雷明琦；1008224014 魏涯峰；1008224015 常欣欣；1008224018 李萍三、项目起止时间： 2013.03-2013.06 四、技术要求及原始数据： 1. 对数字通信系统主要原理和技术进行研究，包括8进制正交调幅（8QAM）及解调技

2、术、高斯噪声信道原理、以及信道编码中hamming码的基本原理等。 2. 建立完整的基于8QAM和hamming码的数字通信系统仿真模型，包括8QAM 调制解调及hamming码的编译码； 3. 在信道中加入高斯噪声，观察系统的纠检错能力，统计误码率，并进行分析。 五、主要任务： 1、建立数字通信系统数学模型； 2、利用Matlab建立数字通信系统的仿真模型； 3、对通信系统进行时间流上的仿真，得到仿真结果； 4、将仿真结果与理论结果进行比较、分析。 学 生（签字）： 指导教师（签字）： 系 主 任（签字）： 院 长 （签字）： 1 项目计划1.1项目设计目的与内容要求目的：通过我们对电子系统

3、设计课程的学习和理解，综合运用课本中所学到的理论知识完成数字通信系统仿真采用8QAM调制和hamming码技术的课程设计。以及锻炼我们查阅资料、方案比较、团结合作的能力。学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，增强我们的动手能力，为以后学习和工作打下基础。要求： （1）对数字通信系统主要原理和技术进行研究，包括8进制正交调幅（8QAM）及解调技术、高斯噪声信道原理、以及信道编码中hamming码的基本原理等。 （2）建立完整的基于8QAM和hamming码的数字通信系统仿真模型，包括8QAM调制解调及hamming码的编译码。 （3）在信道中加入高斯噪声，观察系统的纠检错能力，统计误码率，并

4、进行分析。2 需求分析与设计说明 （需求分析、设计原理和设计流程）2.1 需求分析这次课程设计的主要思想是将通信中常用的技术运用到我们的设计中，通过MATLAB仿真软件来模拟信号的传送和接收。经过对题目的分析，这次设计的基本思路是用随机函数产生一个随机信源，经过信道编码hamming码，再用8QAM调制，经过添加高斯白噪声之后再通过相应的解调和解码就能得到接收到的信号。2.2 设计原理2.2.1 数字通信系统模型 数字通信系统模型图2-1所示：图2-1 数字通信系统模型2.2.1 8QAM调制解调原理 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）

5、是一种振幅和相位联合调制键控，频谱利用率较高的调制方式，它用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波的双边带调制，并利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信号传输。 正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度。一个信号叫I信号，另一个信号叫Q信号从。角度将一个信号可以表示成正弦，另一个表示成余弦。两种被调制的载波在发射时已被混和。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。  QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部

6、和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（和）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率。 一个码元可以表示为：   （2-1）展开上式为： （2-2）令    （2-3）式子（2-2）可以变为同相分量和正交分量的形式： （2-4）是两个正交的振幅键控信号之和。 QAM的调制框图2-2所示。 图2-2 QAM的调制框图QAM的解调框图如2-3所示。图

7、2-3 QAM的解调框图2.2.3 hamming码的编译码原理1、 编码原理一般来说，若汉明码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。若希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求 （2-5） 下面以（7，4）汉明码为例说明原理：  设汉明码（n,k）中k=4，为了纠正一位错码，由式（2-5）可知，要求监督位数r3。若取r=3,则n=k+r=7。我们用来表示这7个码元，用的值表示3个监督关系式中的校正子，则的值与错误码元位置的对应关系可以规定如表1所列。表1 校正子和错码位置的关系则由表1可得监督关系式： （2-6） （2-7） （2-8）

8、 在发送端编码时，信息位的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监督位应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使式（2-6）式（2-8）中的值为0（表示编成的码组中应无错码）： （2-9） 式（2-9）经过移项运算，接触监督位 （2-10）式子（2-9）的等价形式为 （2-11）式（2-10）还可以简记为 （2-12）其中所以有 （2-13）式（2-10）等价于 （2-14）其中Q为P的转置，即 （2-15）式（2-14）表示，信息位给定后，用信息位的行矩阵乘矩阵Q就产生出监督位。 我们将Q的左边加上一个k×k阶单位方阵，就构成一个矩阵G （2-16）G称为生成矩阵，因

9、为由它可以产生整个码组，即有 （2-17）或者 （2-18）式（2-17）即hamming码的编码原理。2、 hamming译码原理当数字信号编码成汉明码形式（本文中即A）后在信道中传输，由于信道中噪声的干扰，可能由于干扰引入差错，使得接收端收到错码，因此在接收端进行汉明码纠错，以提高通信系统的抗干扰能力及可靠性。 一般来说接收码组与A不一定相同。若设接收码组为一n列的行矩阵B，即 （2-19）则发送码组和接受码组之差为 （2-20）E就是传输中产生的错码行矩阵 （2-21） 若，表示接受码元无错误，若，则表示该接受码有错。若E=0，即接受码组无错，则，将它带入式（2-12）仍成立，

10、即有 （2-22）当接收码组有错时，E0，将B带入式（2-12）后，该式不一定成立。在未超过检错能力时，式（2-22）不成立。假设此时式（2-22）的右端为S，即 （2-23）将 B=A+E代入式（2-23），可得 （2-24）由式（2-12）可知，所以 （2-25）此处S与前面的S1S2S3有着一一对应的关系，则S能代表错码位置。因此，纠错原理即，接收端收到码组后按式（2-23）计算出S,再根据表1判断错码情况，进行差错纠正。2.2.4高斯噪声信道原理 信道中存在的不需要电信号统称为噪声，通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有输入信号时通信系统中也有噪声，噪声永远存在于通

11、信系统中。噪声可看成是信道中的一种干扰，成为加性干扰，因为他是叠加在信号上的，噪声对于信号的传输时有害的，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码，并限制着信息的传输速率。 信道中加性噪声的来源，一般可以分为三方面：(1)人为噪声。人为噪声来源于无关的其它信号源，例如：外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射等。(2)自然噪声。自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，例如：闪电、雷击、大气中的电暴和各种宇宙噪声等。(3)内部噪声。内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如：电阻中自由电子的热运动和半导体中载流子的起伏变化等。 某些类型的噪声是确知的，虽然消除这些噪声不一定很容易，

12、但至少在原理上可消除或基本消除，另一些噪声则往往不能准确预测其波形，这种不能预测的噪声统称为随机噪声，我们关心的只是随机噪声。常见的随机噪声分为： 单频噪声：为连续波干扰。特点：频带窄，可实测后避开或网络设计时考虑减小其干扰值。 脉冲噪声：为时间上的突发性干扰。特点：时间短，幅度大，频带宽。可从时间上避开（中断通信一瞬间）。 起伏噪声：为时间上连续、频带极宽的干扰。在通信过程中，无法从时域、频域避开此噪声。一般加性噪声仅考虑为起伏噪声。起伏噪声包含： 散弹噪声：由半导体器件电子发射的不均匀性引起的噪声。 热噪声：电阻类导体中电子的布朗运动（热运

13、动）引起的噪声。 满足高斯分布，在1013 Hz内其功率谱密度为常数。 宇宙噪声：天体辐射所形成的噪声。 服从高斯分布，通过实测，在20300MHZ范围内,具有较平坦的功率谱密度，但强度较小。 由于在一定的频率范围内，起伏噪声的功率谱近似平坦，为白噪声或限带白噪声。加性噪声为零均值高斯白噪声。 加性高斯白噪声作用下的调制信道（白高斯信道）可由Shannon公式计算信道的容量： (2-26)其中，为信道带宽（Hz），S为信号功率(W)，为白噪声功率。 2.3 设计流程2.3.1程序流程图 程序流程图如图2-3所示图2-3 程序

14、流程图2.3.2 仿真程序设计msg=randint(10,4,2);%原始信息A=reshape(msg,1,);primpoly=gfprimdf(3,2);code=encode(msg,7,4,'hamming',primpoly);%汉明编码a=reshape(code,1,);code2=qammod(code,2);%2DPSK编码.ynoisy=awgn(code2,15,'measured');%高斯噪声信道.信噪比15b=reshape(ynoisy,1);scatterplot(b);%产生加入噪声后信息的散点图decode2=qamdem

15、od(ynoisy,2);%2DPSK解码c=reshape(decode2,1,);figure(2);%显示编码后信息和通过2DPSK编码及高斯噪声后的编码subplot(2,1,1);i=1:length(a);stem(i,a(i);title('汉明编码');grid;subplot(2,1,2);j=1:length(c);stem(j,c(j);title('通过8QAM调制解调和噪声后的编码');grid;msg1=decode(decode2,7,4,'hamming',primpoly);%汉明译码M=reshape(msg1

16、,1,);figure(1);subplot(2,1,1);x=1:length(A);stem(x,A(x),'*');title('原始信息');grid;subplot(2,1,2);y=1:length(M);stem(y,M(y),'*');title('编译的信息');grid;number,ratio=symerr(msg,msg1);%误码个数及误码率2.3.3 仿真结果图2-4 编译前后的信号图2-5 hamming编码图2-6 产生加入噪声后信息的散点图图2-7 误码个数及误码率3 总结 课程设计是培养学生综合

17、运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节。而计算机通信则是一门实用性很强的课，特别是数据通信与计算机的结合，派生出当前计算机最具发展前途的计算机网络。而计算机通信课程设计则很好地体现了这门课程的实用性，在整整一学期课本理论知识的学习使我感到对迷茫与无助，有种脱离实际的空虚感，但是课程设计给我提供了很好的一个理论与实际相结合的平台，它使我把理论知识实用化，也使是我对这门课有了一个新的认识，对整个知识框架又有了一个全新的认识，同时我也意识到这门课是一门实用性很强的课程，作为通信工程的必修课，在课设过程中我意识到了它在我的以后工作生活中的实用价值。  在设计的过程中，我有许多不懂得地方，在完成过程中老师指导我去怎么选择资料，如何去利用网络资源，在这个学习的过程中，我也进一步了解到Matlab的实用价值，更加深刻地理解了通信这门课程中纠错码与纠错原理，更加深刻地理解了循环冗余校验码CRC原理。是我系统地学习了hamming码的编码与译码原理与其的实现方法。能够用此去分析不同输入码情况