數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計通信原理課設報告

1、通信原理課程設計任務書一、設計目的與設計內(nèi)容學生通過自己設計及建立通信系統(tǒng)，掌握通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理、信號傳輸?shù)母拍睿由顚νㄐ畔到y(tǒng)及信號的認識，提高學生的實際應用、動手能力。要求學生經(jīng)過課程設計這一教學環(huán)節(jié)學會應用MATLAB軟件來實現(xiàn)信號傳輸中的各個基本環(huán)節(jié)?？蛇x的設計題目有：（1）信息論基本計算編程實現(xiàn)信源平均信息量的計算(以高斯分布的信源為例)；編程實現(xiàn)離散信道容量的計算(以輸入符號等概分布為例)；編程實現(xiàn)信源編碼過程(以Huffman編碼為例)；（4）數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計編程實現(xiàn)ASK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時、頻域波形；編程實現(xiàn)FSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時、頻域波形；編程實現(xiàn)PSK、

2、DPSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時、頻域波形；編程實現(xiàn)16/64QAM調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，繪出時、頻域波形；二、課程設計進度要求序號設計內(nèi)容時間(具體上機時間另行通知)1資料查閱2天2編寫調(diào)試程序8天3驗證設計結(jié)果2天4課程設計答辯2天合 計14天三、課程設計說明書與圖紙要求 1、邏輯清晰、層次分明、書寫整潔；2設計任務及主要技術(shù)指標和要求；3選定方案的論證及整體仿真方案的工作原理、程序分析；4附程序清單或軟盤；。5課程設計說明書須每人一份，獨立完成。3四、課程設計評分標準評 定 項 目評分成績1選題合理、目的明確。 (10分)2設計方案正確，具有可行性、創(chuàng)新性。 (20分)3設計結(jié)果。（硬件成果、軟

3、件程序） (25分)4態(tài)度認真、學習刻苦、遵守紀律。(10分) 5設計報告的規(guī)范化、參考文獻充分。（不少于5篇）(10分)6答辯。(25分)總分 (100)備注：成績等級：優(yōu)（90分100分）、良（80分89分）、中（70分79分）、及格（60分69分）、60分以下為不及格。五、課程設計參考資料教材：通信原理第5版，主編：樊昌信，出版社：國防工業(yè)出版社， 2004年。 參考書：MATLAB通信仿真與應用，主 編：劉敏，出版社：北京郵電大學出版社， 2004年。附：課程設計報告裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、評分、附件（A4大小的圖紙及程序清單）。 正文的格式:一級標題用3號黑體,二級標題用

4、四號宋體加粗,正文用小四號宋體;行距為22。正文的內(nèi)容:一、課題的主要功能；二、課題的功能模塊的劃分（要求畫出模塊圖）；三、主要功能的實現(xiàn)；四、程序調(diào)試；五、總結(jié)；六、附件（所有程序的原代碼，要求對程序?qū)懗霰匾淖⑨專?；七、評分表。目 錄1、課題名稱12、課程設計的方案和基本原理12.1信息論基本計算12.2數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計13、課程設計步驟33.1信息論基本計算的設計步驟33.2數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)的設計步驟44、課程設計結(jié)果和結(jié)果分析54.1信息論的基本運算結(jié)果54.2數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計65、心得體會146、附件（源代碼）146.1 信息論基本計算146.2數(shù)字信號基帶傳輸系

5、統(tǒng)177、參考文獻238、評分表2451、課題名稱（1）信息論基本計算。（2）數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計2、課程設計的方案和基本原理2.1信息論基本計算2.1.1 平均信息量：平均每個符號所能提供的信息量。H(X) 2.12 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) R=I(X;Y)=H(X)-H(XY)2.13 信源編碼過程：Huffman編碼的意義是，用最少的編碼長度來表達符號的信息。為了使平均碼長度最小，將發(fā)生概率較大的符號用比較短的碼組來表示，將發(fā)生概率較小的符號用較長的碼組實現(xiàn)，以得到最佳的變長編碼，減少冗余度，提高系統(tǒng)傳輸?shù)男省?.2數(shù)字信號頻帶

6、傳輸系統(tǒng)設計在數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)中最基本的調(diào)制和解調(diào)方式有ASK,，F(xiàn)SK, PSK,2DPSK和QAM這幾種，下面將依次介紹其調(diào)制和解調(diào)的過程：2.2.1 振幅鍵控（ASK）:在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號的變化而變化的。使載波在二進制基帶信號1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無來代表信號中的“1”或“0”，這樣就可以得到2ASK信號，這種二進制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控（OOK）。其時域數(shù)學表達式為： （1）式中，A為未調(diào)載波幅度，為載波角頻率，為符合下列關(guān)系的二進制序列的第n個碼元： （2）綜合式1和式2，令A1，則2ASK信號的一般時域表達式為：式中，Ts為碼元間隔，為持續(xù)時

7、間 Ts/2，Ts/2 內(nèi)任意波形形狀的脈沖（分析時一般設為歸一化矩形脈沖），而就是代表二進制信息的隨機單極性脈沖序列。采用相乘電路產(chǎn)生二進制ASK信號時，用基帶信號A（t）與載波cosw0t相乘就得到已調(diào)信號輸出。2ASK信號解調(diào)時可采用相干解調(diào)法和包絡檢波法，包絡檢波法解調(diào)器是用整流器和低通濾波器構(gòu)成的；相干解調(diào)中相乘電路需要有相干載波cosw0t,它必須從接收信號中提取，并且和接收信號的載波同頻同相，所以這種方法比包絡檢波法要復雜得多。2.2.2頻移鍵控（FSK）:2FSK信號是用載波頻率的變化來表征被傳信息的狀態(tài)的，被調(diào)載波的頻率隨二進制序列0、1狀態(tài)而變化，即載頻為時代表傳0，載頻為

8、時代表傳1。顯然，2FSK信號完全可以看成兩個分別以和為載頻、以和為被傳二進制序列的兩種2ASK信號的合成。2FSK信號的典型時域波形如圖15-5所示，其一般時域數(shù)學表達式為式中，是的反碼，即2FSK信號的產(chǎn)生是用二進制基帶矩形脈沖信號去調(diào)制一個調(diào)頻器，使其能夠輸出兩個不同頻率的碼元。2FSK信號的接收也分為相干和非相干兩類。采用相干接收法時，接收信號經(jīng)過并聯(lián)的兩路帶通濾波器、與本地相干載波相乘和低通濾波后，進行抽樣判決。2PSK信號是用載波相位的變化表征被傳輸信息狀態(tài)的，通常規(guī)定0相位載波和相位載波分別代表傳1和傳0。設二進制單極性碼為an，其對應的雙極性二進制碼為bn，則2PSK信號的一般

9、時域數(shù)學表達式為：其中：2PSK信號是用載波的不同相位直接去表示相應的數(shù)字信號而得出的，在這種絕對移相的方式中，由于發(fā)送端是以某一個相位作為基準的，因而在接收系統(tǒng)也必須有這樣一個固定基準相位作參考。2.2.3 相移鍵控（PSK和DPSK）:2DPSK是利用相鄰碼元載波相位的相對值表示基帶信號“0”和“1”的，它的調(diào)制原理與2FSK的調(diào)制原理類似，也是用二進制基帶信號作為模擬開關(guān)的控制信號輪流選通不同相位的載波，完成2DPSK調(diào)制，其調(diào)制的基帶信號和載波信號分別從“PSK基帶輸入”和“PSK載波輸入”輸入，差分變換的時鐘信號從“PSK-BS輸入”點輸入。2DPSK信號的解調(diào)，主要兩種方法。第一種

10、方法是直接比較相鄰碼元的相位，從而判決接收碼元是“0”還是“1”。為此，需要將前一碼元延遲1碼元時間，然后將當前碼元的相位和前一碼元的相位作比較。第二種方法是先把接收信號當做絕對相移信號進行相干解調(diào)，解調(diào)后的碼元序列是相對碼；然后將此相對碼做逆碼變換，還原成絕對碼，即原基帶信號碼元序列。2.2.4 正交幅度調(diào)制/解調(diào)（QAM）:一個正交幅度調(diào)制（QAM）信號采用兩個正交載波,每一個載波被一個獨立的信息比特序列所調(diào)制，QAM可以看作是振幅調(diào)制和相位調(diào)制的結(jié)合。3、課程設計步驟3.1信息論基本計算的設計步驟3.1.1 信源平均信息量的計算(以高斯分布的信源為例)：通過系統(tǒng)產(chǎn)生一個高斯隨機信源，再求

11、出它的平均信息量。3.1.2 離散信道容量的計算(以輸入符號等概分布為例)：編寫aveinformation(The average mutual information)函數(shù)求出平均互信息，編寫disentropy(Discrete Entropy)函數(shù)，求出離散信息熵，調(diào)用aveinformation函數(shù)和disentropy函數(shù)得出hf和hx,最后信道容量c=hx-hf。3.1.3 信源編碼過程(以Huffman編碼為例)：先編寫huffman函數(shù)，對系列排序并求出huffman編碼。調(diào)用huffman函數(shù)得出編碼后的碼字。3.2數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)的設計步驟3.2.1 振幅鍵控（ASK

12、）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK和DPSK）:先用t=0:0.01:10;y=sin(2*pi*t);語句產(chǎn)生載波信號，然后用ones和zeros矩陣產(chǎn)生基波信號，最后運用各種鍵控對載波和基帶信號進行處理，畫出原始基帶信號的波形圖和頻譜圖、各種調(diào)制前的波形圖和頻譜圖以及調(diào)制后波形圖和頻譜圖。3.2.2 正交幅度調(diào)制/解調(diào)（QAM）:用randint函數(shù)產(chǎn)生隨機整數(shù)，然后用qammod函數(shù)進行QAM調(diào)制，最后畫出原始信號的波形、進行QAM調(diào)制的波形和調(diào)制后頻譜以及解調(diào)后的波形和頻譜。4、課程設計結(jié)果和結(jié)果分析4.1信息論的基本運算結(jié)果4.1.1 信源平均信息量的計算(以高斯分布的信源為例

13、)：圖1.信源平均信息量的計算結(jié)果4.1.2 離散信道容量的計算(以輸入符號等概分布為例)：圖2.離散信道容量的計算結(jié)果4.1.3 信源編碼過程(以Huffman編碼為例)圖3.哈夫曼編碼過程4.2數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計4.2.1 ASK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)：ASK調(diào)制/解調(diào)時，原始信號為1則調(diào)制信號為一個完整周期的正弦波，原始信號為0時則調(diào)制信號也為0；調(diào)制信號經(jīng)過解調(diào)后信號恢復成原始信號，其中數(shù)字基帶信號為0100101010。圖4.原始信號波形和頻譜圖5.原始信號經(jīng)過ASK調(diào)制后的波形和頻譜圖6.調(diào)制過的信號經(jīng)過ASK解調(diào)后的波形和頻譜4.2.2 FSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)：FSK調(diào)制/解調(diào)時，原

14、始信號為1時則調(diào)制信號為1.5個周期的正弦波信號，原始信號為0時則調(diào)制信號為一個周期的正弦波信號；調(diào)制信號經(jīng)過解調(diào)后信號恢復成原始信號，其中數(shù)字基帶信號為0100101010。圖7. 原始信號波形和頻譜圖8.原始信號經(jīng)過FSK調(diào)制后的波形和頻譜圖9. 調(diào)制過的信號經(jīng)過FSK解調(diào)后的波形和頻譜4.2.3 PSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)：PSK調(diào)制/解調(diào)時，原始信號為1時則調(diào)制信號為一個周期的正弦波信號，原始信號為0時則調(diào)制信號為一個周期的正弦波信號，但他們的初始相位相差180；調(diào)制信號經(jīng)過解調(diào)后信號恢復成原始信號，其中數(shù)字基帶信號為0100101010。圖10. 原始信號波形和頻譜圖11.原始信號經(jīng)過PS

15、K調(diào)制后的波形和頻譜圖12. 調(diào)制過的信號經(jīng)過FSK解調(diào)后的波形和頻譜4.2.4 DPSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)：其中數(shù)字基帶信號為0100101010。圖13. 原始信號波形和頻譜圖14.原始信號經(jīng)過DPSK調(diào)制后的波形和頻譜圖15. 調(diào)制過的信號經(jīng)過FSK解調(diào)后的波形和頻譜4.2.5 16/64QAM調(diào)制/解調(diào)技術(shù)：圖16.原始信號圖17.16QAM沖擊信號及調(diào)制后的頻譜圖18.經(jīng)過16QAM解調(diào)后的波形及頻譜5、心得體會這是我們第二次運用MATLAB軟件做課程設計，第一次是這個學期開學時做的數(shù)字信號處理課程設計，由于對MATLAB軟件的運用有了一定的了解，這次做起課程設計來沒有上次那樣困難。雖然

16、這次課程設計有兩周的時間，但還是感覺時間很緊，因為這次課設要做的事情還是挺多的。老師給我們的課設任務書上要求我們我們每個人至少要做兩個題，第一個題“信息論的基本計算”是每個人都必須做的，然后根據(jù)我們的學號再分配一個題目，我這次分配的是數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)設計，這個題目又分為5個小題目，所以是挺多的。拿到課程設計任務書后我就開始查找資料。我先閱讀了老師發(fā)給我們的電子檔的MATLAB通信仿真及應用實例詳解，但對著電腦屏幕看這PDF格式的電子書實在是費勁。然后我就到圖書館去借來了劉敏編寫的MATLAB通信仿真與應用。通過兩天的閱讀對通信仿真有了初步的了解后就開始編寫程序，開始寫的程序老是有錯誤，通過

17、多次閱讀資料和請教老師及同學最后終于得到了符合要求的正確的程序。這次課程設計我感受良多。在這次課設中我遇到了許許多多的問題，有時候還真有放棄的想法，但最終還是沒有放棄，因為我知道這些問題正好暴露我學習上存在的知識的積累的不足，通過解決這些問題就能學到很多的東西。這次課程設計也使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能真正鍛煉出解決問題的能力。兩周的課程設計終于做完了，回想這兩周來的雖然很累，但在辛勤的老師的指導下和同學的幫助下順利的完成了這次課設，我心里還是很開心的。6、附件（源代碼）6.1 信息論基本計算6.1.1、信源平均信息

18、量的計算(高斯分布的信源)x=randn(1,100000);%產(chǎn)生N（0，1）高斯源px=1/sqrt(2*pi)*exp(-(x-1).2/2);%計算概率disp(信源熵/信源平均信息量);l=-mean(log2(px)%計算熵6.1.2、編程實現(xiàn)離散信道容量的計算(以輸入符號等概分布為例)function r=aveinformation(x,n) %參數(shù)x表示概率矩陣，n是符號的數(shù)目r=0;for i=1:nr=r-x(i)*log(x(i)/log(2);enddisp(此離散信源的平均信息量為：); r%直接在命令窗口中調(diào)用aveinformation函數(shù)，也可以在其它函數(shù)中調(diào)

19、用aveinformation ( 0.25,0.25,0.25,0.25,4)%求互信息的函數(shù)文件如下function r=disentropy(x,f,nx,my)%x為輸出的信源分布，f為轉(zhuǎn)移概率矩陣，nx為輸出的符號可選個數(shù)%my為輸出的符號個數(shù)sum=0;for i=1:nxfor j=1:my%通過式子p(x,y)=p(x)p(y/x)來求p(x,y),用t表示t=f(i,j)*x(i);%求平均互信息量 if t=0sum=sum-t*log(f(i,j)/log(2);end;end; end; disp(平均互信息量為：);r=sum;%利用函數(shù)aveinformation來

20、求信源的熵，利用函數(shù)disentropy來求平均互信息量x=0.25,0.25,0.25,0.25;f1= 3/8, 3/8,1/4,0,0,0 0, 3/8, 3/8,1/4,0,0 0,0, 3/8, 3/8,1/4,0 0,0,0, 3/8, 3/8,1/4,;hf1= disentropy (x,f1,4,6);hx= aveinformation (x,4);disp(離散信道容量：);c1=hx-hf1 %信道容量 6.1.3、哈弗曼編碼的實現(xiàn)%哈弗曼編碼的實現(xiàn)函數(shù)如下function h,l=huffman (p)if (length(find(p10e-10) error(No

21、t a prob.vector,component do not add to 1) endn=length(p); q=p; m=zeros(n-1,n);for i=1:n-1 q,l=sort(q); m(i,:)=l(1:n-i+1),zeros(1,i-1); q=q(1)+q(2),q(3:n),1; endfor i=1:n-1 c(i,:)=blanks(n*n);endc(n-1,n)=0; c(n-1,2*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,:)

22、=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); end; end for i=1:n h(i,1:n)=c(1,n*(find(m(1,:)=i)-1)+1:find(m(1,:)=i)*n); ll(i)=length(find(abs(h(i,:)=32); end l=sum(p.*ll); %在命令窗口或M文件里調(diào)用h

23、affman函數(shù)p=1/16,1/16,1/8,1/4,1/2;h,l=huffman(p)6.2數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)6.2.1 ASK調(diào)制/解調(diào)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;%幅頻鍵控recos=s_2ask.*y; meg=fin

24、d(recos0);%找出大于一的那一位 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)制后的信號subplot(211);plot(t,s_2a

25、sk);grid ;title(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)后的信號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;titl

26、e(ASK解調(diào)頻譜);xlabel(頻率);ylabel(幅度);6.2.2 FSK調(diào)制/解調(diào)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

27、*(x-1); meg1=find(recos10);%找出大于一的那一位demo1(meg1)=1; meg1=find(recos10);demo2(meg2)=1;meg2=find(recos20);demo2(meg2)=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(

28、頻率);ylabel(幅度); figure(2)%subplot(211);plot(t,s_2psk); grid;title(PSK調(diào)制);xlabel(時間);ylabel(幅度);subplot(212)s_2pskf=fft(s_2psk);plot(f,abs(s_2pskf);grid;title(PSK調(diào)制后信號頻譜);xlabel(頻率);ylabel(幅度); figure(3)subplot(211);plot(t,demo2);grid ;title(PSK解調(diào));xlabel(時間);ylabel(幅度);axis(0,10,-0.1,1.1);subplot(21

29、2)demof2=fft(demo2); plot(f,abs(demof2);grid;title(PSK解調(diào)后信號頻譜);xlabel(頻率);ylabel(幅度);6.2.4 DPSK調(diào)制/解調(diào)clear allx=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_2dpsk=dpskmod(x,2);demo3=dpskdemod(s_2dpsk,2)%DPSKfigure(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(原始信號頻譜);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);a