通信原理课程设计

通信原理课程设计(论文)设计（论文）题目通信原理系统设计学院名称信息科学与技术学院专业名称电子信息工程学生姓名干娜学生学号201413080229任课教师周冬梅设计（论文）成绩教务处制2016年1月6日2一、MATLAB的熟悉与使用1.1实现目标MATLAB是科学计算、绘图常用到的软件，本部分设计的仿真目的是用MATLAB编程实现通信原理方面如PCM、调制解调的功能，详细如下：1.掌握MATLAB基本的作图等常用函数的使用；2.用MATLAB编程实现信号的采样与恢复；3.用MATLAB编程实现PCM编码；4.用MATLAB编程实现正弦波PCM编码与解码；1.2MATLAB软件简介MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。1.3仿真内容1.用MATLAB编程实现信号的抽样与恢复抽样定理的介绍：3设时间连续信号f(t)，其最高截止频率为fm，如果用时间间隔为fmT21的开关信号对f(t)进行抽样时，则f(t)就可被样值信号唯一地表示。在一个频带限制在(0,fh)内的时间连续信号f(t)，如果以小于等于2fh的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f(t)的频谱中最高频率不超过fh，这种信号必定是个周期性的信号，当抽样频率fs≥2fh时，抽样后的信号就包含原连续信号的全部信息，而不会有信息丢失，当需要时，可以根据这些抽样信号的样本来还原原来的连续信号。根据这一特性，可以完成信号的模-数转换和数-模转换过程。进行采样与恢复的代码如下：4仿真结果：采样频率为2HZ时采样与恢复信号如图1-1所示：图1-12HZ采样频率下采样与恢复图采样频率为6HZ时采样与恢复信号如图1-2所示：5图1-26HZ采样频率下采样与恢复图结果分析：从以上结果图可以看出，以2HZ频率进行采样时，恢复出的波形失真较大，以6HZ的频率进行采样时，基本能恢复出原图形。2.用MATLAB编程实现PCM编码PCM编码的实现利用的是A率13折线法，该编码方式采用的码型为折叠二进制码，由8位线性码组成，表示为C1C2C3C4C5C6C7C8，可分为极性码、段落码、段内码，其中，C1为极性码、C2C3C4为段落码、C5C6C7C8为段内码。编码值为正M1=1，否则M1=0；段落码与段内码的编码规则按照码表1-1所示：6表1-1段落码与段内码的编码规则编码数据落在哪个范围，就对应第几段，根据段落序号，段落码也被确定；段内码根据量化间隔，计算编码数据在起始电平的基础上包含了多少个量化间隔。从编码规则可以看出，A率13折线编码的误差是由量化间隔与编码数据不成整数倍引起的，量化误差在量化间隔的范围内。用MATLAB设计编码的算法如下：7运行结果：输入编码值95，结果如下：8由此95对应的8位码是10110111，与实际的计算结果一致，说明算法正确。3.用MATLAB编程实现正弦波PCM编码与解码PCM编码算法与“1”相同，进行正弦波的编码时，首先对正弦波进行采样，获取幅值数据，然后对幅值进行编码，编码完成后再进行解码，解码就是译码，将编码值转化为正弦信号的幅度值，由于编码误差和译码误差的存在，译码出来的波形会有失真，实验结果如图1-3所示：图1-3PCM正弦波编码译码结果结果分析：从以上结果图可以看出，由于编码存在误差，解码过程又形成新的误差，导致解码出的正弦波有轻微的失真。9二、MATLAB图像处理2.1实现目标1.学会用MATLAB导入图像；2.用MATLAB对图像进行加噪处理；3.用MATLAB对图像进行各种滤波以及压缩等处理并能从处理后的图像中恢复原图。2.2MATLAB图像处理简介MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。2.3仿真内容一般来讲，对图像进行处理（或加工、分析）的主要目的有三个方面：（1）提高图像的视感质量，如进行图像的亮度、彩色变换，增强、抑制某些成分，对图像进行几何变换等，以改善图像的质量。（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。提取特征或信息的过程是模式识别或计算机视觉的预处理。提取的特征可以包括很多方面，如频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和关系结构等。（3）图像数据的变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。不管是何种目的的图像处理，都需要由计算机和图像专用设备组成的图像处理系10统对图像数据进行输入、加工和输出。本部分设计程序如下：图像处理结果如图2-1所示，图像恢复结果如图2-2所示：11图2-1图像处理结果12图2-2图像恢复结果结果分析：以上结果图体现了对图像进行压缩、分辨率转换等各种处理后的效果，同时从经过处理后恢复出的图像可以看出，图像有明显的失真。三、16QAM调制解调系统的仿真3.1仿真目的正交幅度调制（QAM）是一种频谱利用率很高的调制方式，在微波通信、卫星通信等领域得到了广泛应用。本部分设计的仿真目的如下：1.掌握正交幅度调制的基本工作原理；2.掌握正交幅度信号的正交相干解调方法；3.了解星座图的原理与用途。3.2QAM原理介绍13QAM是利用两个正交波分别以幅度键控独立的传输两路数字信息的一种方式，利用两个已调载波信号在相同频带内的频率正交特性，来实现两路并行、独立地传输数字信息。从星座图的角度来说，这种方式将幅度与相位参数结合起来，充分地利用整个信号平面，将矢量端点重新合理分布，因此可以在不减小各端点位置最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数目，提高系统的抗干扰能力。本部分设计的是16QAM，原理如下：调制：(1).首先，一串二进制序列进入串/并变换中，进行4比特划分后再进行2比特划分成一组，按照奇数送同相路，偶数送入正交路。(2).进入2/L电平变换，就是说二进制数变成4个十进制数，而4个十进制数是由自己的星座图设定的，即00,01,11,10分别对应于-3,-1,1,3。(3).送入低通后滤除较小的抖动波。(4.进入相乘器，载波cosωct与同相路波SI(t)相乘变为SI(t)cosωct,载波cosωct经过相位移动90°与正交路波SQ(t)相乘变为-SQ(t)sinωct。(5).两路波形经过相乘器后，进行相加，变为SI(t)cosωct-SQ(t)sinωct。解调：(1).经过调制后的波形再分别与相乘器相乘，通过载波cosωct和载波cosωct经过相位移动90°后各自提取出同相分量和正交分量。公式分别为：yI(t)=y(t)coswct=SI(t)/2+1/2×(SI(t)cos2ωct-SQ(t)sin2ωct)；yQ(t)=y(t)(-sinωct)=SQ(t)/2-1/2×(SI(t)sin2ωct+SQ(t)cos2ωct)。(2)进入低通形成包络波形。(3)再进入采样判决器，选取采样点形成原始的二进制矩形波形。(4)最后进入串/并变换，按照原先的奇偶原则形成完成的原始二进制信号。3.3仿真内容创建一个16QAM调制与解调系统模型，如图3-1所示，分别以两个4电平的PN码作为同相和正交支路的4电平基带信号，码时钟频率为50HZ，此处省略了“串/并转换”及“并/串转换”环节。改变两个信号源“0”“1”的电平数（Levels）参数，可以得到其他各种进制的QAM参数。如将参数改为8可得到64QAM。仿真得到的两路基带信号“0”“1”的波形图“3”“2”与其解调出来的波形图“33”“22”如图3-2和图3-3所示：14图3-116QAM调制与解调系统模型图3-2基带信号“0”及其解调出的波形15图3-3基带信号“1”及其解调出的波形结果分析：从以上结果可以看出解调出的波形与基带信号波形一致，只是有些延时。四、多进制数字相移键控(MPSK)系统建模与设计4.1仿真目的1.掌握MPSK调制、解调原理；2.掌握用VHDL语言编写MPSK程序的思路；3.熟练运用MUX+PLUSⅡ、QuartusⅡ等工具对MPSK进行编译、仿真。4.2QAM原理介绍16多进制数字相位调制又称多相调制，它是利用载波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也分绝对相位调制和差分相位调制两种。在M进制相移键控(MPSK)中，载波相位有M种取值。当基带信号的码元间隔为Ts时，MPSK信号可表示为sMPSKcs2()cos()iEsttT式中，Es为信号在一个码元间隔内的能量；为载波角频率；为有M种取值的相位。MPSK信号是相位不同的等幅信号，所以用矢量图可对MPSK信号进行形象而简单的描述。在矢量图中通常以0相位载波作为参考矢量。在图6.16中，分别给出了M=2、4、8这3种情况下的矢量图。当初始相位=0和=π/M时，矢量图有不同的形式。2PSK信号的载波相位只有0和π两种取值，或者只有π/2和π3/2两种取值，它们分别对应于数字信息1和0，如图6.16(a)、图6.16(d)所示。当为4PSK时，4种相位分别为0、π/2、和π3/2，或者为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，它们分别对应数字信息11、01、00和10，如图4-1(b)、(e)所示：图4-1MFSK系统矢量图下面以QPSK为例讨论多进制数字相位调制和解调：4PSK常被称为正交相移键控(QPSK)。它的每个码元含有2b的信息。现在用00、01、10、11表示QPSK的4种状态。对于输入的二进制序列，每两位码元一组。根据码元情况，用载波的4种相位去表示它们。这种由两个码元构成一种状态的符号码元称为双比特码元。码元ab与相位之间的关系见表4-1。17表4-1QPSK信号的编码QPSK调制原理如图4-2所示，输入基带信号是二进制不归零双极性码元，它被“串/并变换”电路变成两路码元a和b。当变成并行码元a和b后，其每个码元的持续时间是输入码元的2倍。这两路并行码元序列分别用两路正交载波相乘。两路信号在相加电路中相加后得到已调信号。图4-2QPSK信号的产生原理框图由于QPSK信号可以看成是两个正交的2PSK信号叠加，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离