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(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2011 年 12 月 12 日西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè)湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)課程名稱 通信原理課程設(shè)計(jì) 課 題 數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 2011 年 12 月 12 日任 務(wù) 完 成 日 期 2011 年 12 月 26 日西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè)一、設(shè)計(jì)目的與設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)合通信原理課程內(nèi)容，培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)把書(shū)本知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐設(shè)計(jì)的能力。在強(qiáng)調(diào)基本原理的同時(shí)，更突出設(shè)計(jì)過(guò)程的鍛煉。強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和獨(dú)立進(jìn)行科研工作的能力。要求學(xué)生經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)這一教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)會(huì)應(yīng)用 MATLAB 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸中的各個(gè)基本環(huán)節(jié)。1設(shè)計(jì)內(nèi)容：具體設(shè)計(jì)題目包括：模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、PCM 編解碼、循環(huán)碼的編譯碼、m 序列偽隨機(jī)碼、最佳接收等內(nèi)容。學(xué)生還可以根據(jù)自己的興趣，圍繞通信原理課程知識(shí)自由選題。題目 1 信息論基本計(jì)算要求：（1）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)（2）編程實(shí)現(xiàn)離散信道容量的計(jì)算(以輸入符號(hào)等概分布為例)（3）編程實(shí)現(xiàn)信源編碼過(guò)程(以 Huffman 編碼為例) 題目 2 PCM 編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求：（1）用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)一個(gè) PCM 編譯碼器（2）輸入模擬話音信號(hào)觀察其輸出波形（3）輸入數(shù)字信號(hào)觀察其輸出波形（4）對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析（5）對(duì)其應(yīng)用舉例闡述題目 3 數(shù)字信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：（1）編程實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)基帶信號(hào)的波形、碼型轉(zhuǎn)換：非歸零/歸零碼、AMI 碼（2）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（3）編程實(shí)現(xiàn)基帶傳輸系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算：二電平誤碼率計(jì)算（4）編程實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)傳輸?shù)臄_碼與解擾 題目 4 數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）2ASK 調(diào)制 /相干解調(diào)器和非相干解調(diào)系統(tǒng)（包絡(luò)檢波法）設(shè)計(jì)要求：a 編程實(shí)現(xiàn)或是用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模b 輸入數(shù)字信號(hào)序列并進(jìn)行接收判決西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè)c 通過(guò)多次輸入輸出對(duì)兩種系統(tǒng)性能進(jìn)行分析比較d 繪出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖（2）2FSK 調(diào)制/相干解調(diào)器和非相干解調(diào)系統(tǒng)（包絡(luò)檢波法）設(shè)計(jì)要求：a 編程實(shí)現(xiàn)或是用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模b 輸入數(shù)字信號(hào)序列并進(jìn)行接收判決c 通過(guò)多次輸入輸出對(duì)兩種系統(tǒng)性能進(jìn)行分析比較d 繪出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖（3）2PSK、2DPSK 調(diào)制/相干解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：a 編程實(shí)現(xiàn)或是用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模b 輸入數(shù)字信號(hào)序列并進(jìn)行接收判決c 通過(guò)多次輸入輸出對(duì)兩種系統(tǒng)性能進(jìn)行分析比較d 繪出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖（4）16/64QAM 調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：a 編程實(shí)現(xiàn)或是用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模b 輸入數(shù)字信號(hào)序列并進(jìn)行接收判決c 通過(guò)多次輸入輸出對(duì)兩種系統(tǒng)性能進(jìn)行分析比較d 繪出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖題目 5 設(shè)計(jì)一個(gè)先驗(yàn)等概的 2ASK 最佳接收機(jī)要求：（1）編程實(shí)現(xiàn)或是用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模（2）輸入數(shù)字信號(hào)序列并進(jìn)行接收判決（3）通過(guò)多次輸入輸出對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能進(jìn)行分析題目 6 設(shè)計(jì)一個(gè) DSB 調(diào)制/解調(diào)（用平方環(huán)和科斯塔斯環(huán)實(shí)現(xiàn)載波提取）電路要求： （1）編程實(shí)現(xiàn)或是用 simulink 對(duì)系統(tǒng)建模（2）輸入模擬話音信號(hào)觀察其輸出波形（3）對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析（4）對(duì)其應(yīng)用舉例闡述題目 7 數(shù)字通信頻帶傳輸系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)必做題目：題目 1，2，3；選作題目：4（1） 、4（2） 、4(3)、4(4)，5，6 中的一個(gè)；綜合題目 7：每班同學(xué)中，做 2、3、4、5 題目的各選 2 個(gè)同學(xué)，共計(jì) 6 人西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè)合作來(lái)完成題目 7。2設(shè)計(jì)要求：1、在一周內(nèi)學(xué)生須上機(jī) 16 小時(shí)以上，程序調(diào)試完后，須由指導(dǎo)老師在機(jī)器上檢查運(yùn)行結(jié)果，經(jīng)教師認(rèn)可后的源程序可通過(guò)打印機(jī)輸出，并請(qǐng)教師在程序清單上簽字。2、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容和格式：設(shè)計(jì)題目，設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟，設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)果、圖形等，設(shè)計(jì)總結(jié)。3、每組每人必須獨(dú)立完成，成績(jī)的考核按設(shè)計(jì)結(jié)果、答辯成績(jī)及課程設(shè)計(jì)報(bào)告來(lái)綜合評(píng)定。成績(jī)分為優(yōu)、良、中、及格、不及格五級(jí)分評(píng)定。4、指導(dǎo)教師：彭禎，譚小蘭。二、進(jìn)度安排第十六周 星期三 8：0012：00星期五 8：0012：00 星期日 8：0012：00 星期日 14：0018：00第十七周 星期二 14：0018：00 星期四 14：0018：00附：課程設(shè)計(jì)報(bào)告裝訂順序：封面、任務(wù)書(shū)、目錄、正文、評(píng)分、附件（A4 大小的圖紙及程序清單） 。 正文的格式:一級(jí)標(biāo)題用 3 號(hào)黑體,二級(jí)標(biāo)題用四號(hào)宋體加粗,正文用小四號(hào)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(huà)出模塊圖） ；三、主要功能的實(shí)現(xiàn)（至少要有一個(gè)主要模塊的流程圖） ；四、程序調(diào)試；五、總結(jié)；六、附件（所有程序的原代碼，要求對(duì)程序?qū)懗霰匾淖⑨專?。正文總字?jǐn)?shù)要求在 5000 字以上（不含程序原代碼） 。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè)目錄1、主要功能.72、功能模塊的劃分.71、信源平均信息量的計(jì)算(以高斯分布的信源為例).72、離散信道容量的計(jì)算(以輸入符號(hào)等概分布為例).73、信源編碼過(guò)程(以 Huffman 編碼為例).74、 PCM 編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用.85、 數(shù)字信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì).86、數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì).93、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).102、離散信道容量的計(jì)算(以輸入符號(hào)等概分布為例).103、信源編碼過(guò)程(以 Huffman 編碼為例).114、PCM 編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用.115、編程實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)基帶信號(hào)的波形、碼型轉(zhuǎn)換包括：?jiǎn)螛O性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性非歸零碼、雙極性歸零碼、AMI 碼.126、波形、碼型的功率譜分布的繪圖，包括：?jiǎn)螛O性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性非歸零碼、雙極性歸零碼、AMI 碼.157、編程實(shí)現(xiàn)基帶傳輸系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算：二電平誤碼率計(jì)算.18四、功能模塊的分析與流程圖.211、信息論基本運(yùn)算模塊.212、PCM 編譯碼的設(shè)計(jì)及運(yùn)用模塊.21五、程序及 Simulink 調(diào)試.23六、心得體會(huì).23七、評(píng)分表.25八、附件（程序清單）.26西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè)一、 主要功能MATLAB 是由 MathWorks 公司開(kāi)發(fā)的一種主要用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理的工程語(yǔ)言，是當(dāng)今最優(yōu)秀的科技應(yīng)有軟件之一。它將集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、圖形圖像處理、信號(hào)處理和仿真等諸多強(qiáng)大的功能集成在較易使用的交互計(jì)算機(jī)環(huán)境之中，為科學(xué)研究、工程應(yīng)用提供了一種功能強(qiáng)、效率高的編程工具。本次課程設(shè)計(jì)學(xué)生通過(guò)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(hào)傳輸?shù)母拍?，加深?duì)通信系統(tǒng)及信號(hào)的認(rèn)識(shí)，提高自身的實(shí)際應(yīng)用、動(dòng)手能力。最終使學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)應(yīng)用 MATLAB 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸中的各個(gè)基本環(huán)節(jié)。二、 功能模塊的劃分1、信源平均信息量的計(jì)算(以高斯分布的信源為例)根據(jù)題目要求，用高斯過(guò)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(lái)完成信源平均信息量的計(jì)算。平均信息量：平均每個(gè)符號(hào)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)： ；iiixplog*21pxexp2a-2、離散信道容量的計(jì)算(以輸入符號(hào)等概分布為例)我們利用函數(shù) dmessage 來(lái)求信源的熵，利用函數(shù) hemssage 來(lái)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)H(Y/X)；3、信源編碼過(guò)程(以 Huffman 編碼為例)對(duì)于所要求的信源，可以對(duì)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。huffman 編碼方法如下：（1） 將信源信息呼號(hào)按其出現(xiàn)的概率大小依次排列；（2） 取兩個(gè)概率最小的字母分別配以 0 和 1 兩個(gè)碼元，并將這兩個(gè)概率相加作為一個(gè)新字母的概率，與未分配的二進(jìn)制符號(hào)的字母重新排隊(duì)；（3） 對(duì)重排后的兩個(gè)概率最小符號(hào)重復(fù)步驟（2）的過(guò)程；（4） 不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到 最后兩個(gè)符號(hào)配以 0 和 1 為止；（5） 從最后一級(jí)開(kāi)始，向前返回得到各個(gè)信源符號(hào)所對(duì)應(yīng)的碼元序列，及相應(yīng)的碼字。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè)Huffman 編碼的意義：將概率大的信息符號(hào)編以短的碼字，概率小的符號(hào)配以長(zhǎng)的碼字，使得平均碼字長(zhǎng)度最短，冗余度減小。4、PCM 編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用（1）PCM 編碼器系統(tǒng)Simulink 實(shí)現(xiàn) PCM 技術(shù)的三個(gè)過(guò)程：采樣、量化與編碼。其中以 saturation 作為限幅器，將輸入信號(hào)幅度值限制在 PCM 編碼定義的范圍內(nèi)，Relay 模塊的門限設(shè)置為 0，其輸出即可作為 PCM 編碼輸出的最高位極性碼。樣值取絕對(duì)值后，以 LookUp Table 模塊進(jìn)行 13 折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到 0127,然后用間距為 1 的 Quantizer 進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為 7 位二進(jìn)制序列，作為 PCM 編碼的低 7 位。（2）PCM 譯碼器系統(tǒng)PCM 解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和 7 位數(shù)據(jù)，然后將 7 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化、擴(kuò)張后與雙極性碼相乘得出解碼值。（3）PCM 編譯碼器整體系統(tǒng)5、數(shù)字信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）編程實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)基帶信號(hào)的波形、碼型轉(zhuǎn)換包括：?jiǎn)螛O性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性非歸零碼、雙極性歸零碼、AMI 碼。單極性非歸零碼：用電平 1 來(lái)表示二元信息中的“1” ，用電平 0 來(lái)表示二元信息中的“0” ，電平在整個(gè)碼元的時(shí)間里不變，記作 NRZ 碼。單極性歸零碼：它與單極性非歸零碼不同處在于輸入二元信息為 1 時(shí)，給出得碼元前半時(shí)間為 1，后半時(shí)間為 0，輸入 0 則完全相同。雙極性非歸零碼：它與單極性非歸零碼類似，區(qū)別在于雙極性使用電平-1 來(lái)表示信息 0.雙極性歸零碼：此種碼型比較特殊，它使用前半時(shí)間 1,、后半時(shí)間 0 來(lái)表示1；采用前半時(shí)間-1、后半時(shí)間 0 來(lái)表示信息 0.因此它具有 3 個(gè)電平，嚴(yán)格的說(shuō)是一種三元碼（電平 1,0，-1） 。AMI 碼：全稱是傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼。其編碼規(guī)則是將消息碼中的“1”交替變成“+1”和“-1” ，將消息碼中的“0”仍保持為“0” 。（2）波形、碼型的功率譜分布的繪圖，包括：?jiǎn)螛O性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性非歸零碼、雙極性歸零碼、AMI 碼。西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè)數(shù)字基帶信號(hào)一般是隨機(jī)信號(hào)，因此分析隨隨機(jī)信號(hào)的頻譜特性要用功率譜密度來(lái)分析。一般來(lái)說(shuō)求解功率譜是一件相當(dāng)困難的事情，但由于上述幾種碼型比較簡(jiǎn)單，因此可以求出功率譜。（3）編程實(shí)現(xiàn)基帶 傳輸系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算：二電平誤碼率計(jì)算。6、數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）2ASK 調(diào)制/相干解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）2ASK 調(diào)制/非相干解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包絡(luò)檢波法）產(chǎn)生二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的方法，或稱調(diào)制方法，主要有兩種。第一種采用相乘電路法，用基帶信號(hào)和載波相乘就得到了已調(diào)信號(hào)輸出。第二種是采用開(kāi)關(guān)電路法。在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號(hào)的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基帶信號(hào) 1 或 0 的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無(wú)來(lái)代表信號(hào)中的“1”或“0”，這樣就可以得到 2ASK 信號(hào)，這種二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控（OOK）。其時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（1）2()cosASKntat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na進(jìn)制序列的第 n 個(gè)碼元：（2）Pa出 現(xiàn) 概 率 為出 現(xiàn) 概 率 為 110綜合式 1 和式 2，令 A1，則 2ASK 信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為： tnTtgatScnsKo)()(c式中，T s為碼元間隔， 為持續(xù)時(shí)間 T s/2，T s/2 內(nèi)任意波形形()t狀的脈沖（分析時(shí)一般設(shè)為歸一化矩形脈沖），而 就是代表二進(jìn)制信息()St的隨機(jī)單極性脈沖序列。采用相乘電路產(chǎn)生二進(jìn)制 ASK 信號(hào)時(shí)，用基帶信號(hào) A（t）與載波coswt 相乘就得到已調(diào)信號(hào)輸出。2ASK 信號(hào)解