电子信息工程专业课程设计任务书.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子信息工程专业课程设计任务书.精品文档.课 程 设 计课程设计名称：汉明码的仿真与分析 专 业 班 级 ： 电信1003班 学 生 姓 名 ： 董成成 学 号 ： 201046830509 指 导 教 师 ： 李相国 课程设计时间： 2013 年9月 电子信息工程专业课程设计任务书学生姓名董成成专业班级电子信息工程学号201046830509题 目汉明码的仿真和分析课题性质仿真 课题来源自拟课题指导教师李相国同组姓名无主要内容 对二进制数字信源使用（7，4）汉明码进行分块编码及解码。并分析其过程其性能。 任务要求1掌握汉明码的原理及实现。2

2、用MATLAB产生独立等概的二进制信源，设计一个（7，4）汉明码，然后进行汉明码编码及解码，并仿真加性噪声信道。画出各阶段信号波形。参考文献1、MATLAB通信仿真开发手册 国防工业出版社 孙屹2、现代通信系统分析与仿真MATLAB通信工具箱西安电子科技大学出版社 李建新3、现代通信原理 清华大学出版社 曹志刚著4、教学用“通信原理”教材审查意见指导教师签字：李相国教研室主任签字： 2013年 9月 07日1 需求分析汉明码是由Hamming首先构造的，它是一种能够自动检测并纠正一重错的线性纠错码，即SEC（Single Error Correcting）码。汉明码利用了奇偶校验位的概念，通过

3、在数据位后面增加一些比特，可以验证数据的有效性。利用一个以上的校验位，汉明码不仅可以验证数据是否有效，还能在数据出错的情况下指明错误位置。它不仅性能好，而且编译码电路非常简单，易于实现。从20世纪50年代问世以来，在提高系统可靠性方面获得了广泛的应用。 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，其中，MATLAB通信工具箱是一套用于在通信领域进行理论研究、系统开发、分析设计和仿真的专业化工具软件包。主要包括MATLAB和Simulink两大部

4、分。MATLAB通信系统功能函数库由七十多个函数组成，每个函数有多种选择参数、函数功能覆盖了现代通信系统的各个方面。这些函数包括：信号源产生函数、信源编码解码函数、纠错控制编码解码函数、调制解调函数（基带和通带）、滤波器函数、传输信道模型函数（基带和通带）、TDMA、FDMA、CDMA函数、同步函数、工具函数等。以纠错控制编解码函数为例：函数库提供了线性分组码、汉明码、循环码、BCH码、里德一索洛蒙码（REEDSOLOMON）、卷积码等6种纠错控制编码，每种编码又有编码、解码、矢量输入输出、序列输入输出等四种形式的函数表达。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MA

5、TLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 在SIMULINK通信系统仿真模型库中，整个通信系统的流程图被概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调。在SIMULINK中，通信系统仿真的一般模型如图1所示。 Modulation调制Error Control Codi

6、ng纠错控制编码Source Coding信源编码Source信源Multiple Access多址复用Receiver/Filter接收机/滤波器Channel 信道Transmitter/Filter发射机/滤波器Error Control Decoding纠错控制解码Demodulation解调Multiple Access多址复用Sink输出Source Decoding信源解码图1 通信系统仿真模型2 概要设计2.1汉明码编码原理一般来说，若汉明码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。若希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求 或 (公式2-1)

7、下面以（7，4）汉明码为例说明原理： 设汉明码（n,k）中k=4，为了纠正一位错码，由式（1）可知，要求监督位数r3。若取r=3,则n=k+r=7。我们用来表示这7个码元，用的值表示3个监督关系式中的校正子，则的值与错误码元位置的对应关系可以规定如表2-1所列。表2-1 校正子和错码位置的关系错码位置错码位置 001101 010 110 100 111 011000无错码则由表1可得监督关系式： (公式2-2) (公式2-3) (公式2-4)在发送端编码时，信息位的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监督位、应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使式（2）式（4）中、的值为0（表示编

8、成的码组中应无错码） (公式2-5)式（5）经过移项运算，接触监督位 (公式2-6)式（5）其等价形式为： (公式2-7)式（6）还可以简记为 或 (公式2-8)其中所以有 (公式2-9) 式（6）等价于(公式2-10)其中Q为P的转置，即 (公式2-11)式（10）表示，在信息位给定后，用信息位的行矩阵乘矩阵Q就产生出监督位。我们将Q的左边加上一个kk阶单位方阵，就构成一个矩阵G (公式2-12)G称为生成矩阵，因为由它可以产生整个码组，即有 (公式2-13)或者 (公式2-14)式(13)即汉明码的编码原理2.2汉明码纠错原理 当数字信号编码成汉明码形式后在信道中传输，由于信道中噪声的干扰

9、，可能由于干扰引入差错，使得接收端收到错码，因此在接收端进行汉明码纠错，以提高通信系统的抗干扰能力及可靠性。 一般来说接收码组与A不一定相同。若设接收码组为一n列的行矩阵B，即 (公式2-15)则发送码组和接收码组之差为 (公式2-16) E就是传输中产生的错码行矩阵 (公式2-17)若ei=0，表示接收码元无错误，若ei=1，则表示该接收码元有错。式（16）可改写成 (公式2-18) 若E=0，即接收码组无错,则，将它代人式（8），该是仍成立，即有 (公式2-19)当接收码组有错时，E0，将B带入式（8）后，该式不一定成立。在未超过检错能力时，式（19）不成立。假设此时式（19）的右端为S,

10、即 (公式2-20)将 代入式（20），可得由式（8）可知，所以 (公式2-21)此处S与前面的有着一一对应关系，则S能代表错码位置。因此，纠错原理即，接收端收到码组后按式（20）计算出S,再根据表1判断错码情况，进行差错纠正。然后根据（7，4）汉明码的编码原理，画出程序设计的流程图：开始始对（7,4）汉明码进行编码输出编码后的（7,4）汉明码加入高斯白噪声对加入噪声后的（7,4）汉明码进行译码结 束输出译码码后的（7,4）汉明码画出误码率/数与信噪比的仿真图对编码后的（7,4）汉明码进行调制 图2 编码流程图然后根据流程图进行编写程序。2.3 函数介绍 MATLAB中提供了汉明码的编码和译码

11、函数，本程序直接调用进行编程。（1）encode函数功能：编码函数语法：code=encode(msg,N,K)说明：对信息msg进行汉明编码，K为信息位长度，N为码字长度。msg是一个K列矩阵。（2）decode函数功能：译码函数语法：rcvcode=decode(code,N,K)说明：该函数对接受码字进行译码，恢复出原始信息，译码参数及方式必须和编码时采用的完全相同。（3） rand函数功能：均匀分布随机矩阵用法：rand(m,n)，说明：产生mn均匀分布的随机矩阵，rand产生的是0到1(不包括1)的伪随机数。（4） rem函数功能：求整除余数用法：rem(x,y)说明：求整除x/y的

12、余数（5） length命令:计算向量或矩阵长度（6） sim命令:开始进行仿真（7） disp命令：显示结果，不显示变量名（8） hammgen函数功能：汉明码生成矩阵和校验矩阵产生函数语法：H=hammgen(M) H,G=hammgen(M) H,G,N,K=hammgen(M)说明：该函数的功能是产生生成矩阵和校验矩阵，其中M=N-K为校验位的长度，H为汉明码的校验矩阵，G为汉明码的生成矩阵。3 运行环境3.1 MATLAB 简介、基本功能MATLAB是很实用的数学软件它在数学类科技应用软件中在数值运算方面首屈一指。MATLAB可以进行运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接

13、接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。3.2 MATLAB 产品应用MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作：

14、数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 3.3 MATLAB 特点此高级语言可用于技术计算 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 3.4 MATLAB系列工具优势（1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览

15、器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （2）简单易用的程序语言MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATL

16、AB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、

17、多维数组操作以及建模动态仿真等。 3.5 SIMULINK简介SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。在simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。而所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模

18、块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl檔进行存取），进而进行仿真与分析。SIMILINK 模块库按功能进行分类，包括以下8类子库： Continuous（连续模块），Discrete（离散模块），Function&Tables（函数和平台模块），Math（数学模块），Nonlinear（非线性模块），Signals&Systems（信号和系统模块），Sinks（接收器模块），Sources（输入源模块）。5 详细设计5.1 SIMULINK仿真本系统由信号产生模块、信号汉明编码模块、AWGN信道、信号汉明译码模

19、块、误码率计算模块组成，在图形观察模块还包括频谱仪和示波器。5.2 SIMULINK电路图在设计中，本系统信号产生模块选用伯努利二进制序列产生器（Bernoulli Binary Generator）来输出速率为100Bd的随机数字信号，进入Hamming encoder进行编码，在送入AWGN信道（加入高斯白噪声）传输，接收信号送入Hamming decoder进行差错纠正，其后加一误码率计算模块（Error Rate Calculation）计算误码率。再用示波器scope观察波形，用spectrum scope观测频谱。电路如图2所示。图2 SIMULINK仿真电路图由于要绘制Hammi

20、ng decoder模块输入信噪比与输出误码率的关系曲线图，所以将SNR设置成一个变量，通过ratio文件编程绘制误码率曲线图。5.3 ratio文件程序x=0:20 %定义信噪比的范围 y=x;for i=1:length(x)xSNR=x(i); %输入信噪比sim(fangzhen); %运行fangzhen SIMULINK仿真文件y(i)=xErrorRate(1); %误码率endsemilogy(x,y); grid on;xlabel(高斯信道中的信噪比/dB);ylabel(误码率);5.4 模块参数设置图3 Bernoulli Binary Generator图4 AWGN

21、A Channel图5 Error Rate Calculation 图6 To Workplace 图7 Spectrum Scope5.5 主程序K=4;N=7;msg=randint(200,4,2) %信息产生code=encode(msg,N,K) %汉明编码code_noise=rem(code+rand(200,7)0.95,2 ) %加噪声rcv=decode(code_noise,N,K) %汉明译码disp(Error rate in the received code: num2str(symerr(code,code_noise)/length(code)disp(Er

22、ror rate after decode: num2str(symerr(msg,rcv)/length(msg)%计算误码率6 调试分析 运行M文件后，画出的信噪比和误码率关系的曲线为一条直线。 调试方法：将误码率计算模块的属性时延由1改为0，将to workplace的属性中的limit data points to last改为1，且sim函数括号中内容应与仿真模块名相同，信道模块的信噪比应该设为变量，才能画出表示信噪比和误码率关系的曲线。 在SIMULINK中插入伯努利二进制序列产生器（Bernoulli Binary Generator）、Hamming encoder、AWGN信

23、道（加入高斯白噪声）、Hamming decoder、误码率计算模块（Error Rate Calculation）、示波器scope、spectrum scope，按电路图链接电路，测试结果。通过仿真结果可知：(1) 汉明码可以降低误码率，提高系统抗干扰能力。(2) 随着信噪比的增大，误码率逐渐减小，最终趋近于0。信源信号经过信道加噪声后，频率分量增多，经过译码器译码后，频率分量减少，但还是比信源的多。7 测试结果 图4 信源信号 图5 编码器输出信号 图6 信道输出信号 图7 译码器输出信号图8 误码率图9 Bernoulli Binary Generator输出信号波形图10 Berno

24、ulli Binary Generator输出信号频谱图11 Hamming Encoder输出信号图12 Hamming Encoder输出信号频谱图13 AWGN Channel输出信号图14 AWGN Channel输出信号频谱图15 Hamming decoder输出信号图16 Hamming decoder输出信号频谱图17 SNR=10dB的误码率图18 输入信噪比与输出误码率的关系曲线图参考文献1 孙屹，MATLAB通信仿真开发手册 国防工业出版社 2李建新，现代通信系统分析与仿真MATLAB通信工具箱，西安电子科技大学出版社 3曹志刚 曹丽娜，现代通信原理，清华大学出版社 20

25、084樊昌信，通信原理，国防工业出版社5丁玉美 高西全，数字信号处理第三版，西安电子科技大学出版社6徐明远 邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安电子科技大学出版社.2005心得体会从这次课程设计，收获很大，下面谈谈自己的感受：1、通过这次课程设计所使用的SIMULINK仿真，学会了如何使用这个软件，怎么样添加一个个的模块，同时组装连线到一起实现仿真的效果，这是以前没有使用的MATLAB的有一个很大应用，对MATLAB的认识又加深一个层次；2、本次课程设计锻炼了我独立解决问题的能力。刚看到题目时我一点思路也没有，到后来，自己不断探索SIMULINK，不断摸索各个模块的使用方法和

26、属性，最后完成了SIMULINK的仿真，整个过程让我学会了发现问题，并独立解决问题的方法，也能更好的利用网络学习知识;3、本次课程设计让我对差错控制编码有了更深的了解，并且更深刻的理解了通信原理该章节的内容。了解了汉明码的编码、译码，及纠错原理，并能通过MATLAB编程和SIMULINK仿真理解了汉明码编码对不同信噪比下误码率的影响.信息科学与工程 学院课程设计成绩评价表课程名称：通信综合课程设计设计题目：汉明码的仿真与分析 专业：电子信息工程 班级：1003班 姓名：董成成 学号：201046830509序号评审项目分 数满分标准说明1内 容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方

27、法科学，分析归纳合理；结论严谨，设计有应用价值。任务饱满，做了大量的工作。（20分）2创 新内容新颖，题目能反映新技术，对前人工作有改进或突破，或有独特见解（10分）3完整性、实用性整体构思合理，理论依据充分，设计完整，实用性强（10分）4数据准确、可靠数据准确，公式推导正确（10分）5规 范 性设计格式、绘图、图纸、实验数据、标准的运用等符合有关标准和规定（10分）6纪 律 性能很好的遵守各项纪律，设计过程认真（20分）7答 辩准备工作充分，回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答简明准确。在规定的时间内作完报告（20分）总 分综合意见该生对设计内容熟悉，实验方法科学，设计完整。课程设计报告内容充实， 完成了课程设计任务。综合评定成绩为： 指导教师 年 月 日