2014-2015-1_[10173004]课程设计I(通信原理).课程设计指导书new

1、课程设计指导书 课程代码10173004名称课程设计 I 适用专业:1806网络工程环节类别:课程设计 学分:2周数:2（第 5 学期 1-2 周） 主要内容数字通信原理 1课程设计目的 1）掌握使 matlab 语言及其工具箱进行基本信号分析与处理的方法。 2）用 matlab 和 simulink 设计一个通信系统，加深对通信原理基本原理和 matlab 应用 技术的理解； 3）提高和挖掘学生将所学知识与实际应用相结合的能力； 4）培养学生的合作精神和独立分析问题和解决问题的能力； 5）提高学生科技论文的写作水平。 2课程设计任务内容课程设计任务内容(题目题目) 2.0 课程设计要求课程设

2、计要求 1)选择一个题目，使用 Matlab/Simulink 仿真软件，进行通信系统的仿真设计。 2)需要深入学习通信原理相关知识和 matlab 特别是 simulink 的相关内容。 3)仿真设计中可采用不同的方法达到相同的效果，一些仿真参数可根据情况自行选择。 4)用示波器观察系统前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化； 用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。 5)最后根据课设的内容和设计的结果，书写课程设计说明书一份。课程设计说明书要全 面、完整，书写认真（按格式要求排版） 。 6)要求详细描述系统的理论方法、模型构建过程、仿真结论、结果

3、比较等。说明书中要 求画出整个系统框图、并说明工作原理；分析说明各个模块的参数（例如码速率，滤 波器的截止频率等） ；给出并分析重要结点的输入输出波形。 7)课程设计完成结束时，提交课程设计说明书一份（打印稿和电子稿）以及通过 Matlab/Simulink 创建的仿真模型文件。 2.1 模数转换类模数转换类 题目：基于题目：基于 A 律（或律（或 律）压扩的模拟信号数字化仿真分析律）压扩的模拟信号数字化仿真分析 1）设计一个）设计一个 13/15 折线近似的折线近似的 PCM 编码器。编码器。 编码器能够对取值在-1,1内的归一化信号样值进行编码。其中信号源用一个常数表示。 以 Satura

4、tion 作为限幅器，Relay 模块作为 PCM 编码输出的最高位，即确定极性码，以 Look-Up Table(查表)模块进行 13/15 折线压缩，以 Quantizer 模块进行四舍五入取整量化， 并用 Integer to Bit Converter 将整数转换成长度为 M 个比特的二进制数据，最后用 Display 模块显示编码结果。将 PCM 编码器封装成一个子系统。 2）设计一个对应上面编码器的）设计一个对应上面编码器的 PCM 解码器。解码器。 编码器采用上面已经建立的子系统，信号源仍为一个常数。分离并行数据中的最高位 (极性码)和 7 位数据，将 7 位数据转换为整数值，进

5、行归一化处理，进行扩张后与双极性 的极性码相乘得出解码值。将 PCM 解码器也封装成一个子系统。整个文件保存为 ex2_2.mdl。 3）建立建立）建立建立 PCM 串行传输模型串行传输模型 在以上编码器和解码器基础上，建立 PCM 串行传输模型，并在传输信道中加入指定错 误概率的随机误码。 加入正弦波信号，PCM 编码输出经过并、串转换后得到二进制码流送入二进制对称信 道。在解码端信道输出的码流经过串、并转换后送入 PCM 解码器，通过低通滤波器后由示 波器显示解码后的波形，并与原信号作比较。 2.2 数字基带编码类数字基带编码类 题目：题目：HDB3(AMI、CMI、2B1Q、3B4B、曼

6、切斯特、差分曼切斯特、曼切斯特、差分曼切斯特)编码与译码的设计编码与译码的设计 与仿真与仿真 设计一种数字基带传输中的一种编译码系统（HDB3、AMI、CMI、2B1Q、3B4B、曼切 斯特、差分曼切斯特等选取一种） 。 使用 Matlab/Simulink 仿真软件，设计所选择的基带传输的编码和译码系统。系统能根 据随机信源输入的二进制信息序列给出对应的编码及译码结果，并以图形化的方式显示出 波形，能观察各分系统的各级波形。 最后根据课设的内容和设计的结果，书写课程设计说明书一份（按格式书写） 。说明书 中要求画出整个系统框图、各点波形，并说明工作原理。在图中表示出各点波形。系统能 测试其各

7、分系统波形的频谱特性，在图中表示出各点频谱。根据通信原理，并分析说明各 个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等） 。 通过本次的实践，要求学生完成以下任务： 1） 对课本知识的全面复习，了解基带编码与译码原理； 2） 对 MATLAB 仿真软件的学习，能够使用该工具进行基带编码和译码的仿真验证； 3） 通过团队合作，完成编码与译码的设计，并用 MATLAB 软件进行仿真验证； 4） 课程设计的结果全面正确，功能模块清晰分明； 5） 加强团队合作精神，开拓创新能力； 6） 文档资料完整规范。 设计上交内容：设计说明书一份（按格式书写） ；仿真测试文件。 2.3 数字频带传输类数字频带传输类

8、 题目：题目：16QAM (2DPSK、4ASK、4FSK、4PSK、4DPSK、MASK、MFSK、MPSK、MDPSK) 数字通信系统的设计与仿真数字通信系统的设计与仿真 设计一种数字频带调制解调系统（4ASK, 4FSK，4PSK, 4DPSK,16QAM, 8ASK，8FSK，8PSK 等选取一种） 。 使用 Matlab/Simulink 仿真软件，设计一个选择的数字频带传输系统中的调制与解调系 统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化； 用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。 最后根据课设的内容和设计的结果，书写课程设

9、计说明书一份（按格式书写） 。说明书 中要求画出整个系统框图、各点波形，并说明工作原理。在图中表示出各点波形。系统能 测试其各分系统波形的频谱特性，在图中表示出各点频谱。根据通信原理，并分析说明各 个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等） 。 设计要求： （1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道， 接受滤波器模块以及信宿； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等） ； （3）熟悉 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真平台，用 Matlab/Simulink 实现该数字通信 系统； （4）观察仿真并进行波形分析（

10、波形图、眼图和频谱图等） ； （3）用示波器观察调制与解调各个阶段的波形图，并给出波形的解释说明。 （4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求书写课程设计说 明书，能正确阐述和分析设计和设计结果。 设计上交内容：设计说明书一份（按格式书写） ；仿真测试文件。 2.4 数字差错编码类数字差错编码类 题目：汉明码（或题目：汉明码（或 CRC）编译码的设计与仿真）编译码的设计与仿真 （1）熟悉有关内容的基本原理，构建系统的基本原理框图； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数； （3）熟悉 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真平台，用 Matlab/Simulink

11、实现该系统； （4）用示波器观察信号变换前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号 的频谱的变化。 （5）用示波器观察调制与解调各个阶段的波形图，并给出波形的解释说明。 （6）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求书写课程设 计说明书，能正确阐述和分析设计和实验结果。 设计上交内容：设计说明书一份（按格式书写） ；仿真测试文件。 2.6 数字同步类数字同步类 题目：载波同步（或帧同步）系统的设计与仿真题目：载波同步（或帧同步）系统的设计与仿真 2.6 数字信道复用类数字信道复用类 题目：信道码分（或时分、频分）复用的设计与仿真题目：信道码分（或时分、频分）复用的设计与仿真

12、 使用 Matlab/Simulink 仿真软件，设计信道复用系统。 最后根据课设的内容和设计的结果，书写课程设计说明书一份（按格式书写） 。说明书 中要求画出整个系统框图、各点波形，并说明工作原理。在图中表示出各点波形。系统能 测试其各分系统波形的频谱特性，在图中表示出各点频谱。根据通信原理，并分析说明各 个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等） 。 设计上交内容：设计说明书一份（按格式书写） ；仿真测试文件。 3课程设计进度安排课程设计进度安排 1)复习通信原理和 matlab 相关知识，思考设计思路。 2)根据任务书要求设计仿真系统，并作比较分析。 3)根据任务书要求完善仿真系统，

13、并用 matlab 作编程计算。 4)对仿真和计算数据进行归纳整理，并讨论参数变化影响。 5)完成课程设计报告。 4成绩考核办法成绩考核办法 1)遵守纪律、学习态度和出勤率：20%； 2)设计的仿真程序/系统：40%； 系统的仿真可以采用 SystemView 或 Matlab 仿真，要求程序独立运行。如果不是图 形化编程，需要加注释。 a)设计的结构合理性和结构性；b)设计方法的创新性；c)设计结果运行情况。 3)课程设计报告质量：40%； 说明书说明系统的基本原理框图及每个模块的作用； 系统 Simulink 仿真过程中，每一个用到的模块中主要参数的意义； 仿真系统参数的设定和设定的依据；

14、 仿真系统参数改变时，给仿真结果带来的影响（如高斯白噪声信道的信噪比增加，则 误码率减小） ； 仿真的结果（波形，误码率等） 。 说明书的排版格式。 5主要参考文献主要参考文献 1邵玉斌. Matlab/Simulink 通信系统建模与仿真实例分析. 北京:清华大学出版社, 2008 2张化光, 刘鑫蕊, 孙秋野. MATLAB/SIMULINK 实用教程. 北京:人民邮电出版社, 2009 3樊昌信, 曹丽娜. 通信原理. 北京:国防工业出版社,2008 4刘卫国. MATLAB 程序设计教程. 北京:中国水利水电出版社, 2005 附附:示例示例 设计题目任务：模拟信号的数字化设计题目任务

15、：模拟信号的数字化 1.设计一个 13 折线近似的 PCM 编码器。 编码器能够对取值在-1,1内的归一化信号样值进行编码。其中信号源用一个常数表示。 以 Saturation 作为限幅器，Relay 模块作为 PCM 编码输出的最高位，即确定极性码，以 Look-Up Table(查表)模块进行 13 折线压缩，以 Quantizer 模块进行四舍五入取整量化，并用 Integer to Bit Converter 将整数转换成长度为 M 个比特的二进制数据，最后用 Display 模块 显示编码结果。将 PCM 编码器封装成一个子系统。整个模型保存为 ex2_1.mdl。 2.设计一个对应

16、上面编码器的 PCM 解码器。 编码器采用上面已经建立的子系统，信号源仍为一个常数。分离并行数据中的最高位 (极性码)和 7 位数据，将 7 位数据转换为整数值，进行归一化处理，进行扩张后与双极性 的极性码相乘得出解码值。将 PCM 解码器也封装成一个子系统。整个文件保存为 ex2_2.mdl。 3.在以上编码器和解码器基础上，建立 PCM 串行传输模型，并在传输信道中加入指定 错误概率的随机误码。 加入正弦波信号，PCM 编码输出经过并、串转换后得到二进制码流送入二进制对称信 道。在解码端信道输出的码流经过串、并转换后送入 PCM 解码器，通过低通滤波器后由示 波器显示解码后的波形，并与原信

17、号作比较。模型文件保存为 ex2_3.mdl。 4.测试指定误码率条件下 PCM 语音信号的音质。 使用 DSP 模块库的音频输入输出模块可对真实音频信号进行处理，首先录制或选择一 个*.wav 文件，由 From Wave File 导入作为信号源，再通过 To Wave Device 模块播放声音。 改变 BSC 信道的误码率，可听到不同音质的声音。通过增大或减小 Gain 模块值的大小，可 调整输入声音的幅度。保存为 ex2_4.mdl。 5.编写程序 ex2.m，实现通过反复调用 ex2_4.mdl 来改变 BSC 中 Error probability 的值， 从而听到不同误码率下的

18、音质。调用格式是 sim(ex2_4.mdl)。 实现要点说明：模拟信号的数字化实现要点说明：模拟信号的数字化 基带信号的采样定理是指，对于一个频谱宽度为 BHz 的基带信号，可惟一 地被均匀间隔不大于 1/(2B)秒的样值序列所确定。采样定理表明，如果以不小 于 1/(2B)次/秒的速率对基带模拟信号均匀采样，那么所得到样值序列就包含了 基带信号的全部信息，这时对该序列可以无失真地重建对应的基带模拟信号。 例如，电话话音信号的最高频率为 3400Hz，为了保证无失真采样，对其进行采 样的最低速率必须大于等于 6800 次/秒，考虑到实际低通滤波器的非理想特性， 数字电话通信系统中规定采样率为

19、 8000 次/秒。 为了保证在足够大的动态范围内数字电话话音具有足够高的信噪比，提出 了非均匀量化：在小信号时采用较小的量化间距，而在大信号时用大的量化间 距。在数学上，非均匀量化等价于对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀 量化。小信号通过压缩器时增益大，大信号通过压缩器时增益小。这样就使小 信号在均匀量化之前得到较大的放大，等价于以较小间距直接对小信号进行量 化，而以较大间距对大信号进行量化。在接收端要进行相应的反变换，即扩张 处理，以补偿压缩过程引起的信号非线性失真。中国和欧洲的 PCM 数字电话系 统采用 A 律压扩方式，即： 1 ln (2-1) sgn( ) (1 ln) 1 l

20、n Ax A y x A x A 压缩系数 A=87.6。 A 律压缩扩张曲线可用折线来近似，16 段折线点是： x=-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128, 1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1 y=-1,-7/8,-6/8,-5/8,-4/8,-3/8,-2/8,-1/8,0,1/8, 2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1 其中靠近原点的 4 根折线斜率相等，可视为一段，因此总折线数为 13 段，称为 13 段折线近似。用 Simulink 中的 Look-Up Table 查表模块可以实现对

21、13 折线近 似的压缩扩张计算的建模，压缩模块的输入向量设置为： -1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128, 1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1 输出量向量设置为：。-1:1/8:1 扩张模块的设置与压缩模块的设置相反。 任务一：任务一：PCM 编码编码 PCM 是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。 A 律 PCM 数字电话系统中规定：传输语音的信号频段为 3003400Hz，采样率为 8000 次/s，对样值进行 13 折线压缩后编码为 8 位二数字序列。因此，PCM 编 码输出的数码速

22、率为 64kbps。 PCM 编码的二进制序列中，每个样值用 8 位二进制码表示，其中最高比特 位表示样值的正负极性，规定负值用 0 表示，正值用 1 表示。接下来的 3 位比 特表示样值的绝对值所在的 8 段折线的段落号，最后 4 位是样值处于段落内 16 个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM 编码较低的 7 位相当于对样值的绝 对值进行 13 折线近似压缩后的 7 位均匀量化编码输出。 实例 1：设计一个 13 折线近似的 PCM 编码器模型，使它能够对取舍在- 1,1内归一化信号样值进行编码。 测试模型和仿真结果如图 2-1 所示。其中信号源用一个常数表示。以 Saturation

23、作为限幅器，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，即确定极性码。样值取绝对值后，以 Look-Up Table(查表)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 模块进行四舍五入取整量化，并用 Integer to Bit Converter 将整数转换 成长度为 8 个比特的二进制数据，最后用 Display 模块显示编码结果。将 PCM 编码器封装成一个子系统，整个文件模型保存为 ex2_1.mdl。 任务二：任务二：PCM 解码解码 实例 2：测试模型和仿真结果如图 2-2 所示，其

24、中 PCM 编码子系统就是图 2-1 中虚线所围部分。PCM 解码器中首先分离并行数据中的最位(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、扩张后与双极性的极性 码相乘得出解码值。将该模型中的虚线所围部分封装为一个 PCM 解码子系统。 整个文件模型保存为 ex2_2.mdl。 图 2-113 折线 A 律编码器 任务三：任务三：PCM 串行传输模型串行传输模型 在以上两个实例基础上，建立 PCM 串行传输模型，并在传输信道中加入 指定错误概率的随机误码。 实例 3：仿真模型如图 2-3 所示，其中 PCM 编码和解码子系统内部结构参 见图 2-1 和图 2-2。PCM 编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对 称信道。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入 PCM 编码，之后输出解 码结果并显示波形。模型中尚未对 PCM 解码结果作低通滤波处理。文件模型保 存为 ex2_3.