数字信号频带传输系统设计.doc

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2、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。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。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人合作来完成题目7。3、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 目 录一、课题的主要功能1二、课题的功能模块的划分12.1、信息论基本计算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、信息论基本计算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、信息论基本信息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要功能是希望学生能够通过利用MATLAB软件对通信原理的课程内容进行仿真，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。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本原理了解的更透彻。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。同时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 信息论基本计算平均信息量计算离散信道容量计算信源编码过程高斯分布等概率分布Huffman编码 图（一）2.2、 PCM编译码器应用PCM编译码器 1、 模拟话音 2、数字信号 3、 系统仿真 4、 应 用 举 例 输出波形 图（二）2.3、 数字信号基带传输系统设计 基带信号传输系统信号波形码型转换 误码率码型功率谱单极性双极性AMI码 图（三）2.4、设计一个先等概的2ASK最佳接收机2ASK最佳接受机系统建模 数字信号进行接受判决输入输出进行系统分析 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）原理与分析对离散信源的平均信息量（熵）为 H（X）=-也可以用其他的数作为对数的底，如以e为底，单位有比特改为奈特（nit）。 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）=-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： ； 则由平均信息量的公式 H(X)= ；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，信号所要通过的通道。信道在信息系统中的主要作用是传输与存储信息，而在通信系统中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r个符号，则该信道的信息传输速率为R=I(X,Y)r=H(X)-H(X|Y)r=H(Y)-H(Y|X)r而信道容量C就是R的最大值max(R)。在H(Y|X)一定的时候，当H(Y)达到最大值时，信道容量C也达到最大值，通常在涉及的信道中，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，信源熵有最大值时，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=1/4, i=1,2,3,4.3.1.3 以Huffman编码实现信源编码 开始输入是否为等概率分布得到的输入序列p输入概率序列P按概率大小排序从最下概率开始编码将以编码概率合并，重新按大小排序合并概率为1概率归一，逆至对应码元消息结束图（五）3.2、PCM编译码器 3.2.1、PCM系统的原理方框图模 拟信 号输 入编码器PCM信 号解码器模拟信号输 出抽样保持电路量化器编码器解码器低统滤波器 图（五）3.2.2用simulink建立PCM译码器 图（六） 3.2.3 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G(f)G(f)C(f)抽样判决接受滤波器信道发送滤波器噪声图（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单极性非归零 双极性非归零 码元取值为1码元取值为1开始t=0:length(x)X(i)=1码元取值为1码元取值为-1 画图 结束YN图（十一）t开始t=0:length(x)X(i)=1码元取值为1码元取值为0YN 画图 结束 图（十）基带信号的波形：将二进制信号用数字“0”和“1”“-1”表示，这些数字在电路中是用电压表示出来的，现在用矩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(0)f(r)在区域A内所有点上： P(0)f(r) P(1)f(r)当先验概率相等时：当接收矢量r使：f(r) f(r)，则判发送码元是“0”当接收矢量r使：f(r) f(r)，则判发送码元是“1”3.4.2等先验概率二进制最佳接收机原理方框图相乘器积分器相乘器积分器比较判决图（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 四、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) （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) 4.2、 PCM编译码器设计及应用 （1）用simulink对系统建模设计一个PCM编译码器 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 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 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后的脉冲和经过信道后的信道误码脉冲图（二十一） 经过PCM后的正弦信号和经过信道后的信道误码脉冲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）双极性非归零图（二十五）双极性归零图（二十六）AMI码图像（2）并绘出每种码型的功率谱分布 图（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4.4、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有了一个大概的掌握。在信息论的基本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，开始的时候不记得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，冗余度减小。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，在这个过程中我学会如何分析实验原理去得到实验结果，只有将PCM的编码过程熟悉了，才能够建好系统模块并且调好参数，根据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，适用于什么构造中。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，看懂之后自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其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。在此次课程设计中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，只有地基打的好才能建好房子的，平时中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=4;o=5;f=1/(u*sqrt(2*pi)*exp(-(x-o)2/2*u2);t=-f*log2(f);r=int(t,-inf,inf);disp(平均信息量为：)r=double(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=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=message(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 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8; hf2=hmessage(x,f2,4,8) hx=message(x,4) disp(c2信道容量为); c2=hx-hf2函数hmessage()function r=hmessage(x,f,nx,my)sum=0;for i=1:nx for j=1:my t=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=message(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： );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(p10e-10 error(Input is not a prob.vector,the sum of the component is not equal to 1.);end n=length(p);q=p;m=zeros(n-1,n);for i=1:n-1, q,e=sort(q); m(i,:)=e(1:n-i+1),zeros(1,i-1); q=q(1)+q(2)+q(3:n),e;endfor i=1:n-1, c(i,:)=blanks(n*n);endc(n-1,n)=0;c(n-2,2*n)=1;for i=2:n-1 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,:)=1); c(n-i,n)=0; c(n-i,n+1:2*n-1)=c(n-i,1:n-1); c(n-i,2*n)=1; for j=1:n; c(n-i,(j+1)*n+1:(j+2)*n)=c(n-i+1,n*(find(m(n-i+1,:)=j+1)-1+. 1:n*(find(m(n-i+1,:)=j+1); endendfor i=1:n h(i,1:m)=c(1,n*(find(m(1,:)=i)-1)+1:find(m(1,:)=i)*n); e(i)=length(find(abs(h(i,:)=32);end e=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=300;t=0:1/grid:length(x);for i=1:length(x); if(x(i)=1), for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=1; end; else for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=0; end endendy=y,x(i);M=max(y);m=min(y);subplot(2,1,1);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);6、码型功率谱密度分布N=1024;M=64;s=N/M;a=round(rand(1,s);rb=2;T=1/rb;dt=T/M;F=1/N/dt;Fs=1/dt;y=snrz(a);ys=abs(fft(y).2/N;f=0:F:Fs;figure(2)plot(f,10*(log10(ys);单极性归零码：function y=srz(x);grid=200;t=0:1/grid:length(x);for i=1:length(x); if(x(i)=1), for j=1:grid/2, y(grid/2*(2*i-2)+j)=1; y(grid/2*(2*i-1)+j)=0; end else for j=1:grid/2, y(grid*(i-1)+j)=0; end endendy=y,x(i);M=max(y);m=min(y);axis(0 12 0 1.2)subplot(2,1,1);plot(t,y);title(1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);7、双极性非归零：function y=dnrz(x);grid=300;t=0:1/grid:length(x);for i=1:length(x); if(x(i)=1), for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=1; end; else for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=-1; end endendy=y,x(i);M=max(y);m=min(y);subplot(2,1,1);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title( 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1);8、双极性功率普N=1024;M=64;s=N/M;a=round(rand(1,s);rb=2;T=1/rb;dt=T/M;F=1/N/dt;Fs=1/dt;y=dnrz(a);ys=abs(ff