通信原理課程設(shè)計(jì)數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱 通信原理課程設(shè)計(jì) 課題名稱 數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 通信工程 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 彭禎 郭芳 2011年 12 月 28 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 通信原理 課 題數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級 通信工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 彭禎 郭芳 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2011 年 12月 11日任務(wù)完成日期 2011 年 12月 26日 一、設(shè)計(jì)目的與設(shè)計(jì)內(nèi)容學(xué)生通過自己設(shè)計(jì)及建立通信系統(tǒng)，掌握通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理、信號傳輸?shù)母拍?，加深對通信系統(tǒng)及信號的認(rèn)識，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用、動手能力。要求學(xué)生經(jīng)過課程設(shè)計(jì)這一

2、教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)會應(yīng)用matlab軟件來實(shí)現(xiàn)信號傳輸中的各個基本環(huán)節(jié)。可選的設(shè)計(jì)題目有：（1）信息論基本計(jì)算。要求：編程實(shí)現(xiàn)信源平均信息量的計(jì)算(以高斯分布的信源為例)；編程實(shí)現(xiàn)離散信道容量的計(jì)算(以輸入符號等概分布為例)；編程實(shí)現(xiàn)信源編碼過程(以huffman編碼為例)；（2）模擬信號調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn)am調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時域波形和頻譜圖；編程實(shí)現(xiàn)dsb調(diào)制/解調(diào)（用平方環(huán)和科斯塔斯環(huán)實(shí)現(xiàn)載波提?。┘夹g(shù)，繪出時域波形和頻譜圖；（3）脈沖編碼調(diào)制(pcm)實(shí)現(xiàn)編程實(shí)現(xiàn)pcm技術(shù)的三個過程：采樣、量化與編碼。采樣：低通連續(xù)信號采樣，以為例說明低通采樣定理，繪出信號時、頻圖形；帶通連續(xù)信號采樣，以

3、為例說明帶通采樣定理，繪出信號時、頻圖形。量化：均勻量化，以幅度的正弦信號為例實(shí)現(xiàn)為64級電平的均勻量化；非均勻量化，輸入a律pcm編碼器的正弦信號，采樣序列為，將其進(jìn)行pcm編碼，給出編碼器的輸出碼組序列編碼：以上述信號為例，實(shí)現(xiàn)a律的13折線近似法及國際標(biāo)準(zhǔn)pcm對數(shù)a律量化編碼。（4）數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn)常見基帶信號的波形、碼型轉(zhuǎn)換，包括：單/雙極性、非歸零/歸零碼、數(shù)字雙相碼(曼徹斯特碼)、密勒碼、ami碼、hdb3碼，并繪出每種波形、碼型的功率譜分布，給出與在理論課上所學(xué)相符合的分析與理解；編程實(shí)現(xiàn)基帶傳輸系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算，包括：二電平和多電平編碼的誤碼率計(jì)算；編程實(shí)現(xiàn)基

4、帶信號傳輸?shù)臄_碼與解擾。（5）數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn)ask調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時域波形和頻譜圖；編程實(shí)現(xiàn)fsk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時域波形和頻譜圖；編程實(shí)現(xiàn)psk、dpsk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時域波形和頻譜圖；編程實(shí)現(xiàn)16/64qam調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時域波形和頻譜圖；（6）數(shù)字通信頻帶傳輸系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)綜合(1)、(3)、(4)、(5)的設(shè)計(jì)程序，并將它們封裝為simulink模塊，設(shè)計(jì)一個完整的數(shù)字通信頻帶傳輸系統(tǒng)。必做題目：題目(1)，(2)；選作題目：(3)、(4)、(5)中的一個，以學(xué)生自己的學(xué)號/3得到的余數(shù)來確定自己的題號，如18號/3，余數(shù)為0，則選擇(3),依此類推

5、；綜合題目：每班同學(xué)中，做(3)、(4)、(5)題目的各選2個同學(xué)，共計(jì)6人合作來完成題目(6)。二、進(jìn)度安排第十六周 星期一 14：0017：30 星期二 08：0011：30 星期三 14：0017：30 星期四 14：0017：30星期五 14：0017：30第十七周 星期一 14：0017：30星期三 14：0017：30目 錄一、課題的主要功能(6)二、課題的功能模塊的劃分(6)1、平均信息量的計(jì)算(6)2、離散信道容量的計(jì)算(6)3、以huffman編碼實(shí)現(xiàn)信源編碼(6)4、am調(diào)制/解調(diào)技術(shù)(7)5、dbs調(diào)制/解調(diào)技術(shù)(7)6、ask調(diào)制/解調(diào)技術(shù)(8)7、fsk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)

6、(8)8、psk、dpsk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)(8)三、主要功能的實(shí)現(xiàn)(8)1、信源平均信息量的計(jì)算（以高斯分布的信源為例）(8)2、離散信道容量的計(jì)算(9)3、信源編碼（以huffman編碼為例）(9)4、am調(diào)制技術(shù)/解調(diào)(10)5、ask調(diào)制技術(shù)/解調(diào)(12)6、fsk調(diào)制技術(shù)/解調(diào)(13)7、psk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)(15)8、dpsk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)(17)四、數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)（流程圖）(18)五、時域波形和頻譜圖(19)六、總結(jié)(25)七、評分表(26)一、課題的主要功能matlab語言是一種面向?qū)ο蟮母呒壵Z言，以矩陣作為最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。matlab的主要功能包括：數(shù)值計(jì)算功能、富豪

7、集散功能、數(shù)據(jù)分析和可視化功能、simulink動態(tài)仿真功能。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境matlab具有許多的優(yōu)點(diǎn)比如：語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富；matlab既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，等等優(yōu)點(diǎn)。matlab 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用matlab 函

8、數(shù)集）擴(kuò)展了matlab 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。二、信息論基本計(jì)算1、平均信息量的計(jì)算根據(jù)題目要求，用高斯過程x(t)d的一維概率密度函數(shù)服從正態(tài)分布的表達(dá)式f=1/(u*sqrt(2*pi)*exp(-(x-o)2/2*u2來完成信源平均信息量的計(jì)算。平均信息量：平均每個符號所能提供的信息量，也叫平均自信息量。h(x)= ；高斯分布函數(shù)：；2、離散信道容量的計(jì)算利用函數(shù)dmessage來求信源的熵，利用函數(shù)hemssage來求平均互信息量，并最終得到信道的容量。離散信道容量：信道容量是信道所能傳送的最大的信息量。c=maxi(x;y) （比特/碼元）i(x;y)=h(y)

9、h(y/x);3、以huffman編碼實(shí)現(xiàn)信源編碼對于所要求的信源，可以對其進(jìn)行作為一元信源的哈夫曼編碼并得到編碼效率，相應(yīng)的二元信源的哈夫曼編碼及其編碼效率。uffman編碼方法：（1） 將信源信息呼號按其出現(xiàn)的概率大小依次排列；（2） 取兩個概率最小的字母分別配以0和1兩個碼元，并將這兩個概率相加作為一個新字母的概率，與未分配的二進(jìn)符號的字母重新排隊(duì)；（3） 對重排后的兩個概率最小符號重復(fù)步驟（2）的過程；（4） 不斷重復(fù)上述過程，知道最后兩個符號配以0和1為止；（5） 從最后一級開始，向前返回得到各個信源符號所對應(yīng)的碼元序列，及相應(yīng)的碼字；huffman編碼的意義：將概率大的信息符號編以

10、短的碼字，概率小的符號配以長的碼字，使得平均碼字長度最短，冗余度減小。4、 am調(diào)制/解調(diào) am信號的調(diào)制的時域和頻域表示式分別為：式中，為外加的直流分量；可以是確知信號也可以是隨機(jī)信號，但通常認(rèn)為其平均值為0，即。am信號的解調(diào)：調(diào)制過程的逆過程叫做解調(diào)。am信號的解調(diào)是把接收到的已調(diào)信號還原為調(diào)制信號。 am信號的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。5、 dsb調(diào)制/解調(diào) dsb信號實(shí)質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘，其時域和頻域表示式分別為 dsb信號的包絡(luò)不再與成正比，故不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)；除不再含有載頻分量離散譜外，dsb信號的頻譜與am信號的完全相同，仍由上下對稱的

11、兩個邊帶組成。故dsb信號是不帶載波的雙邊帶信號，它的帶寬與am信號相同，也為基帶信號帶寬的兩倍，即dsb信號只能采用相干解調(diào)，其模型與am信號相干解調(diào)時完全相同。 此時，乘法器輸出經(jīng)低通濾波器濾除高次項(xiàng)，得即無失真地恢復(fù)出原始電信號。6、 ask調(diào)制/解調(diào)在幅度鍵控中載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的，最簡單的形式是載波在二進(jìn)制調(diào)制信號1或0的控制下通或斷，這種調(diào)制方式稱為通斷一段鍵控（ook）。時域表達(dá)式為 y=sin(2*pi*t) 7、fsk調(diào)制/解調(diào)將信號的調(diào)制在載波的頻率上的調(diào)制方法稱為頻移鍵控（fsk），它也包括二點(diǎn)平頻移鍵控（bfsk）和電平頻移鍵控（mfsk），頻移鍵控的原理與跳

12、頻類似，只是使用數(shù)字信號而已。8、psk、dpsk調(diào)制/解調(diào)在載波相位的調(diào)制中，將信道發(fā)送的信息調(diào)制在載波的相位上，相位通常范圍是（0，2），2psk信號碼元的“0”“1”分別用初始相位0和 來表示，而其振幅和頻率保持不變。gt(t)為發(fā)射端的濾波脈沖，決定了信號的頻譜特征。2psk信號屬于dsb信號,它的解調(diào),不再能采用包絡(luò)檢測的方法,只能進(jìn)行相干解調(diào)。2psk相干解調(diào)系統(tǒng)框圖及個測試行波形如下：三、主要功能的實(shí)現(xiàn)1、信源平均信息量的計(jì)算（以高斯分布的信源為例）syms x u ou=5;o=7;f=1/(u*sqrt(2*pi)*exp(-(x-o)2/2*u2);t=-f*log(f)/

13、log(2);r=int(t,-inf,inf);disp(平均信息量為)r=double(r) 2、離散信道容量的計(jì)算x=0.25,0.25,0.25,0.25; f1=1/2,1/2,0,0; 0,1/2,1/2,0; 0,0,1/2,1/2; 1/2,0,0,1/2; hf1=hmessage(x,f1,4,4); hx=dmessage(x,4); disp(信道容量：); c1=hx-hf1利用dmessage來求信源的熵，利用函數(shù)hmessage來求平均互信息量并最終得到信道容量。3、信源編碼（以huffman編碼為例）p=1/2,1/4,1/8,1/16,1/16i=dmessa

14、ge(p,5)h1,l=huffman(p)h1= 1 01 001 0000 0001l=1.8750n=i/ln=1采用了哈夫曼編碼，對離散的信源直接調(diào)用huffman.m函數(shù)文件就能得到編碼，調(diào)用dmessage函數(shù)得到平均信息量。4、am調(diào)制/解調(diào)技術(shù)dt=0.0002; %時間采樣間隔fm=100; %信源最高頻率fc=1000; %載波中心頻率t=5; %信號時長t=0:dt:t;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t); %信源fs=1/dt; %原始圖figure(1)subplot(2,2,1)plot(mt(1:1000);hold on; %畫出am信號波形ti

15、tle(時域mt);y=fft(mt);subplot(2,2,2)plot(abs(y);hold on; %畫出am信號波形 title(頻率mt) %調(diào)制a=2;s_am=(a+mt).*cos(2*pi*fc*t);%b=2*fm; figure(2)subplot(2,2,1)plot(t(1:1000),s_am(1:1000);hold on; %畫出am信號波形plot(t(1:1000),a+mt(1:1000),r-); %標(biāo)示am的包絡(luò)title(時域am調(diào)制信號及其包絡(luò));y=fft(s_am);subplot(2,2,2)df1=fs/length(y);f1=0:d

16、f1:fs-df1;plot(f1,abs(y); hold on; %畫出am信號波形 title(頻域am調(diào)制信號) %解調(diào)figure(3)g=s_am.*cos(2*pi*fc*t);subplot(2,2,1);plot(g(1:1000);grid onxlabel(f);ylabel(a);title(g=s_am.*cos(2*pi*fc*t);g=fft(g);subplot(2,2,2)df1=fs/length(y);f1=0:df1:fs-df1;plot(f1,abs(g); hold on; %畫出am信號波形 title(g)%低通wpz=2*150/fs;wsz

17、=2*200/fs;rp=3;rs=15;k,wc=buttord(wpz,wsz,rp,rs);bz,az=butter(k,wc,low)yn=filter(bz,az,g);figure(4)subplot(2,2,1);hk=freqz(bz,az,2048,1/dt);plot(abs(hk);grid onxlabel(f);ylabel(a);title(低通濾波器);subplot(2,2,2)plot(yn(1:1000);hold on; title(時域am解調(diào)信號);yn=fft(yn);subplot(2,2,3)df1=fs/length(y);f1=0:df1:f

18、s-df1;plot(f1,abs(yn); hold on; title(頻域am解調(diào)信號)5、ask調(diào)制/解調(diào)技術(shù)clear all;t=0:0.01:10;y=sin(2*pi*t);%載波信號x=zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);%數(shù)字基帶信號0100101010s_2ask=x.*y;%幅度鍵控recos=s_2ask.*y; meg=find(recos0);%找出大

19、于1的那一位demo(meg)=1; meg=find(recos=0);demo(meg)=0; figure(1)%原始信號subplot(211);plot(t,x);grid;title(原始信號);xlabel(時間);ylabel(幅度);axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1fx=fft(x);plot(f,abs(fx);grid;title(原始信號頻譜);xlabel(頻率);ylabel(幅度);figure(2)%調(diào)制后信號subplot(211);plot(t,s_2ask);grid ;title

20、(ask調(diào)制);xlabel(時間);ylabel(幅度);subplot(212)s_2askf=fft(s_2ask);plot(f,abs(s_2askf);grid ;title(ask調(diào)制頻譜);xlabel(頻率);ylabel(幅度); figure(3) %解調(diào)后信號subplot(211)plot(t,demo);grid ;title(ask解調(diào));xlabel(時間);ylabel(幅度);axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(212);demof=fft(demo);plot(f,abs(demof);grid;title(ask解調(diào)頻譜);xlabe

21、l(頻率);ylabel(幅度);6、fsk調(diào)制/解調(diào)技術(shù)clear all;t=0:0.01:10;y=sin(2*pi*t);%載波信號x=zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101);%數(shù)字基帶信號0100101010s_2fsk=sin(t.*(2*pi+pi*x);%頻移鍵控recos1=s_2fsk.*sin(t.*(2*pi+pi*x)+pi*(x-1); %低通fs=100;

22、fb=1b,a=butter(6,4*fb/fs);recos1=filtfilt(b,a,recos1);figure(4)subplot(2,1,1);plot(recos1);grid;title(經(jīng)過低通);xlabel(時間);ylabel(幅度); %判決meg1=find(recos10);demo1(meg1)=1; meg1=find(recos10);demo2(meg2)=1;meg2=find(recos20);demo3(meg3)=1; meg1=find(recos30);demo3(meg3)=0; demo3=dpskdemod(demo3,2)%dpskfi

23、gure(1)subplot(211)plot(x);grid;title(原始信號);xlabel(時間);ylabel(幅度);axis(0 1000 -0.1 1.1);subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1fx=fft(x);plot(f,abs(fx);grid;title(原始信號頻率);xlabel(頻率);ylabel(幅度);figure(2)subplot(211);plot(s_2dpsk);grid ;title(dpsk調(diào)制圖);xlabel(時間);ylabel(幅度);axis(-2 2 -1*10(-15) 1*10(-15) );

24、subplot(212);f=0:1/(length(x)-1):1s_2dpskf=fft(s_2dpsk);plot(f,abs(s_2dpskf);grid ;title(dpsk調(diào)制頻譜圖);xlabel(頻率);ylabel(幅度);figure(3)subplot(211);plot(demo3);grid ;title(dpsk解調(diào)圖);xlabel(時間);ylabel(幅度);axis(0 1000 -0.1 1.1);subplot(212)demo3f=fft(demo3);plot(f,abs(demo3f);grid ;title(dpsk解調(diào)頻譜圖);xlabel(頻率);ylabel(幅度);四、數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)（流程圖）輸入基帶信號和載波開始qam調(diào)制2ask調(diào)制2fsk調(diào)制2psk調(diào)制2dpsk調(diào)制2ask調(diào)制2fsk調(diào)