CDIO课程项目设计报告 .doc

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1、河南师范大学CDIO课程项目设计报告项 目 名 称 数字通信系统仿真采用QPSK调制和Hamming码技术 专 业 通信工程 班 级 成 员 指 导 教 师 设 计 时 间 2013.032013.06 1 项目计划 （包括项目设计目的与内容要求、项目可行性分析）1.1项目设计目的与内容要求 项目设计目的： 在通信原理学习的基础上，加深对数字通信系统主要原理和技术的理解，并进行研究，本次训练主要针对四进制正交调相（QPSK）及解调技术、高斯噪声信道原理以及信道编码中的Hamming码的基本原理。 在建立完整的基于QPSK和Hamming码的数字通信系统仿真模型的基础上，利用MTALAB软件进行

2、QPSK调制解调及Hamming码的仿真。 在信道中加入高斯噪声观察系统的纠检错能力，统计误码率，然后进行分析。 内容要求：1) 建立数字通信系统数学模型，掌握数字通信的基本过程；2) 利用MATLAB建立数字通信系统的仿真模型，掌握技术的软件要求；3) 对通信系统进行时间流上的仿真，得到仿真结果；4) 将仿真结果与理论结果进行比较、分析，加深所学的学科基础知识。1.2项目可行性分析 在通信原理课程中，对信源编码编码方式的整体学习和掌握，结合本次CDIO的课程设计理念：CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate） ,它以产品研发

3、到产品运行的生命周期为载体 ,让学生以主动的、 实践的、 课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、 个人能力、 人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。 CDIO包括了三个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。它的愿景为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思设计实现运行(CDIO)过程的背景环境基础上的工程教育。它的大纲首次将工程师必须具备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和整个CDIO全过程能力以逐级细化的方式表达出来（3级、70条、400多款），使工程教育改革具有更

4、加明确的方向性、系统性。它的12条标准对整个模式的实施和检验进行了系统的、全面的指引，使得工程教育改革具体化、可操作、可测量，并对学生和教师都具有重要指导意义。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势2 需求分析与设计说明 （需求分析、设计原理和设计流程） 2.1 需求分析 通过科研实训的方式，可以将课堂所学的课本知识转化为与实际需要相符合的能力。在现实生活中，通信技术的广泛应用已经深入到生活的方方面面。在本次的仿真课题中，信源编码方式QPSK和信道Hamming码技术已经在语音通信中有了成熟的运用，这符合了主流通信的要求。同时，也是我们大学生应该掌握的学科基础

5、。 2.2 设计原理 四进制正交调相（QPSK）及解调技术的原理周炯槃，庞沁华，续大我等，通信原理M,北京邮电大学出版社，2008（2012年7月印刷）数字信号频带传输，即数字基带信号去控制正弦型载波的某参量。可分为振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）、相位键控（ASK）和联合控制键控（QAM）。带通型数字调制有二进制及M进制（M2）之分。M进制数字调制是将每个二进制符号映射为相应的波形之一。例如，在四进制数字调制中，将二进制数字序列中每2个比特构成一组，对应于四进制符号之一。每个四进制数字符号映射为四个信号波形之一。QPSK信号的产生：QPSK信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态，每个载

6、波相位携带2个二进制符号，其信号表示为Ts为四进制符号间隔，为正弦载波的相位，有4种可能状态。若，则，此初始相位为0的QPSK信号的矢量图示于图2.2.1。图 2.2.1 初始相位为0的QPSK信号矢量图若，则，此初始相位为的QPSK信号的矢量图示于图2.2。图 2.2.2初始相位为 的QPSK信号矢量图由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45、135、225、315，则信号、通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值；B方式中：0、90、180、270，则信号、通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值1、0。表2-3 双比特码元与载波相位关系双比特码元载波相位abA方式B

7、方式0110001122531545135090180270产生的QPSK信号的正交调制的系统原理图如图2.2.4所示图 2.2.4 产生QPSK信号的正交调制原理图考虑到信道里存在噪声并且信道为限带信道。以理想高斯白噪声和理想限带信道为例，采用相干解调的方式进行解调，如图2.2.5所示。图 2.2.5 QPSK信号的相干解调原理图（2）高斯白噪声信道原理高斯白噪声指的是噪声n(t)为高斯随机过程，其概率分布是正态分布：，其功率谱密度为均匀分布的常数：。高斯白噪声可作为通信系统中宽带噪声的数学模型。 高斯白噪声的重要性质如下：1） 高斯白噪声的数学期望为0，方差为表示信号的能量。2） 两个均为

8、高斯白噪声的随机过程在（0T）时间间隔内正交，则两者满足统计独立。3） 高斯过程通过限行时不变系统后，输出仍为高斯过程。(3)数字通信系统数学模型 数字通信系统数学模型如图2.2.6所示。信源：信息的来源。信源输出消息由传感器转换为电信号。信源编码：对信源输出消息转换成的电信号用尽量低速率的二进制数字信号来表示，降低信源冗余度，输出的是消息序列。信道差错控制编码器：在消息序列中引入冗余度，提高信息传输的有效性。数字调制器：将二进制序列映射为相应的波形，可以再通信信道中传输。通信信道：物理媒介。将信号波形从发端传到收端，在收端进行反变换，从而将信息从信源送到信宿。解调，则是调制过程的逆过程。图

9、2.2.6 数字通信系统数学模型（4）Hamming码的编码原理 Hamming码是一种能纠正单个随机错误的线性分组码线性分组码是一类重要的纠错码，应用很广泛。在（n，k）分组码中，若k位冗余位是按线性关系模2相加而得到的，则称其为线性分组码。现在以(7,4)分组码为例来说明线性分组码的特点。其主要参数如下：码长：信息位：校验位：，且最小距离：其生成矩阵G（前四位为信息位，后三位为冗余位）如下：系统码可分为消息部分和冗余部分两部分，根据生成矩阵，输出码字可按下 式计算：所以有信息位冗余位由以上关系可以得到(7,4)汉明码的全部码字如下所示。表2.2.7 (7,4)汉明码的全部码字序号信息码元冗

10、余元序号信息码元冗余元00000000810001111000101191001100200101011010100103001111011101100140100110121100001501011011311010106011001114111010070111000151111111 2.3 设计流程1）Hamming码的MTALAB实现。Hamming码的MTALAB实现的源程序如下所示：clcN=7; %N为总长，包括数据位和汉明码位msg=input(请输入矩阵，不要忘加中括号);m,n=size(msg);T=(0:m-1); t=(0:n-1); msn=msg(T+1,rem

11、(t,n)+1) code=encode(msg,N,n,hamming)code_noise=rem(code+rand(m,N)0.95,2 )rcv=decode(code_noise,N,n,hamming)disp(Error rate in the received code: num2str(symerr(code,code_noise)/length(code)disp(Error rate after decode: num2str(symerr(msg,rcv)/length(msg) X=0:20for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim(fangz

12、hen); y(i)=mean(xErrorRate);endsemilogy(x,y,-p);xlabelylabelgride on;以输入矩阵msn为例：0 0 0 0;0 0 0 1;0 0 1 0;0 0 1 1;0 1 0 0;0 1 0 1;0 1 1 0;0 1 1 1;1 0 0 0;1 0 0 1;1 0 1 0;1 0 1 1;1 1 0 0;1 1 0 1;1 1 1 0;1 1 1 11） 其MTALAB的实现如下2.3.1图2.3.1 输入矩阵msn的MTALAB图2）经过Hamming码编码后的MTALAB如图2.3.2图2.3.2 msn的汉明码3）加噪声编码矩

13、阵code_noise图2.3.2 噪声矩阵code_noise4）加噪声编码矩阵code_noise后的Hamming码图2.3.3加噪声编码矩阵code_noise后的Hamming码3 技术难点及解决方法 技术难点：QPSK在信道传输中受到加性噪声干扰，在噪声不太大时，接收到的载波相位有可能接近相邻的载波相位，在解调时，会发生错判为相邻四进制符号的现象，在从四进制符号译为双比特二进制时，若采用格雷码关系，则在两个比特符号中仅错一个比特符号，这样可以减小误比特率，所以QPSK的相位逻辑要符合格雷编码的关系。汉明码的抗干扰能力较强，但付出的代价也很大，比如8比特汉明码有效信息只有总编码长度的

14、一半，可以纠正一个差错发现2个差错。在实际应用中常常存在各种突发干扰，使连续多位数据发生差错。为了纠正3个以上的差错，就要加大码距，使代码冗余度增加，通信效率下降。本文介绍的方法，就可以在不加大码距的同时，提高汉明码对突发干扰所产生差错的纠错能力，纠正多位连续的差错。要想在不加大码距的前提下，纠正连续多位差错，提高抵抗突发干扰的能力，可根据校验矩阵得出的汉明码重新进行排列。 以16位比特的汉明码为例，把11个字节的数据编码为16个字节的汉明码后按高低字节分成两组。我们把每组字节8个汉明码的第一位分别取出。组成第一个字节。再把这8个字节汉明码的第二位取出，组成第2个字节。依次类推，将这8个字节的

15、汉明码处理完毕，得到新的8个字节编码，两组共16字节。我们可以看到这样排序后，每个字节包括原来8个汉明码的其中一位。这样，如果一次突发干扰使某一编码字节连续8位都发生改变，实际是分别使原来8个汉明码的其中一位发生改变。只要在纠错前把受干扰的编码恢复为原来正常的排列顺序，就可通过计算校验码完成差错的定位及纠错4 总结一周的基于MATLAB的数字调制信号仿真分析课程设计让我们获益颇深，更加深入的掌握了MATLAB软件的使用，了解了数字调制的基本原理和主要过程，进一步学习了信号的传输的有关内容。对数字通信系统主要原理和技术进行研究。包括四进制正交调相（QPSK）及解调技术、高斯噪声信道原理、以及信道

16、编码中hamming码的基本原理。在这段时间内我们经常往返于图书馆查阅相关资料，发现自己的知识水平有限，需要学习的东西还有很多很多。另外，在这次课程设计中，我们还充分利用了网络资源，让其发挥了有用的一面。感觉此次课程设计很有挑战性，主要是老师为了锻炼我们独立完成任务的能力，煞费苦心为每一组都分别设计了一个题目，所以整个班里无一组任务完全相同，刚开始我们倍感不适，之前从没有单独完成一个完整的项目设计。不过人都是逼出来的，无奈之下我们只好发挥自己的主观能动性，终于找到了思路，完成了项目设计。在完成设计过程中，我们深切的体会到理论和实践的区别，平时在理论中被认为是理所当然的东西在模拟实践中往往被颠覆，所以在以后的学习中必须与实践紧密结合，以此实现到实际工作中的快速转换。5 参考文献1 周炯槃，庞沁华，续大我等.通信原理M.北京：北京邮电大学出版社，20082 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社，2006.93 刘慧颖MATLAB R2007基础教程M北京：清华大学出版，2008.74 唐向宏.MATLAB及在电子信息类课程中的应用.北京：电子工业出版社，2011.55 曹志刚，钱亚生.现代通信原理M.北京：清华大学出版社，19946 王兴亮，寇宝明.数字通信原理M.西安：西安电子科技大学出版社，20097 崔良海，徐洁.数据通信技术M.北京：北京大学出版社，2009