通信原理课程设计

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 2011 年 12 月 12 日西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 通信原理课程设计 课 题 数字信号频带传输系统设计 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 日西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页一、设计目的与设计内容结合通信原理课程内容，培养实际动手能力，增强把书本知识转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中的各个基本环节。1设计内容：具体设计题目包括：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。学生还可以根据自己的兴趣，围绕通信原理课程知识自由选题。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）对其应用举例阐述题目 3 数字信号基带传输系统设计要求：（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（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西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页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（2）2FSK 调制/相干解调器和非相干解调系统（包络检波法）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 绘出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题目 5 设计一个先验等概的 2ASK 最佳接收机要求：（1）编程实现或是用 simulink 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（用平方环和科斯塔斯环实现载波提取）电路要求： （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出波形（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（1） 、4（2） 、4(3)、4(4)，5，6 中的一个；综合题目 7：每班同学中，做 2、3、4、5 题目的各选 2 个同学，共计 6 人西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页合作来完成题目 7。2设计要求：1、在一周内学生须上机 16 小时以上，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印机输出，并请教师在程序清单上签字。2、课程设计报告内容和格式：设计题目，设计的详细步骤，设计过程中的结果、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、中、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 8：0012：00星期五 8：0012：00 星期日 8：0012：00 星期日 14：0018：00第十七周 星期二 14：0018：00 星期四 14：0018：00附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分、附件（A4 大小的图纸及程序清单） 。 正文的格式:一级标题用 3 号黑体,二级标题用四号宋体加粗,正文用小四号宋体;行距为 22。正文的内容:一、课题的主要功能；二、课题的功能模块的划分（要求画出模块图） ；三、主要功能的实现（至少要有一个主要模块的流程图） ；四、程序调试；五、总结；六、附件（所有程序的原代码，要求对程序写出必要的注释） 。正文总字数要求在 5000 字以上（不含程序原代码） 。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页目录1、主要功能.72、功能模块的划分.71、信源平均信息量的计算(以高斯分布的信源为例).72、离散信道容量的计算(以输入符号等概分布为例).73、信源编码过程(以 Huffman 编码为例).74、 PCM 编译码器设计及应用.85、 数字信号基带传输系统设计.86、数字信号频带传输系统设计.93、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).102、离散信道容量的计算(以输入符号等概分布为例).103、信源编码过程(以 Huffman 编码为例).114、PCM 编译码器设计及应用.115、编程实现常见基带信号的波形、码型转换包括：单极性非归零码、单极性归零码、双极性非归零码、双极性归零码、AMI 码.126、波形、码型的功率谱分布的绘图，包括：单极性非归零码、单极性归零码、双极性非归零码、双极性归零码、AMI 码.157、编程实现基带传输系统的误码率计算：二电平误码率计算.18四、功能模块的分析与流程图.211、信息论基本运算模块.212、PCM 编译码的设计及运用模块.21五、程序及 Simulink 调试.23六、心得体会.23七、评分表.25八、附件（程序清单）.26西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页一、 主要功能MATLAB 是由 MathWorks 公司开发的一种主要用于数值计算及可视化图形处理的工程语言，是当今最优秀的科技应有软件之一。它将集数值分析、矩阵运算、图形图像处理、信号处理和仿真等诸多强大的功能集成在较易使用的交互计算机环境之中，为科学研究、工程应用提供了一种功能强、效率高的编程工具。本次课程设计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，提高自身的实际应用、动手能力。最终使学生通过课程设计学会应用 MATLAB 软件来实现信号传输中的各个基本环节。二、 功能模块的划分1、信源平均信息量的计算(以高斯分布的信源为例)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： ；iiixplog*21pxexp2a-2、离散信道容量的计算(以输入符号等概分布为例)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、信源编码过程(以 Huffman 编码为例)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 编码方法如下：（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，与未分配的二进制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，直到 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。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页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、PCM 编译码器设计及应用（1）PCM 编码器系统Simulink 实现 PCM 技术的三个过程：采样、量化与编码。其中以 saturation 作为限幅器，将输入信号幅度值限制在 PCM 编码定义的范围内，Relay 模块的门限设置为 0，其输出即可作为 PCM 编码输出的最高位极性码。样值取绝对值后，以 LookUp Table 模块进行 13 折线压缩，并用增益模块将样值范围放大到 0127,然后用间距为 1 的 Quantizer 进行四舍五入取整，最后将整数编码为 7 位二进制序列，作为 PCM 编码的低 7 位。（2）PCM 译码器系统PCM 解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和 7 位数据，然后将 7 位数据转换为整数值，再进行归一化、扩张后与双极性码相乘得出解码值。（3）PCM 编译码器整体系统5、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、码型转换包括：单极性非归零码、单极性归零码、双极性非归零码、双极性归零码、AMI 码。单极性非归零码：用电平 1 来表示二元信息中的“1” ，用电平 0 来表示二元信息中的“0” ，电平在整个码元的时间里不变，记作 NRZ 码。单极性归零码：它与单极性非归零码不同处在于输入二元信息为 1 时，给出得码元前半时间为 1，后半时间为 0，输入 0 则完全相同。双极性非归零码：它与单极性非归零码类似，区别在于双极性使用电平-1 来表示信息 0.双极性归零码：此种码型比较特殊，它使用前半时间 1,、后半时间 0 来表示1；采用前半时间-1、后半时间 0 来表示信息 0.因此它具有 3 个电平，严格的说是一种三元码（电平 1,0，-1） 。AMI 码：全称是传号交替反转码。其编码规则是将消息码中的“1”交替变成“+1”和“-1” ，将消息码中的“0”仍保持为“0” 。（2）波形、码型的功率谱分布的绘图，包括：单极性非归零码、单极性归零码、双极性非归零码、双极性归零码、AMI 码。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 9 页数字基带信号一般是随机信号，因此分析随随机信号的频谱特性要用功率谱密度来分析。一般来说求解功率谱是一件相当困难的事情，但由于上述几种码型比较简单，因此可以求出功率谱。（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。6、数字信号频带传输系统设计（1）2ASK 调制/相干解调系统设计（2）2ASK 调制/非相干解调系统设计（包络检波法）产生二进制振幅键控信号的方法，或称调制方法，主要有两种。第一种采用相乘电路法，用基带信号和载波相乘就得到了已调信号输出。第二种是采用开关电路法。在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号 1 或 0 的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”，这样就可以得到 2ASK 信号，这种二进制振幅键控方式称为通断键控（OOK）。其时域数学表达式为：（1）2()cosASKntat式中，A 为未调载波幅度， 为载波角频率， 为符合下列关系的二na进制序列的第 n 个码元：（2）Pa出 现 概 率 为出 现 概 率 为 110综合式 1 和式 2，令 A1，则 2ASK 信号的一般时域表达式为： tnTtgatScnsKo)()(c式中，T s为码元间隔， 为持续时间 T s/2，T s/2 内任意波形形()t状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而 就是代表二进制信息()St的随机单极性脉冲序列。采用相乘电路产生二进制 ASK 信号时，用基带信号 A（t）与载波coswt 相乘就得到已调信号输出。2ASK 信号解