課程實驗報告

1、河南師范大學(xué)CDIO課程項目設(shè)計報告項 目 名 稱 采用8QAM調(diào)制和hamming碼技術(shù) 專 業(yè) 通信工程 班 級 指 導(dǎo) 教 師 設(shè) 計 時 間 通信工程CDIO項目任務(wù)書通信系統(tǒng)仿真一、題目： 數(shù)字通信系統(tǒng)仿真采用8QAM調(diào)制和hamming碼技術(shù) 二、班級、學(xué)號、姓名： 通信工程一班：1008224011 李莉萍；1008224012 雷明琦；1008224014 魏涯峰；1008224015 常欣欣；1008224018 李萍三、項目起止時間： 2013.03-2013.06 四、技術(shù)要求及原始數(shù)據(jù)： 1. 對數(shù)字通信系統(tǒng)主要原理和技術(shù)進行研究，包括8進制正交調(diào)幅（8QAM）及解調(diào)技

2、術(shù)、高斯噪聲信道原理、以及信道編碼中hamming碼的基本原理等。 2. 建立完整的基于8QAM和hamming碼的數(shù)字通信系統(tǒng)仿真模型，包括8QAM 調(diào)制解調(diào)及hamming碼的編譯碼； 3. 在信道中加入高斯噪聲，觀察系統(tǒng)的糾檢錯能力，統(tǒng)計誤碼率，并進行分析。 五、主要任務(wù)： 1、建立數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型； 2、利用Matlab建立數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真模型； 3、對通信系統(tǒng)進行時間流上的仿真，得到仿真結(jié)果； 4、將仿真結(jié)果與理論結(jié)果進行比較、分析。 學(xué) 生（簽字）： 指導(dǎo)教師（簽字）： 系 主 任（簽字）： 院 長 （簽字）： 1 項目計劃1.1項目設(shè)計目的與內(nèi)容要求目的：通過我們對電子系統(tǒng)

3、設(shè)計課程的學(xué)習(xí)和理解，綜合運用課本中所學(xué)到的理論知識完成數(shù)字通信系統(tǒng)仿真采用8QAM調(diào)制和hamming碼技術(shù)的課程設(shè)計。以及鍛煉我們查閱資料、方案比較、團結(jié)合作的能力。學(xué)會簡單電路的實驗調(diào)試和整機指標(biāo)測試方法，增強我們的動手能力，為以后學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。要求： （1）對數(shù)字通信系統(tǒng)主要原理和技術(shù)進行研究，包括8進制正交調(diào)幅（8QAM）及解調(diào)技術(shù)、高斯噪聲信道原理、以及信道編碼中hamming碼的基本原理等。 （2）建立完整的基于8QAM和hamming碼的數(shù)字通信系統(tǒng)仿真模型，包括8QAM調(diào)制解調(diào)及hamming碼的編譯碼。 （3）在信道中加入高斯噪聲，觀察系統(tǒng)的糾檢錯能力，統(tǒng)計誤碼率，并

4、進行分析。2 需求分析與設(shè)計說明 （需求分析、設(shè)計原理和設(shè)計流程）2.1 需求分析這次課程設(shè)計的主要思想是將通信中常用的技術(shù)運用到我們的設(shè)計中，通過MATLAB仿真軟件來模擬信號的傳送和接收。經(jīng)過對題目的分析，這次設(shè)計的基本思路是用隨機函數(shù)產(chǎn)生一個隨機信源，經(jīng)過信道編碼hamming碼，再用8QAM調(diào)制，經(jīng)過添加高斯白噪聲之后再通過相應(yīng)的解調(diào)和解碼就能得到接收到的信號。2.2 設(shè)計原理2.2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖2-1所示：圖2-1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型2.2.1 8QAM調(diào)制解調(diào)原理 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）

5、是一種振幅和相位聯(lián)合調(diào)制鍵控，頻譜利用率較高的調(diào)制方式，它用兩路獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正交的同頻載波的雙邊帶調(diào)制，并利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信號傳輸。 正交調(diào)幅信號有兩個相同頻率的載波，但是相位相差90度。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號從。角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相混和。  QAM是一種矢量調(diào)制，將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個復(fù)平面（星座）上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號，然后將符號的I、Q分量（對應(yīng)復(fù)平面的實部

6、和虛部，也就是水平和垂直方向）采用幅度調(diào)制，分別對應(yīng)調(diào)制在相互正交（時域正交）的兩個載波（和）上。這樣與幅度調(diào)制（AM）相比，其頻譜利用率將提高1倍。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率。 一個碼元可以表示為：   （2-1）展開上式為： （2-2）令    （2-3）式子（2-2）可以變?yōu)橥喾至亢驼环至康男问剑?（2-4）是兩個正交的振幅鍵控信號之和。 QAM的調(diào)制框圖2-2所示。 圖2-2 QAM的調(diào)制框圖QAM的解調(diào)框圖如2-3所示。圖

7、2-3 QAM的解調(diào)框圖2.2.3 hamming碼的編譯碼原理1、 編碼原理一般來說，若漢明碼長為n，信息位數(shù)為k，則監(jiān)督位數(shù)r=n-k。若希望用r個監(jiān)督位構(gòu)造出r個監(jiān)督關(guān)系式來指示一位錯碼的n種可能位置，則要求 （2-5） 下面以（7，4）漢明碼為例說明原理：  設(shè)漢明碼（n,k）中k=4，為了糾正一位錯碼，由式（2-5）可知，要求監(jiān)督位數(shù)r3。若取r=3,則n=k+r=7。我們用來表示這7個碼元，用的值表示3個監(jiān)督關(guān)系式中的校正子，則的值與錯誤碼元位置的對應(yīng)關(guān)系可以規(guī)定如表1所列。表1 校正子和錯碼位置的關(guān)系則由表1可得監(jiān)督關(guān)系式： （2-6） （2-7） （2-8）

8、 在發(fā)送端編碼時，信息位的值決定于輸入信號，因此它們是隨機的。監(jiān)督位應(yīng)根據(jù)信息位的取值按監(jiān)督關(guān)系來確定，即監(jiān)督位應(yīng)使式（2-6）式（2-8）中的值為0（表示編成的碼組中應(yīng)無錯碼）： （2-9） 式（2-9）經(jīng)過移項運算，接觸監(jiān)督位 （2-10）式子（2-9）的等價形式為 （2-11）式（2-10）還可以簡記為 （2-12）其中所以有 （2-13）式（2-10）等價于 （2-14）其中Q為P的轉(zhuǎn)置，即 （2-15）式（2-14）表示，信息位給定后，用信息位的行矩陣乘矩陣Q就產(chǎn)生出監(jiān)督位。 我們將Q的左邊加上一個k×k階單位方陣，就構(gòu)成一個矩陣G （2-16）G稱為生成矩陣，因

9、為由它可以產(chǎn)生整個碼組，即有 （2-17）或者 （2-18）式（2-17）即hamming碼的編碼原理。2、 hamming譯碼原理當(dāng)數(shù)字信號編碼成漢明碼形式（本文中即A）后在信道中傳輸，由于信道中噪聲的干擾，可能由于干擾引入差錯，使得接收端收到錯碼，因此在接收端進行漢明碼糾錯，以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。 一般來說接收碼組與A不一定相同。若設(shè)接收碼組為一n列的行矩陣B，即 （2-19）則發(fā)送碼組和接受碼組之差為 （2-20）E就是傳輸中產(chǎn)生的錯碼行矩陣 （2-21） 若，表示接受碼元無錯誤，若，則表示該接受碼有錯。若E=0，即接受碼組無錯，則，將它帶入式（2-12）仍成立，

10、即有 （2-22）當(dāng)接收碼組有錯時，E0，將B帶入式（2-12）后，該式不一定成立。在未超過檢錯能力時，式（2-22）不成立。假設(shè)此時式（2-22）的右端為S，即 （2-23）將 B=A+E代入式（2-23），可得 （2-24）由式（2-12）可知，所以 （2-25）此處S與前面的S1S2S3有著一一對應(yīng)的關(guān)系，則S能代表錯碼位置。因此，糾錯原理即，接收端收到碼組后按式（2-23）計算出S,再根據(jù)表1判斷錯碼情況，進行差錯糾正。2.2.4高斯噪聲信道原理 信道中存在的不需要電信號統(tǒng)稱為噪聲，通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號上的，沒有輸入信號時通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲永遠存在于通

11、信系統(tǒng)中。噪聲可看成是信道中的一種干擾，成為加性干擾，因為他是疊加在信號上的，噪聲對于信號的傳輸時有害的，它能使模擬信號失真，使數(shù)字信號發(fā)生錯碼，并限制著信息的傳輸速率。 信道中加性噪聲的來源，一般可以分為三方面：(1)人為噪聲。人為噪聲來源于無關(guān)的其它信號源，例如：外臺信號、開關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射等。(2)自然噪聲。自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源，例如：閃電、雷擊、大氣中的電暴和各種宇宙噪聲等。(3)內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，例如：電阻中自由電子的熱運動和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化等。 某些類型的噪聲是確知的，雖然消除這些噪聲不一定很容易，

12、但至少在原理上可消除或基本消除，另一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測其波形，這種不能預(yù)測的噪聲統(tǒng)稱為隨機噪聲，我們關(guān)心的只是隨機噪聲。常見的隨機噪聲分為： 單頻噪聲：為連續(xù)波干擾。特點：頻帶窄，可實測后避開或網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時考慮減小其干擾值。 脈沖噪聲：為時間上的突發(fā)性干擾。特點：時間短，幅度大，頻帶寬。可從時間上避開（中斷通信一瞬間）。 起伏噪聲：為時間上連續(xù)、頻帶極寬的干擾。在通信過程中，無法從時域、頻域避開此噪聲。一般加性噪聲僅考慮為起伏噪聲。起伏噪聲包含： 散彈噪聲：由半導(dǎo)體器件電子發(fā)射的不均勻性引起的噪聲。 熱噪聲：電阻類導(dǎo)體中電子的布朗運動（熱運

13、動）引起的噪聲。 滿足高斯分布，在1013 Hz內(nèi)其功率譜密度為常數(shù)。 宇宙噪聲：天體輻射所形成的噪聲。 服從高斯分布，通過實測，在20300MHZ范圍內(nèi),具有較平坦的功率譜密度，但強度較小。 由于在一定的頻率范圍內(nèi)，起伏噪聲的功率譜近似平坦，為白噪聲或限帶白噪聲。加性噪聲為零均值高斯白噪聲。 加性高斯白噪聲作用下的調(diào)制信道（白高斯信道）可由Shannon公式計算信道的容量： (2-26)其中，為信道帶寬（Hz），S為信號功率(W)，為白噪聲功率。 2.3 設(shè)計流程2.3.1程序流程圖 程序流程圖如圖2-3所示圖2-3 程序

14、流程圖2.3.2 仿真程序設(shè)計msg=randint(10,4,2);%原始信息A=reshape(msg,1,);primpoly=gfprimdf(3,2);code=encode(msg,7,4,'hamming',primpoly);%漢明編碼a=reshape(code,1,);code2=qammod(code,2);%2DPSK編碼.ynoisy=awgn(code2,15,'measured');%高斯噪聲信道.信噪比15b=reshape(ynoisy,1);scatterplot(b);%產(chǎn)生加入噪聲后信息的散點圖decode2=qamdem

15、od(ynoisy,2);%2DPSK解碼c=reshape(decode2,1,);figure(2);%顯示編碼后信息和通過2DPSK編碼及高斯噪聲后的編碼subplot(2,1,1);i=1:length(a);stem(i,a(i);title('漢明編碼');grid;subplot(2,1,2);j=1:length(c);stem(j,c(j);title('通過8QAM調(diào)制解調(diào)和噪聲后的編碼');grid;msg1=decode(decode2,7,4,'hamming',primpoly);%漢明譯碼M=reshape(msg1

16、,1,);figure(1);subplot(2,1,1);x=1:length(A);stem(x,A(x),'*');title('原始信息');grid;subplot(2,1,2);y=1:length(M);stem(y,M(y),'*');title('編譯的信息');grid;number,ratio=symerr(msg,msg1);%誤碼個數(shù)及誤碼率2.3.3 仿真結(jié)果圖2-4 編譯前后的信號圖2-5 hamming編碼圖2-6 產(chǎn)生加入噪聲后信息的散點圖圖2-7 誤碼個數(shù)及誤碼率3 總結(jié) 課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合

17、運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)。而計算機通信則是一門實用性很強的課，特別是數(shù)據(jù)通信與計算機的結(jié)合，派生出當(dāng)前計算機最具發(fā)展前途的計算機網(wǎng)絡(luò)。而計算機通信課程設(shè)計則很好地體現(xiàn)了這門課程的實用性，在整整一學(xué)期課本理論知識的學(xué)習(xí)使我感到對迷茫與無助，有種脫離實際的空虛感，但是課程設(shè)計給我提供了很好的一個理論與實際相結(jié)合的平臺，它使我把理論知識實用化，也使是我對這門課有了一個新的認識，對整個知識框架又有了一個全新的認識，同時我也意識到這門課是一門實用性很強的課程，作為通信工程的必修課，在課設(shè)過程中我意識到了它在我的以后工作生活中的實用價值。  在設(shè)計的過程中，我有許多不懂得地方，在完成過程中老師指導(dǎo)我去怎么選擇資料，如何去利用網(wǎng)絡(luò)資源，在這個學(xué)習(xí)的過程中，我也進一步了解到Matlab的實用價值，更加深刻地理解了通信這門課程中糾錯碼與糾錯原理，更加深刻地理解了循環(huán)冗余校驗碼CRC原理。是我系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了hamming碼的編碼與譯碼原理與其的實現(xiàn)方法。能夠用此去分析不同輸入碼情況