课 程 设 计 报 告
课程名称 通信原理 课题名称 数字信号频带传输系统设计 专 业 通信工程 班 级 0881 学 号 姓 名
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指导教师
2011年1月 10 日
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湖南工程学院 课 程 设 计 任 务 书
课程名称 通信原理 课 题 数字信号频带传输系统设计
专业班级 通信工程0881 学生姓名 学 号 指导老师
审 批
任务书下达日期 2011 年 1月 10 日 任务完成日期 2011 年 1 月 19日
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《通信原理》课程设计任务书
一、设计目的与设计内容
学生通过自己设计及建立通信系统，掌握通信系统的构成原理、信号传输的概念，加深对通信系统及信号的认识，提高学生的实际应用、动手能力。要求学生经过课程设计这一教学环节学会应用MATLAB软件来实现信号传输中的各个基本环节。 可选的设计题目有：
（1）信息论基本计算。要求：
编程实现信源平均信息量的计算(以高斯分布的信源为例)； 编程实现离散信道容量的计算(以输入符号等概分布为例)； 编程实现信源编码过程(以Huffman编码为例)； （2）脉冲编码调制(PCM)实现
编程实现PCM技术的三个过程：采样、量化与编码。
sin2(200t)采样：低通连续信号采样，以s1(t)?sinc(200t)?为例说明低通采样定理，
200t2绘出信号时、频图形；带通连续信号采样，以s2(t)?20sinc(20t)为例说明带通采样定理，绘出信号时、频图形。
量化：均匀量化，以幅度Am?1v的正弦信号为例实现为64级电平的均匀量化；非
均匀量化，输入A律PCM编码器的正弦信号x(t)?sin(1600?t)，采样序列为x(n)?sin(0.2?n),n?1,2,,10，将其进行PCM编码，给出编码器的输出码组序列y(n)
编码：以上述信号为例，实现A律的13折线近似法及国际标准PCM对数A律量化编
码。
（3）数字信号基带传输系统设计
编程实现常见基带信号的波形、码型转换，包括：单/双极性、非归零/归零码、数
字双相码(曼彻斯特码)、密勒码、AMI码、HDB3码，并绘出每种波形、码型的功率谱分布，给出与在理论课上所学相符合的分析与理解；
编程实现基带传输系统的误码率计算，包括：二电平和多电平编码的误码率计算； 编程实现基带信号传输的扰码与解扰。 （4）数字信号频带传输系统设计
编程实现ASK调制/解调技术，绘出时、频域波形； 编程实现FSK调制/解调技术，绘出时、频域波形； 编程实现PSK、DPSK调制/解调技术，绘出时、频域波形； 编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时、频域波形； （5）数字通信频带传输系统综合设计
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综合(1)、(2)、(3)、(4)的设计程序，并将它们封装为SIMULINK模块，设计一个完
整的数字通信频带传输系统。
（三）、进度安排：
第十八周 星期一： 课题讲解，查阅资料
星期三: 总体设计，详细设计
星期四： 编程，上机调试、修改程序
第十九周 星期一：编程，上机调试、修改程序
星期二：上机调试、完善程序 星期三： 答辩
星期四-星期六：撰写课程设计报告
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目录
一、 课题的主要功能 ...................................... 8 二、课题的功能模块的划分 ................................. 8 1、平均信息量的计算 ................................... 8 2、离散信道容量的计算 ................................. 8 3、以Huffman编码实现信源编码 ......................... 9 4、ASK调制技术，绘出时、频域波形 ...................... 9 5、FSK调制技术，绘出时、频域波形 ..................... 10 6、PSK、DPSK调制技术，绘出时、频域波形 ............... 10 7、16/64QAM调制技术，绘出时、频域波形 ................ 10 三、主要功能的实现 ...................................... 11 1、 信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例） ..... 11 2、 离散信道容量的计算 ............................... 11 3、 信源编码（以Huffman编码为例） ................... 12 4、 编程实现ASK调制技术、绘制时、频域波形 ........... 12 5、 编程实现FSK调制技术、绘制时、频域波形 ........... 13 6、 编写实现PSK/DPSK调制技术，绘制时。频域波形 ...... 13 7、 编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时、频域波形 . 13 四．数字信号频带传输系统 ................................ 14 五、程序调试 ............................................ 15 1、程序的图 .......................................... 15 六、总结 ................................................ 20
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七、附件 ................................................ 21 八、评分表 .............................................. 26
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一、 课题的主要功能
MATLAB Mat MATLAB MathWorks公司推出的一套高效率的数值计算和可视化
软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。
学生通过自己设计及建立通信系统，掌握通信系统的构成原理、信号传输的概念，加深对通信系统及信号的认识，提高学生的实际应用、动手能力。要求学生经过课程设计这一教学环节学会应用MATLAB软件来实现信号传输中的各个基本环节。
二、课题的功能模块的划分
1、平均信息量的计算
根据题目要求，用高斯过程X(t)d的一维概率密度函数服从正态分布的表达式f=1/(u*sqrt(2*pi))*exp(-(x-o)^2/2*u^2来完成信源平均信息量的计算。 平均信息量：平均每个符号所能提供的信息量，也叫平均自信息量。 H(X)= —?p?xi?logp?xi?；
i高斯分布函数：p?x??1?2*?exp2?x-a?[﹣]；
2?22、离散信道容量的计算
我们利用函数dmessage来求信源的熵，利用函数hemssage来求平均互信息量，
并最终得到信道的容量。离散信道容量：信道容量是信道所能传送的最大的信息量。
C=max[I(X;Y)] （比特/码元） I(X;Y)=H(Y)﹣H(Y/X);
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3、以Huffman编码实现信源编码
对于所要求的信源，可以对其进行作为一元信源的哈夫曼编码并得到编码效率，相应的二元信源的哈夫曼编码及其编码效率。uffman编码方法： （1） 将信源信息呼号按其出现的概率大小依次排列；
（2） 取两个概率最小的字母分别配以0和1两个码元，并将这两个概率相加作
为一个新字母的概率，与未分配的二进符号的字母重新排队； （3） 对重排后的两个概率最小符号重复步骤（2）的过程； （4） 不断重复上述过程，知道最后两个符号配以0和1为止；
（5） 从最后一级开始，向前返回得到各个信源符号所对应的码元序列，及相应
的码字；
Huffman编码的意义：将概率大的信息符号编以短的码字，概率小的符号配以长的码字，使得平均码字长度最短，冗余度减小。
4、ASK调制技术，绘出时、频域波形
在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化的，最简单的形式是载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断，这种调制方式称为通断一段键控（ook）。时域表达式为 y=sin(2*pi*t)
s(t) 载波信号 2ASK信号
1011001Tbttt9
5、FSK调制技术，绘出时、频域波形
将信号的调制在载波的频率上的调制方法称为频移键控（FSK），它也包括二点平频移键控（BFSK）和电平频移键控（MFSK），频移键控的原理与跳频类似，只是使用数字信号而已。
6、PSK、DPSK调制技术，绘出时、频域波形
在载波相位的调制中，将信道发送的信息调制在载波的相位上，相位通常范围是（0，2），2PSK信号码元的“0”“1”分别用初始相位0和 π来表示，而其振幅和频率保持不变。gT(t)为发射端的滤波脉冲，决定了信号的频谱特征。2PSK信号属于DSB信号,它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调。2PSK相干解调系统框图及个测试行波形如下：
7、16/64QAM调制技术，绘出时、频域波形
16进制相移键控，它的每一个矢量点对应4位b1b2b3b4共16种可能的信息符号序列。每一种都对应不同的相位因为QAM调制在MATLAB7.1中有库函数，直接调用该库函数即可。
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三、主要功能的实现
1、 信源平均信息量的计算（以高斯分布的信源为例）
syms x u o u=3; o=4;
f=1/(u*sqrt(2*pi))*exp(-(x-o)^2/2*u^2); t=-f*log2(f);
r=int(t,-inf,inf); disp('平均信息量为：') r=double(r)
2、 离散信道容量的计算
x=[0.25,0.25,0.25,0.25]; f1=[1/4,1/4,1/4,1/4 1/4,1/4,1/4,1/4 1/4,1/4,1/4,1/4 1/4,1/4,1/4,1/4]; hf1=hmessage(x,f1,4,4) hx=dmessage(x,4) disp('c1信道容量为'); c1=hx-hf1
f2=[1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8]; hf2=hmessage(x,f2,4,8) hx=dmessage(x,4)
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disp('c2信道容量为');
c2=hx-hf2
在这个程序之中有两个信道容量的转移概率矩阵，为了求两个信道容量，调用了两个函数：hmessage()和dmessage()，利用dmessage来求信源的熵，利用函数hmessage来求平均互信息量并最终得到信道容量。
3、 信源编码（以Huffman编码为例）
p=[1/2,1/4,1/8,1/16,1/16] i=dmessage(p,5) [h,l]=huffman(p)
n=i/l
采用了哈夫曼编码，对离散的信源直接调用huffman..m函数文件就能得到编码，调用dmessage函数得到平均信息量。
4、 编程实现ASK调制技术、绘制时、频域波形
y=sin(2*pi*t1); %二元序列为10101100
x=[ones(1,100),zeros(1,101),ones(1,100),zeros(1,100), ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100)]; 。。。。。。
z=x.*y; %二元序列点乘y 即进行ask调制 。。。。。。
[Am3,pha3]=dft3(x); ?t变换
二进制序列为10101100把二元序列点乘正弦载波。并绘制出原始二元序列和调制后的时域/频域图形。绘制频谱图时，对其进行傅立叶变换（调用dft3.m函数文件）即可。
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5、 编程实现FSK调制技术、绘制时、频域波形
%二元序列为10110010
t=[ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100) ,zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101)]; y=sin(x.*(2*pi+2*t)); 。。。。。。
[Am3,pha3]=dft3(x); ?t变换
6、 编写实现PSK/DPSK调制技术，绘制时。频域波形
二元序列为10110010
d=[ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100), zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101)]; s=cos(2*pi*fc*x+pi.*d); 。。。。。。
[Am3,pha3]=dft3(x); ?t变换
7、 编程实现16/64QAM调制/解调技术，绘出时、频域波形
%产生随机序列函数
x = randint(n,1);
。。。。。。
%转换为4比特的矢量点并映射成十进制数
xsym = bi2de(reshape(x,k,length(x)/k).','left-msb');
。。。。。。
%调用qammod.M库函数文件 y = qammod(xsym,M)
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。。。。。。
16QAM是用两路独立的正交4ASK信号叠加形成的。 QAM信号的时域表达式为
s?????XnT?MQAM(t)ng(t?S)n??cos?ct?????Yg(t?nT?nS)?sin?ct n??mI(t)cos?ct?mQ(t)sin?ct
四．数字信号频带传输系统
开始 输入基QAM带信号调制 和载波 2ASK2FSK2PSK2DPSK调制 调制 调制 调制 2ASK2FSK2PSK2DPSK调制 调制 调制 调制 图4 数字信号频带传输流程图
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五、程序调试
1、程序的图
图（1）该图是用高斯分布实现平均信息量的计算
图（2）以输入符号等概分布来实现离散信道容量的计算
图（3）是实现信源编码过程
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图（4）表示原信号的频域波形，频率为50HZ
图（5）是ASK调制后的时域波形
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图(6)原信号的频域波形
图（7）表示用FSK调之后的频域波形
可以看出载频有所改变，由于跳频同时必然带来了相位改变所以有相
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位的突变。
图（8）用PSK、DPSK调制之后的频谱波形
图（9）QAM原始的结果
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图（10）QAM调制后的结果
图（11）QAM调制后的时域波形
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六、总结
此次课程设计，我做的题目是数字信号频带传输系统设计，在两周的课程设计之中，我体会到了很多东西，也学到了很多很多的东西，也按时的完成了老师所布置的任务，
通过两周的努力，现在我较好地完成了既定目标，在试验中我学到了不少东西，也感触很深，在自己的努力下收获了成的喜悦。
在“三分编程七分调试”，说明程序调试的工作量要比编程大得多对于这次课程设计，我感触颇多，从拿到题目到完成整个课程设计，从理论到实践，在整整两个星期的日子里，学到了很多很多的的东西，同时不仅巩固了学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到很多很多的问题，因为这毕竟是第一次通信原理课程设计，难免会遇到各种各样的问题。当程序能正确运行时那种成就感无法言表，我感受到了收获的喜悦。也就是从现在我更深刻体会到学海无涯，我要用正确的态度面对学习的挑战，理论联系实际，进一步熟练掌握科学知识，武装自己的头脑，为将来走向社会打下坚实的基础。”
在这两周中，我的心情有时候会因为程序的成功而高兴不已，有时也会因为设计的失败而感到沮丧，但是对于我来说，不管怎么样，只要我自己的能力得到了提升，再怎么样都没有问题，再实验过程中，我的问题还是有一些，有时候自己解决不了的我就虚心的请求其他会做的同学帮忙，在自己的努力下和同学老师的帮助下，终于做完了此次的课程设计，最后向老师说声感谢，因为你们的帮助室我认识到许多错误，同时也是使我在实践的时候少走了不少弯路，感谢你们给我一个锻炼和实践的机会！
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七、附件
平均信息量的计算：
syms x u o u=3; o=4;
f=1/(u*sqrt(2*pi))*exp(-(x-o)^2/2*u^2); t=-f*log(f)/log(2); r=int(t,-inf,inf); disp('平均信息量为') r=double(r) 信道容量：
x=[0.25,0.25,0.25,0.25] f1=[1/2,1/2,1/2,1/2 1/2,1/2,1/2,1/2 1/2,1/2,1/2,1/2 1/2,1/2,1/2,1/2]; hf1=hmessage(x,f1,4,4) hx=dmessage(x,4) c1=hx-hf1;
f2= [1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8 1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8]; hf2=hmessage(x,f2,4,8) hx=dmessage(x,4) 实现信源编码的过程；
p=[1/2,1/4,1/8,1/16,1/16]; i=dmessage(p,5) [h,l]=huffman(p) n=i/l
平均互信息量函数文件：
function r=hmessage(x,f,nx,my); sum=0; for i=1:nx for j=1:my
t=f(i,j)*x(i)
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sum=sum-t*log(f(i,j))/log(2); end;end; r=sum;
disp('平均互信息量为');
平均信息量函数文件：
function r=cmessage(f) t=-f*log(f)/log(2); r=int(t,-inf,inf); disp('平均信息量'); r=double(r); 信源熵函数文件：
function r=dmessage(x,n) r=0;
for i=1:n
r=r-x(i)*log(x(i))/log(2); end
disp('次离散信源的平均信息量为'); ASK调制方式：
t=0:0.01:8; fs=50;
y=sin(2*pi*t);
x=[ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101)]; figure(1)
subplot(2,1,1); plot(t1,x)
[Am3,pha3]=dft3(x); n=[0:(length(x)-1)]; w=(2*pi/length(x))*n;
subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(Am3),'b'); grid; xlabel('frequency in radians'); ylabel('|X(exp(jw))|'); z=x.*y; figure(2)
n=[0:(length(x)-1)]; w=(2*pi/length(x))*n;
subplot(2,1,1), plot(t1,z); [Am3,pha3]=dft3(z);
subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(Am3),'b'); grid; title('Phase Part');
xlabel('frequency in radians'); ylabel('argX[exp(jw)]/radians');
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FSK调制方式：
x=0:0.01:8;
t=[ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101)]; y=sin(x.*(2*pi+2*t)); plot(x,y) figure(1)
n=[0:(length(x)-1)]; w=(2*pi/length(x))*n; subplot(2,1,1); plot(t1,t);
[Am3,pha3]=dft3(t);
subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(Am3),'b'); grid; xlabel('frequency in radians'); ylabel('|X(exp(jw))|'); figure(2)
n=[0:(length(x)-1)]; w=(2*pi/length(y))*n;
subplot(2,1,1), plot(t1,y); [Am3,pha3]=dft3(y);
subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(Am3),'b'); grid; xlabel('frequency in radians'); ylabel('argX[exp(jw)]/radians'); 2PSK调制方式
x=0:0.01:8; fc=2; fs=50;
%二元序列为10110010
d=[ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,101)]; s=cos(2*pi*fc*x+pi.*d); %z=d.*s; subplot(211); plot(x,d);
title('原始二元序列'); xlabel('时间'); ylabel('幅度');
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[Am3,pha3]=dft3(d); %原信号频域波形
subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(Am3),'b'); grid; xlabel('频率/Hz'); ylabel('振幅'); figure(2)
n=[0:(length(s)-1)]; w=(2*pi/length(s))*n; subplot(2,1,1); plot(x,s);
title('调制后的信号'); xlabel('时间'); ylabel('幅度'); [Am3,pha3]=dft3(s); %调制后的频谱波形
subplot(2,1,2), plot(fs*w/(2*pi),10*log10(Am3),'b'); grid; xlabel('频率/Hz'); ylabel('振幅'); 16QAM调制：
t1=0:0.01:8; M = 16;
k = log2(M); % 4 位 n = 3e4; nsamp = 1;
%产生随机信号 40比特 x = randint(n,1); figure(1); % 产生40位.
stem(x(1:40),'filled'); title('Random Bits');
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xlabel('Bit Index'); ylabel('Binary Value'); %转化为4比特的矢量点
xsym = bi2de(reshape(x,k,length(x)/k).','left-msb'); %画转换后的样本
%% Stem Plot of Symbols
% Plot first 10 symbols in a stem plot. figure(2); % Create new figure window. stem(xsym(1:10)); title('Random Symbols');
xlabel('Symbol Index'); ylabel('Integer Value'); %% 16-QAM调制 y = qammod(xsym,M); ytx = y; %加高斯白噪声 EbNo = 10; % In dB
snr = EbNo + 10*log10(k) - 10*log10(nsamp); ynoisy = awgn(ytx,snr,'measured'); yrx = ynoisy; %画星云图
h = scatterplot(yrx(1:nsamp*5e3),nsamp,0,'g.'); hold on; figure(3);
scatterplot(ytx(1:5e3),1,0,'k*',h); title('Received Signal');
legend('Received Signal','Signal Constellation'); axis([-5 5 -5 5]); % Set axis ranges. hold off;
%画调制后的时域图 figure(4) stem(yrx(1:10));
title('调制后的时域波形');
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xlabel('qam Index'); ylabel('qam Value');
Dft3.m函数文件：
function[Am,pha]=dft3(x) Xk=fft(x); Am=abs(Xk); pha=angle(Xk)；
八、评分表
课程设计评分表
课程名称： 通信原理
项 目 评 价 设计方案的合理性与创造性 设计与调试结果 设计说明书的质量 答辩陈述与回答问题情况 课程设计周表现情况 综合成绩
教师签名： 日 期：
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《通信原理》课程设计报告-数字信号频带传输系统设计
