通信原理课程设计_谭云杰.docx

课 程 设 计 报 告课程名称 通信原理课程设计 课题名称 信息论基本计算；PCM编译码器设计及应用；数字信号基带传输系统设计；设计一个DSB调制/解调电路 专 业 通信工程 班 级 通信0902 学 号 200903020206 姓 名 谭云杰 指导教师 张细政、彭帧、曹燚 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 信息论基本计算；PCM编译码器设计及应用；数字信号基带传输系统设计；设计一个DSB调制/解调电路 专业班级 通信0902 学生姓名 谭云杰 学 号 200903020206 指导老师 张细政 彭祯 曹燚 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。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）。一 信息论基本计算1.课题的主要功能 通信系统传递的是消息，如何度量消息中的信息是一个值得研究的问题。消息以具体信号的形式表现出来，携带有抽象的信息，为了衡量通信系统，应对被传输的消息进行定量的测量。一个消息中包含的信息多少称为信息量。信道是所传信息的载体，信号所要通过的通道。信道容量是衡量信道性能的主要标志之一。信源编码是用量化的方法将一个源信号转化为一个数字信号，所得信号的符号为某一有限范围内的非负整数。本课题就是变成实现这些信源信息量，信道容量的计算，实现对信源编码。2.课题的主要功能实现（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)；分别见附件的程序语言。二 PCM编译码器设计及应用：.课题的主要功能为了适应现代通信系统的要求，模拟信号的直接传输存在许多问题，本课题就是对模拟信号进行数字化，使之符合数字通信系统的要求。.课题的主要功能模块本次课题主要功能模块包括对模拟信号的编码，其中主要包括抽样，量化和编码；其次是对模拟信号的解码。在针对实际情况，在设计过程加入信道。脉冲编码调制系统的大致过程如下所示： 图一：PCM编译码模块图3.主要功能的实现1.simulink建模用simulink对系统建模设计一个PCM编译码器1.PCM编码器建立子系统模块，封装定义为subsystem1. 图二：（PCM编码系统）2.PCM解码器建立子系统模块，定义封装名为subsystem 图三：（PCM解码系统）2.模拟语音信号与数字信号输入PCM系统图四模拟语音信号输入PCM系统输入输出图，从图中可以看出信号出现失真。图五数字信号输入PCM系统的输出前后图图六系统的性能分析对PCM系统的性能分析，主要看它的量化信噪比 图七仿真结果如图所示 图八在国际上，通常选定为，主要是是折线第一段斜率为.通过仿真分析，在小信号附近，量化信噪比比较大，在大信号的情况下，信噪比明显减小。这与理论情况相符合。.应用举例本设计针对现实情况，让信号通过编码后在信道中传输，通过加入噪声，观看编码后的输出波形。 图九三 数字信号基带传输系统设计.课题的主要功能数字基带传输系统是一种最基本的传输系统，在不经过调制直接进入信道进行传输,本次课题的主要功能通过码型变换后，求出各种码型的功率谱，求出在最佳判决门限下的误码率以及码元接收时的扰码与解扰问题。2.课题的主要功能模块 图十3.主要功能模块的实现(1)运用matlab语言编写码型产生代码，其程序代码附录所示。（2）绘出每种波形、码型的功率谱分布 图十一 图十二通过仿真分析，在单极性功率谱零点处存在一个冲激函数，而在双极性功率谱零点出不存在。而且波形形状与抽样函数的平方相符合。（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；本误码率的计算通过图形的形式表现出来，横坐标为信号的信噪比，纵坐标为误码率。在基带信号传输系统中，对发射和接收滤波器有严格要求才能达到最佳接收，在最佳接收情况下，给出了其误码率。 图十三（4）编程实现基带信号传输的扰码与解扰。通过程序仿真，在存在噪声的条件下，若码元速率为Rb，则根据奈奎斯特第一定律，滤波器带宽应为1/2Rb，所以改变滤波器的这一参数Fd，则出现不同眼图。图十四为Fd等于400，图十五为Fd等于600 图十四（Fd=400） 图十五（Fd=600）通过比较，实验与奈奎斯特第一准则的要求想符合。四 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1.课题主要实现功能在普通调幅电路中，由于发送的大部分功率为不含信息成分的载波功率，为了节省发送功率，可以对其进行不含载波的调制，本课题是对调制信号进行DSB AM调制，通过直接提取法提取载波，进行相干解调。.课题主要功能模块 图十六（DSB调制原理图）.主要功能的实现在实现对载波的提取时，主要有两种方法，一种是平方法，另一种是科斯塔斯环法。其原理方框图分别如下 图十七：平方法实现载波提取 图十八：平方法的改进 图十九：科斯塔斯环法原理图 4.用simulink对系统建模（1）建立DSB调制的模块系统Simulink对系统建模，主要是基于上述的原理图，关键是对参数的设置，才能达到实验所需要的结果。 图二十：平方环实现载波同步的DSB调制 图二十一：科斯塔斯环实现载波同步的DSB调制（2）输入模拟话音信号观察其输出波形；将模型里面的一个signal genertator 模块变成random number模块，仿真波形为 图二十二 图二十三图二十二表示在平方环提取载波情况下输出结果图，图二十三表示在科斯塔斯环提取载波下的输出结果图。（3）对所设计的系统性能进行仿真分析在这两系统中，如果设计载波频率为10kz，基带信号为1kz。对于环路滤波器的设计，在锁相环中， 环路滤波器的性能对整个环路性能的影响很大. 滤波器的截止频率选择越高， 环路锁定的时间越短， 但同时控制电压上高频成分较多， 导致VCO 输出信号的频率稳定度下降； 反之， 如果设置较低的截止频率， 则输出控制电压上高频成分相对较小， 但环路进入锁定所需的时间较长， 而这时VCO 输出信号的频率稳定度将提高. 由工作原理可知， 平方环的工作频率是科斯塔斯环的2 倍。对于平方环电路设计低通滤波器的频率为4kz，将信道信噪比设为70dB，其压控振荡器输出的频谱如图所示； 图二十四（70dB，4kz）将信道比设置为-3dB时 图二十五（-3dB，4kz）对于科斯塔斯环法，此时高斯信道信噪比设为70dB，将低通滤波器设计为2kz时，其压控振荡器输出的频谱如图所示。 图二十六（70dB，2Kz）将信道信噪比设为-3dB时，频谱图为图二十七（-3dB，2kz）通过仿真分析，可以看出科斯塔斯环同步提取载波的方法抗干扰比平方环法要强一些，但是他们都有一个共同的缺点就是存在相位模糊的情况。四 程序调试对于本次课程设计大部分的为simulink，对simulink模块最困难的是其参数的设置。其中对于程序调试，对我最映像深刻是怎么实现码间串扰。首先主要怎么编写滤波器，刚开始对升余弦滤波器不太熟悉，查找相关资料，才编写出来。以及在编写脉冲冲激串是将其写在码元末尾，意在对其最佳抽样。五 总结通过这次的课程设计对于我来说主要增强了对通信原理的理论有了更深层次的加深，以及对matlab语言和simulink有了实践是经验。通过图形化的分析将理论联系起来，我认为这是很好的学习方法。Matlab在对通信系统仿真方面，我认为我们还只学到皮毛中的皮毛，运用此软件我们不能只停留在这次课程设计方面，在今后的学习中，我们可以充分应用这软件，既能提高matlab技能，又能增强专业技术知识。在这值得一提的是，我们必须增强英语的水平，对于我来说，在运用matlab的help时，由于英语水平有限，使得阅读起来非常困难。六 评分表计算机与通信学院课程设计评分表课题名称： 项 目评 价设计方案的合理性与创造性设计与调试结果设计说明书的质量答辩陈述与回答问题情况课程设计周表现情况综合成绩 教师签名： 日 期： 六 附件1 .信息论基本计算1.实现信源平均信息量的计算(1) 离散信源的信息量计算function r=message(x,n) %参数x是概率分布，n是离散信源的分布值数目%离散信源的信息量计算r=0;for i=1:n r=r-x(i)*log(x(i)/log(2);enddisp(此离散信源的平均信息量为);r（2）连续信源的信息量计算function r=cmessage(f) %f为信源的概率分布函数%连续信源的信息量计算t=-f*log(f)/log(2);r=int(t,-inf,inf);disp(平均信息量为);r=double(r);syms x u ou=input(请输入正态分布函数的均值);o=input(请输入正态分布函数的方差);f=exp(-(x-u)2/(2*o2)/o*sqrt(2*pi); %定义正态分布函数fcmessage(f)2.编程实现离散信道容量的计算function r=hmessage(x,f,nx,my)% x为输出的概率分布,f为转移概率矩阵,nx为输出的符号的可选个数,即x的元素% 个数,nx同时也是矩阵f的行数,my是矩阵的列数,也即输出概率空间中的元素个数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(平均互信息量为);double(r) %返回结果clear all；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;%定义信道概率的转移矩阵hf1=hmessage(x,f1,4,4)hx=message(x,4)disp(信道容量)c1=hx-hf1;3.编程实现信源编码过程(以Huffman编码为例)function h,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.);endn=length(p); %得到输入的元素个数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);end%以下计算各个元素码字c(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:i-1 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);ende=sum(p.*e); %计算平均码长 PCM系统性能分析clear all;freq=1; %输入正弦波频率AdB=-60:1:10; %输入电平(分贝)A=10.(AdB./20);mu=255;%非均匀量化情况 for k=1:length(A) sourceAmp=A(k); %信号电平赋值 sim(pcmxzb.mdl); %启动仿真模型 SNR(k)=10*log10(SandN(1)./SandN(2); %计算量化信噪比 end plot(AdB,SNR,p); %量化信噪比曲线xlabel(输入信号电平dB);ylabel(量化信噪比dB);axis(-60 10 0 50)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：非归零/归零码、AMI码；1.单极性不归零码function y=snrz(x)% 输入x为二进码,输入y为编好的码% 给出计算每一个码元的点数,因为我们只有用离散的点来得出连续的函数表示grid =64;t=0:1/grid:length(x);for i=1:length(x); %计算码元的值 if (x(i)=1), %如果信息为1 for j=1:grid, %该码元对应的点取值1 y(i-1)*grid+j)=1; end else for j=1:grid, %反之,信息为0,码元对应点值取0 y(i-1)*grid+j)=0; end endendy=y,x(i); %为了画图,注意要将y序列加上最后一位M=max(y); m=min(y)subplot(521);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(单极性不归零);2.单极性归零码function y=srz(x)% 输入x为二进码,输入y为编好的码grid =64;t=0:1/grid:length(x); %给出相应的时间序列for i=1:length(x); %计算码元的值 if (x(i)=1), %如果信息为1 for j=1:grid/2, y(grid/2*(2*i-2)+j)=1; %定义前半时间值为1 y(grid/2*(2*i-1)+j)=0; %定义后半时间值为0 end else for j=1:grid/2, %反之,信息为0 y(grid*(i-1)+j)=0; %定义所有时间值为0 end endendy=y,x(i); %为了画图,注意要将y序列加上最后一位M=max(y); m=min(y);subplot(523)plot(t,y);title(单极性归零码);axis(0,i,m-0.1,M+0.1); 3.双极性归零码function y=drz(x)% 输入x为二进码,输入y为编好的码grid =64;t=0:1/grid:length(x);for i=1:length(x); %计算码元的值 if (x(i)=1), %如果信息为1 for j=1:grid/2, y(grid/2*(2*i-2)+j)=1; %定义前半时间值为1 y(grid/2*(2*i-1)+j)=0; %定义后半时间值为0 end else for j=1:grid/2, %反之,信息为0 y(grid/2*(2*i-2)+j)=-1; %定义前半时间为-1 y(grid/2*(2*i-1)+j)=0; %定义后半时间为0 end endendy=y,x(i); %为了画图,注意要将y序列加上最后一位M=max(y); m=min(y)subplot(525);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(双极性归零码);4.双极性不归零码function y=dnrz(x)% 输入x为二进码,输入y为编好的码% 给出计算每一个码元的点数,因为我们只有用离散的点来得出连续的函数表示grid =64;t=0:1/grid:length(x);for i=1:length(x); %计算码元的值 if (x(i)=1), %如果信息为1 for j=1:grid, %该码元对应的点取值1 y(i-1)*grid+j)=1; end else for j=1:grid, %反之,信息为0,码元对应点值取0 y(i-1)*grid+j)=-1; end endendy=y,x(i); %为了画图,注意要将y序列加上最后一位M=max(y); m=min(y)subplot(527);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(双极性不归零码);5. AMI码的编码function y=amima(x)grid=64;t=0:1/grid:length(x)y=x;% 输出yn初始化 num=0;% 计数器初始化for i=1:length(x) if x(i)=1 num=num+1; % “1”计数器 if num/2 = fix(num/2) % 奇数个1时输出-1,进行极性交替 for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=1; end else for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=-1; end end else for j=1:grid, y(i-1)*grid+j)=0; end endendy=y,x(i);M=max(y); m=min(y)subplot(5,2,9);plot(t,y);axis(0,i,m-0.1,M+0.1);title(AMI码);6.绘出每种波形、码型的功率谱分布k=input(输入采样点得指数2k=);N=2k ; % 采样点数M=64; %每个码元采样点数rb=2;%码元速率t=1/rb;%码元持续时间dt=t/M;%时域采样间隔F=1/N/dt;%频率分辨率S=floor(N/M);%码元个数fs= N*F;f=0:F:fs;a=round(rand(1,S);y1=snrz(a);Pxx1=abs(fft(y1).2/(N2);subplot(522)plot(f,10*log10(Pxx1),c);title(单极性不归零功率谱)y2=srz(a);Pxx2=abs(fft(y2).2/(N2);subplot(524)plot(f,10*log10(Pxx2),g);title(单极性归零功率谱)y3=drz(a);Pxx3=abs(fft(y3).2/(N2);subplot(526)plot(f,10*log10(Pxx3),r);title(双极性归零功率谱)y4=dnrz(a);Pxx4=abs(fft(y4).2/(N2);subplot(528)plot(f,10*log10(Pxx4),c);title(双极性不归零功率谱)y5=amima(a);Pxx5=abs(fft(y5).2/(N2);subplot(5,2,10)plot(f,10*log10(Pxx5),m);title(AMI码功率谱)7.编程实现基带传输系统的误码率计算：二电平误码率计算clear all;sn=0.1:0.01:100; %定义信噪比序列snlg=20*log10(sn); %将信噪比转化为dB表示sdouble1=sqrt(sn);ssingle1=sqrt(sn/2);bdouble1=erfc(sdouble1)/sqrt(2); %求双极性的误比特率序列bsingle1=erfc(ssingle1)/sqrt(2); %求单极性的误比特率序列semilogy(snlg,bdouble1,r-);hold on;s