通信专业综合课程设计

专业综合课程设计

指导书

班级通信D101

指导教师

2013年10月18日

一、课程设计的目的和任务

本次课程设计是根据“通信工程专业培养计划”规定而制定的。综合课程

设计是通信工程专业H勺学生在学完所有专业课后进行的综合性课程设计。其R的

在于使学生在课程设计过程中可以理论联络实际，在实践中充足运用所学理论知

识分析和研究设计过程中出现口勺各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为后来

走向工作岗位进行设计打下一定的基础。

课程设计的任务是：（1）掌握一般通信系统设计的过程、环节、规定、工作

内容及设计措施：掌握用计算机仿真通信系统的措施。［2）训练学生综合运用专

业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。

二、教学规定

由于是专业综合性课程设计，因此设计的内容应兰围绕主干专业课程，如：

通信原理、程控互换技术、传播设备，通信网点等。

课程设计规定口勺重要环节有：

1、明确所选课题H勺设计目H勺和任务，对设计课题进行详细分析，充足理解系

统的性能、指标、内容等。

2、进行方案选择。根据掌握的知识和资料，针对系统提出口勺任务、规定和条

件，完毕系统日勺功能设计。从多种方案中选择出设计合理、可靠、满足规

定的一种方案。并且对方案要不停进行可行性和优缺陷的J分析，最终设计

出一种完整框图。

3、原理设计；

4、调试阶段;

5、阐明书编制。

本次课程设计在校内完毕，重要方式是以理论设计为主，进行试验或计算

机仿真，得出结论。

三、设计内容

本次综合课程设计内容为数字通信系统的性能分析与仿真。应当包括如下

设计内容：

1、使用一种分组码或者卷积码进行信道纠错编码。

2、使用格雷码对数据进行映射。

3、使用MQAM举行调制,M可选择8、16、32、64、128、256。

4、选择合适口勺升余弦参数，使用升余弦对基带信号举行滤波。

5、在解调端，进行滤波、VQAVH勺解调、格雷码逆映射、纠错解码。

6、变化信噪比，分析系统性能。

四、设计内容简介：

MQAM是一种基本的相位一幅度联合调制方式。研究这种基本H勺数字调制

信号的性能可以协助学生理解数字通信的基本特点。

本次课程设计，学生可以自己选择符合规定的技术，如信道纠错编码可以是

分组码或者卷积码，M必须选择数字8、16、32、64、128、256中H勺至少3个,

以分析多种M下的QAM系统性能。应用Matlab进行彷真，仿真采用蒙特卡罗

模型。仿直基本框图是：

其中:

信号源：基本H勺二进制数据流。

信道编码：可以选择分组码、卷积码等。

调制：MQAM.M必须选择数字8、16、32、64、128、256中的至少3个°在调

制前使用格雷码进行映射。

信道：信号通过调制后来，通过信道。信道可以选择高斯加性白噪声信道、

二进制对称信道、多径瑞利(Rayleigh)衰落信道、莱斯(Rician)

衰落信道等。设置不一样的信道信噪比，对系统进行仿真，分析不一

样信噪比状况下H勺系统性能。

解调：根据调制方式，选择对应的解调方式。

译码：根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。

性能分析：信号通过调制、信道、解调过程。在接受端，将得到H勺数据与原

始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。变化系统信噪比,

从而得到系统的误码率曲线图。

五、设计过程：

1.仿真模型

(1)根据选择H勺调制信号形式，确定仿真框图。

(2)设置模型中各模块H勺详细参数。

2.软件设计

编写M文献。在程序中，依次变化信噪比，得到在特定信噪比下的误码率。

信噪比范围是可以是-10dB〜20dB之间，步长为2dB。根据得到的误码率数据,

绘出误码率一信噪比曲线图。

3.仿真调试

在完毕设计草案后可进行仿真，并对所设计的系统进行修改。并同理论数

据进行比较。

规定完毕：

1、选择一种详细口勺数字调制方式。

2、结合详细数字调制方式，分别选择三种MQAM进行系统仿真。

3、绘出没有信道编码状况下H勺数字调制系统误码率一信噪比曲线图。

4、绘出有信道编码状况下口勺数字调制系统误码率一信噪比曲线图。

5、对有和无信道编码状况下的系统误码率一信噪比曲线图进行比较，并分

析。

六、设计提交的成果材料

提交设计阐明书一份，内含任务中波及的多种仿真框图、参数数据、有关

程序，仿真曲线图。并就设计过程做出总结。

七、教课时间安排

根据课程大纲规定60课时计划，本设计安排如下：

时间安排：17〜19周（2011年1月6H-2023年1月24R）

教学内容课时地点备注

集中学习、布置任务0.5天教室

讲课1教室

资料查阅、分析讨论，确3.5天图书馆、试验室、

定方案教室

设计系统仿真模型4天图书馆、试验室、

教室

编程及调试3天试验室

写设计汇报2天图书馆、教室

设订验收、总结1天教室

选题规定：应当包括上述设计规定口勺所有环节，

作息时间：上午8：30〜II：30下午2：00-4：30

设计地点：图书馆、电子系试验室、教室

答疑地点：M-409

八、成绩考核

通信专业综合课程设计综合如下几种方面进行考核：

1）、平时体现；2）、答辩及课题完毕状况；3）、阐明书（设计汇报）

完毕状况；

参照分数比例：

（I）平时体现：35分

（2）答辩及课题完毕状况：30分

（3）设计汇报：30分

附：通信专业综合课程设计指导讲稿

ModulatingaRandomSignal

问题：二进制数据流通过一种包括基带调制、信道、解调的系统，计算误码率(BER)。下而

是仿真过程中所碰到日勺问题和对应的函数。系统使用16-QAM(正教幅度)和高斯(AWGN)

信道

•产生随机二进制数据流randint

•使用I6-QAM调制qammod

•加性高斯白噪声awgn

•产生.数据分布图scatterplot

•使用16-QAM解调qamdemod

•计算误码率biterr

1.产生随机二进制数据流.在MATLAB中，一般用向量(vector)或者矩阵(matrix)

来表达数据.下面使用randini函数产生种列向量来表达数据流。数据流长度选择为

30,000。

注意：在MATLAB中并没有严格的时间概念。

下面口勺代码还产生数据流中部分数据口勺柱状图。由于产生数据向随机性，一般你们每个人运

行成果有也许不一样样。注意使用(：)操作符来选择向量中曰勺部分数据。

%Defineparatneters.

M=16;%Siz?ofsignalconstellation

k=log2(N4);%Numberofbitspersymbol

n=3c4;%Numberofbitstoprocess

nsamp=1;%Oversamplingrate

x=randint(n,l);%Randombinarydatastream

%Plotfirst40bitsinastemplot.

stem(x(1:40),'filled');

litIc('RandomBits');

xlabel('BitIndex');ylabel('BinaiyValue*):

InsertToolsDesktopWindowHelp-

8

o.

o.

So.6

Bo.

A

S

U4

CO

2

0

2.准备调制

.准备使用qammod函数来进行16-QAM调制.不过qammod接受的是。〜15之间的整

数，而不是4bits。因此在进行调制前必须对二进制数据进行处理。使用MATLAB中reshape

函数，然后使用bi2de函数来转换4bits到一种整数。

%%Bit-to-SymbolMapping

%Convertthebitsinxintok-bitsymbols.

xsym=bi2dc(rcshapc(x.k.length(x)/k).',,lcft-msb,);

%%StemPlotofSymbols

%Plotfirst10symbolsinastemplot.

figure;%Createnewfigurewindow.

stem(xsym(l:10));

title('RandomSymbols');

xlabel('SymbolIndex');ylabel('IntegerValue');

。Figure:1口1xl

FileEditViewInsertTookDesktopWindowHelp

150

OL

n

3.进行16-QAM调制］.

%%Modulation

%Modulateusing16-QAM.

y=qannnod(xsyin,M);

成果是有个复向量，是16点QAM星座图中H勺一种。下面的出现会绘出星座图。

Tolearnmoreaboutmodulationfunctions,seeModulation.Also,notethattheqammod

functiondocsnotapplyanypulseshaping.Toextendthisexampletousepulseshaping,see

PulseShapingUsingaRaisedCosineFilter.Foranexamplethatusesrectangularpulseshaping

withPSKmodulation,seebasicsimdemo.

4.加入高斯白噪声。使用awgn函数。比特能量和噪声的功率谱比值Eb/NO定为10dB.

%%TransmittedSignal

ytx=y;

%SendsignaloveranAWGNchannel.

EbNo=10;%IndB

snr=EbNo+10*logl0(k)-10*Iogl0(nsamp);

ynoisy=awgn(ytx,snr.'measured');

%%ReceivedSignal

yrx=ynoisy;

5.产生分布图.使用scatterplot函数来显示接受信号，并显示噪声对信号分布的影响。

图中，行坐标为信号的同相位分量(n-phasccomponent),纵坐标为正交分量

%%ScatterPlot

%CreatescatterDiolofnoisysignalandtransmitted

%signalonthesameaxes.

h=scatterplot(yrx(1:nsamp*5e3),nsamp,O,'g.')；

holdon;

scatterplot(ytx(1:5e3),1,0/k*'»h);

tillcCReceivcdSignal');

legendCReceivedSignal','SignalConstellation');

axis([-55-55]);%Setaxisranges.

holdoff;

FileEditViewInsertToolsDesktopWindowhtelp、

ReceivedSignal

ja

sno

ep

on

0

In-Phase

6.16-QAM解调。

%%Demodulation

%Demodulatesignalusing16-QAM.

zsym=qamdenu>d(yrx,M);

7.把整数信号转换为二进制，使用de2bi函数以及resh叩e函数

%%Symbol-to-BitMapping

%Undothebit-to-symbolmappingperformedearlier.

z=de2bi(zsym.'left-msb');%Convertintegerstobits.

%Convertzfromamatrixtoavector.

z=reshape(z.\prod(size(z)),1);

8.计算系统BER0

%%BERComputation

%ComparexandztoobtainthenumberofeiTorsand

%thebiterrorrate.

[numbcr_oflcrrors.bit_crror_ratc]=biterr(x,z)

这些数值可以在MATLAB日勺命令窗口中显示出来。

number_oCerrors=71

bit_error_rate=O.(X)24

PlottingSignalConstellations

上面的例子虽然表达了信号W'J坐标，不过并没有直接表达QAM的系统星座图应当是

什么形式。下面的程序完毕这项任务。

M=16;%Numberofpointsinconstellation

intg=%Vectorofintegersbetween0andM-l

pt=qammod(intg,M)；%Vectorofallpointsinconstellation

scatterplot(pt);

。Figure1:ScatterPlot

FileEditViewInsertToolsDesktopWindow

Scatterplot

2nJ

s一

ep

on

-3-2-10123

In-Phase

3.对上图中的点进行命名来反应映射。也就是反应inlg和pl之间的关系，命名的显示

坐标紧靠星座图点，但稍有点偏移以免重叠。(dec2bin函数产生数字信号RJ二进制字符串,

而de2bi函数产生一种数字信号日勺二进制向量)

%Include(extannotationsthatnumber(hepoints.

text(real(pt)+O.IJmag(pt),cec2bin(intg));

axis([-44-44]);%Changeaxissoalllabelsfitinplot.

dFiaure1:ScatterPlot

检查这个图，可以发现：00C1和0010是相邻的星座图点，它们之间的汉明距离为2。可

以使用格雷码进行处理，使得相邻星座图点的汉明距离为1。

Gray-Coded16-QAMSignalConstellation

4Figure2:ScatterPlot

FileEditVewInsertTookDesktopWindowHelp，

Scatterplot

4

3♦0000*0100♦1100*1000

①

J♦0001*0101•1101*1001-

n

w

j

p

e

n

o

♦0011*0111•1111*1011-

-2

-3♦0010*0110•1110*1010

-4

-4-2024

In-Phase

格雷码（又叫循环二进制码或反射二进制码）简介

在数字系统中只能识别。和L多种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码

是一种无权码，采用绝对编码方式，经典格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补

码，它H勺循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的也许，它的反射、自补特性使得

求反非常以便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，由于，自然二进制

码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些状况，例如从十进制日勺3转换成4时二

进制码的每•位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲,而格雷码则没有这•缺陷,

它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表达中只有一种数字不一样。它

在任意两个相邻的数之间转换时，只有一种数位发生变化。它大大地减少了由一种状态到下

一种状态时逻辑的混淆。此外由丁最大数与最小数之间也仅一种数不一样，故一般又叫格雷

反射码或循环码。下表为几种自然一进制码与格雷码的对照表；

十进制数自然二进制数格雷码十进制数自然二进制数样雷码

000000000810001100

100010001910011101

2001000111010101111

3001100101110111110

4010001101211001010

5010101111311011011

6011001011411101(X)1

70111010015milooo

某二进制格雷码为…Gqa

其对应的自然二进制码为^-IA.-2•■■巴万网异或运舁,

相同为0

其中：最高位保留——B.=

nx相异为1

井他•&住弓7-G-1⑥041,2......W-1

例*二进制格雷码为10

自然二进制码为

staticunsignedintDecimaltoGray(unsignedintx)

returnxA(x>>!);

〃以上代码实现了unsignedint型数据到格雷码口勺转换，最高可转换32位自然二

进制码，超过32位将溢出。

staticintDecirraltoGray(intx)

(

returnxA(X>>1);

)

以上代码是用C实现了ini型数据到格雷码的转换，最高可转换31位自然二

进制码，超过31位将溢出。

%%ModifiedPlot.WithGrayCoding

M=16;%Numberofpointsinconstellation

intg=

mapping=(0I32457612131514891110];;

intgray=mapping(intg+l);

pt=qammod(in(gray,M);%Vectorofallpointsinconstellation

scattei*plot(pt);%Plottheconstellation.

%Includetextannotationsthatnumberthepoints.

text(real(pt)+O.I,imag(pt),dec2bin(intg));

axis((-44-44]);%Changeaxissoalllabelsfitinplot.

IncorporatingGrayCoding

i.修改比特到符号的映射，对上面的例子的有关代码使用下面日勺代码替代：

%%Bit-to-SymbolMapping

%Convertthebitsinxintok-bitsymbols,using

%Graycoding.

%A.Defineavectorformappingbitstosymbolsusing

%Graycoding.Thevectorisspecifictothearrangement

%ofpointsina16-QAMconstellation.

mapping=10132457612131514891110].,;

%B.Doordinarybinary-to-decimalmapping.

xsym=bi2de(rcshapc(x,k.lcngth(x)/k).','lcft-msb');

%C.MapfrombinarycodingtoGraycoding.

xsym=mapping(xsym+1);

2.修改符号到比特的映射

使用下列代码替代上面例子中对应的代码。

%%Symbol-to-BitMapping

%Undothebit-to-symbolmappingperformedearlier.

%A.Defineavectorthatinvertsthemappingoperation.

[dummydemapping]=sort(mapping);%sort对mapping排序,排序成果存在dummy%

中,并把dummy中的数值在mapping中的索引给出，存在demapping中!

%Initially,demappinghasvaluesbetween1andM.

%SubtractItoobtainvaluesbetween0andM-l.

demapping=demapping-I;

%B.MapbetweenGrayandbinarycoding.

zsym=demapping(zsym+1);

%C.Doordinarydccimal-to-binar),mapping.

z=de2bi(zsym,'left-irisb');

%Convertzfromaimtrixtoavector.

z=reshapc(z.',prod(size(z)),I);

八mapping(xsym+1)amapping(3)qammod

©-----------------

=3zO♦

demapp^g(4).demapping(zsym+1)3demod

PulseShapingUsingaRaisedCosineFilter

问题：修改格雷码调制例子，使用平方根升余弦滤波器对基带信号滤波。

1.定义滤波器参数

在初始化阶段，使用下列代码替代过采样率一nsamp：

nsamp=4;%Oversamplingrate

同步定义滤波器的阶数，滤波器的传播延迟，滚降系数等

%%FilterDefinition

%Definefilter-relatedparameters.

fil(order=40;%Filterorder

delay=0lorder/(nsamp*21;%Groupdelay(#ofinputsamples)

rolloff=0.25;%Rollofffactoroffilter

2.产生一种平方根升余弦滤波器。

%Createasquarerootraisedcosinefilter.

rrcfilter=rcosine(1,nsamp,'fir/sqrt',rolloff,delay);

%Plotimpulseresponse.

figure;impz(rrcfilter,l);

JFigure3

FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp

3.对调制信号进行滤波。使用下列代码取代上例中对应的代码:

%%TransmittedSignal

%Upsampleandapplysquarerootraisedcosinetiller.

ytx=rcosflt(y,1,nsamp,'filter',rrcfilter);

%Createeyediagramforpartoffilteredsignal.

cyediagram(ytx(1:2023).nsamp*2);

rcostlt函数对调制信号进行过采样，过采样比例为nsamp

下图是对滤波后来无噪信号口勺眼图，这张图可以表达脉冲成型滤波对信号的影响。这张图中

可以明显看出存在码间干扰（［SI）,由于滤波器是严格平方根升余弦，而不是一种升余弦漉

波隔

4Figure4:EyeDiagram-1□!x|

FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp

EyeDiagramforIn-PhaseSignal

3

2

3

P

n1

d三

E0

4

-1

-0.50.5

Time

EyeDiagramforQuadratureSignal

3

2

3

p

m1

-

d

l0

u

y

3.5

00.5

Time

4.接受信号的源波

%%ReceivedSignal

%Filterreceivedsignalusingsquarerootraisedcosinefilter.

yrx=rcosflt(ynoisy,1,nsamp,'Fs/filter',rrcfilter);

yrx=downsample(yrx.nsamp);%Downsample.

yrx=yrx(2*dclay+1:en(；-2*dclay);%Accountfordelay.

使用相似的平方根升余弦函数对接受信号进行滤波，然后对信号继续欠采样。最终严格命令

去掉开始的2*delay个符号和最终改I2*delay个符号

5.重新画分布图。把滤波前后口勺接受信号进行比较。使用下列代码进行替代本来的代码

%%ScatterPlot

%Createscatterplotofreceivedsignalbeforeand

%afterfiltering.

h=scatterplot(sqrl(nsanip)*ynoisy(l:nsamp*5e3),nsamp,0.'g.');

holdon;

scatterplot(yrx(1:5e3),lQ'kx'.h);

titlcCRcccivcdSignal.BeforeandAfterFiltering');

legendCBeforeFiltering'.'AfterFiltering');

axis([-55-55]);%Setaxisranges.

注意第一种画图命令使用了sqrl(nsamp),这是由于滤波命令变化了信号的功率。

4Figure5:ScatterPlot-1□Ix|

FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp、

ReceivedSignal,BeforeandAfterFiltering

5

B

J