图像通信系统设计及仿真.doc

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1、 科学技术学院SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OF NANCHANG UNIVERSITY 课 程 设 计报 告REPORT ON CURRICULUM DESIGN 题 目： 图像通信系统设计与仿真 学科部、系： 信息学科部电子系 专业班级： 通信工程111班 学 号： 7023811008 学生姓名： 钟金颖 指导教师： 曾萍萍 谢芳娟 起讫日期： 2014.11.162014.11.28 15 / 20文档可自由编辑打印目录目录I摘要II第一章 图像通信系统的概述11.1 图像通信通信课程设计的任务与要求11.1.1 设计任务11.1.2 设计要求11.

2、2 图像通信通信课程设计流程1第二章 图像的编码与解码22.1 哈弗曼编码的原理2 2.2 哈弗曼解码的原理2第三章 数字信号的调制与解调33.1 数字信号的调制33.1.1 调制的概念及分类33.1.2 调制的原理33.2 数字信号的解调43.2.1 解调的概念43.2.2 解调的原理4第四章 图形用户界面的设计与制作6 4.1 图形用户界面GUI的概述6 4.2 图形用户界面（GUI）的设计与制作6第五章 总结7参考文献8附录1 图像通信在在MATLAB中算法实现9摘要图像通信是以图像通信的基本原理、基本技术理论为基础发展的新技术，具体内容包括图像与数字图像通信、图像分析与正交变换、图像压

3、缩编码、静止图像编码、活动图像编码、图像通信中的信道编码与传输技术。本课程设计主要研究图像通信系统的设计和仿真，在MATLAB中对图像进行读取、压缩和哈弗曼编码，将数字化后的图像进行数字调制，已调后的信号可以传输和交换，到达接收端，经解调和解码还原成图像，从而完成了图像信号传送和接收。利用图形用户界面(GUI)，通过窗口、菜单、按键等方式来方便地对本次课程设计的图像通信进行操作，观察。本文通过对图像进行哈弗曼编码，对比ASK,FSK,PSK三种调制方式进行传输，利用相干解调方式，然后再进行哈弗曼解码，在图形用户界面上实现图像通信操作仿真。关键词：图像通信系统，传输接收，压缩，哈弗曼编码解码，调

4、制，相干解调，图形用户界面 第一章 图像通信系统的概述1.1 图像通信通信课程设计的任务与要求1.1.1 设计任务1) 学习并掌握图像通信的基本原理，学会利用仿真的手段对于实用通信系统的基本理论，基本算法进行实际验证；2) 学习通信系统仿真软件MATLAB的基本使用方法，解决实际系统出现的问题；3) 通过MATLAB进行仿真，并制作图形用户界面(GUI)加深对图像通信系统理论的理解；1.1.2 设计要求1) 编码：读入一幅图像，对图像进行哈弗曼编码；2) 调制：采用振幅键控(ASK），相移键控（PSK），频移键控（FSK）三种方式对编码后产生的数字信号进行调制；3) 解调：采用相干解调方式；4

5、) 解码：哈弗曼解码输出原图像；1.2 图像通信通信课程设计流程 根据系统设计的任务要求，确定该系统的设计流程方框图，如图1.1所示。 图1.1 图像的设计流程方框图 第二章 图像的编码与解码2.1 哈弗曼编码的原理哈弗曼编码过程分为两步骤：第一，消减信源符号数量；第二，对每一个信源符号赋值。基于哈夫曼编码图像压缩的基本原理是在对数据进行编码时可以对那些经常出现的数据指定较少的位数表示,而那些不常出现的数据指定较多的位数表示,每个数据的代码各不相同,这是一种典型的无损编码方式。这些代码都是二进制码,且码字长度是不均匀的、平均码率可以接近信息源熵值的一种编码。 哈夫曼编码是一种常用的压缩编码算法

6、,采用变长码编码,属于无损压缩算法的一种。 由于进行的是无损压缩,所以要扫描图像的所有像素点,压缩过程分为四步:1 扫描统计像素出现的概率并按大小排列；2 建立最优二叉树;3 哈夫曼编码;4 保存编码。 2.2 哈弗曼解码的原理哈夫曼解码过程是文件编码过程的逆过程，由于哈夫曼编码可即时解码，因此只要得到一个码字,则通过查找哈夫曼编码表得到相应的字符，映射过程是编码时映射的逆过程。因此，每从压缩文件中读出一个码字，就从通过查找哈夫曼编码表用字符替换相应的码字，当压缩文件中所有的码字被字符替换掉，也就宣告解压过程完成了。 第三章 数字信号的调制与解调 3.1 数字信号的调制3.1.1 调制的概念及

7、分类用基带信号对载波（通常为余弦或正弦）波形的某些参数（如幅度、相位和频率）进行控制，使这些参数随基带信号的变化而变化。因此，数字信号的调制可分为振幅键控(ASK），相移键控（PSK），频移键控（FSK）。3.1.2 调制的原理1) M进制振幅键控(MASK）基本原理M进制数字振幅调制信号的载波幅度有M种取值，在每个符号时间间隔Ts内发送M个幅度中的一种幅度的载波。表达式：a. g(t)为基带信号波形b. Ts为符号时间间隔c. an为幅度值2) M制频移键控（MFSK）基本原理表达式： 式中 为载波角频率，共有M种取值。通常可选载波频率fn/2Ts，n为正整数,此时M种发送信号相互正交。3)

8、 M进制相移键控（MPSK）基本原理表达式 ： 式中a. g(t)-信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1b. Ts-码元时间宽度c. c-载波角频率d. -第n个码元对应的相位，共有M种取值3.2 数字信号的解调3.2.1 解调的概念解调也叫检波，其作用就是从接收到的已调波中无失真地恢复出调制信号。调幅信号的解调技术可大致分为两类：相关解调和非相关解调。 1) 相干解调（又称同步检波）：需要在接收端知道发射载波的频率和相位（恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘）。其中乘机检波器也叫鉴相器，是将输入的带通信号变为基带信号的下变频电路。2) 非相干解调（又称包络检波）：即不需要知道有关的信息，它

9、的输出信号与输入信号实际包络成正比。3.2.2 解调的原理1. ASK信号的解调 2ASK相干解调方框图如图所示2. FSK信号的解调2FSK相干解调方框图如图所示3. PSK信号的解调2PSK相干解调方框图如图所示第四章 图形用户界面的设计与制作 图形用户界面或图形用户接口(Graphical User Interface，GUI)是指采用图形方式显示的计算机操作环境用户接口。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说更为简便易用。GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可用用通过窗口、菜单、按

10、键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。 4.1 图形用户界面GUI的概述图形用户界面GUI是一种包含多种对象的图形窗口，并为GUI开发提供一个方便高效的集成开发环境GUIDE。GUIDE主要是一个界面设计工具集，MATLAB将所有GUI支持的控件都集成在这个环境中。GUIDE将设计好的GUI保存在一个FIG文件中，同时生成M文件框架。FIG文件：该文件包括GUI图形窗口及其所有FIG文件包含序列化的图形窗口对象；M文件：该文件包括GUI设计、控制函数以及定义为子函数的用户控件回调函数。GUIDE可以根据G

11、UI设计过程直接自动生成M文件框架，优点如下：a. M文件已经包含一些必要的代码；b. 管理图形对象句柄并执行回调函数子程序；c. 提供管理全局数据的途径；d. 支持自动插入回调函数原型。4.2 图形用户界面（GUI）的设计与制作1) GUI创建包括界面设计和控件编程两部分，主要步骤如下：a. 通过设置GUIDE应用程序的选项来运行GUIDE；b. 使用界面设计编辑器进行界面设计；c. 编写控件行为响应控制（即回调函数）代码。2) 图像通信系统的的图形用户界面GUI 第五章 总 结 图像通信系统为目前广泛使用的技术，以图像通信理论为基础，反映了当代图像通信发展的新技术。对基本原理和技术的分析同

12、时涉及模拟图像通信和数字图像通信，并以数字图像的分析为主。具体内容包括图像与数字图像通信、图像分析与正交变换、图像压缩编码、静止图像编码、活动图像编码、图像通信中的信道编码与传输技术、图像编码方法的新进展和数字图像通信系统。本次图像通信系统设计与仿真是对图像通信系统在MATLAB中的简单应用。通过在MATLAB中对图像进行读取、压缩和哈弗曼编码，将数字化后的图像进行数字调制，已调后的信号可以传输和交换，到达接收端，经解调和解码还原成图像，从而完成了图像信号传送和接收。利用图形用户界面(GUI)，通过窗口、菜单、按键等方式来方便地对本次课程设计的图像通信进行操作，观察。本文通过对图像进行哈弗曼编

13、码，对比ASK,FSK,PSK三种调制方式进行传输，利用相干解调方式，然后再进行哈弗曼解码，在图形用户界面上实现图像通信操作仿真。让我们深入了解图像通信系统及其技术应用。参考文献1 娄莉·图像通信原理与技术M. 北京：清华大学出版社，20102 章毓晋. 图像处理和分析教程M. 北京：人民邮电出版社，2009 3 夏良正. 数字图像处理（第2版）.南京：东南大学出版社，2005 4 姚敏. 数字图像处理.北京：机械工业出版社，2005 5 李朝晖. 数字图像处理及应用（含1CD）.北京：机械工业出版社，2005 6 何东健，耿楠，张义宽. 数字图像处理.西安：西安电子科技大学出版社，

14、2004 7 贾永红. 数字图像处理.武汉：武汉大学出版社，2004 附录1 图像通信在在MATLAB中算法实现1、 哈弗曼编码在MATLAB中的算法1. function ratio,rowsB,colsB,dictionary,Huffcode_I=HuffEncode(I)2. K = imread('cameraman.tif');3. I = imresize(K,20,20);4. maxI = max(max(I); %求图像灰度级最大值5. H = zeros(1,maxI+1); %直方图矩阵初始化6. rows,cols = size(I);7. rowsB

15、=tentotwo(rows); %调用十进制转换成二进制的程序8. colsB=tentotwo(cols);9. for i = 1:rows10. for j = 1:cols11. H(I(i,j)+1) =H(I(i,j)+1)+1;12. end13. end14. H = H/(rows*cols);15. Index, Hn = sortDezero(H); %调用sortDezero函数 16. IndexCell = num2Cell(Index); %Huffman树的下标变成元包数组17. lenIndex= length(Index);18. codeWord = c

16、ell(1,maxI+1) ; %定义元包数组存放码字19. for i =1:lenIndex-120. index1 = IndexCell1; 21. index2 = IndexCell2; for j =1:length(index1)22. codeWord(index1(j) = 0,codeWordindex1(j) ;23. end24. for j =1:length(index2)25. codeWord(index2(j) = 1,codeWordindex2(j) ;26. end 27. IndexCell = index1,index2,IndexCell3:en

17、d;28. Hn = sum(Hn(1:2),Hn(3:end);29. Index, Hn = sortH(Hn);30. IndexCell = IndexCell(Index);31. end32. Lavg = 0;33. for i = 1:length(H)34. Lavg = Lavg+ H(i)* length( codeWordi);35. end36. ratio=8/Lavg; %计算压缩比37. II =I(:);38. Huffcode_I = ; % 存储图像的Huffman编码39. for i = 1:length(II)40. Huffcode_I = Huf

18、fcode_I,codeWordII(i)+1;41. end42. Huffcode_I = logical(Huffcode_I);43. dictionary=zeros(1,uint16(maxI+1)*16);%字典的传送44. A=;45. for i=1:double(maxI+1)46. num=length(codeWordi);47. Y=num;48. if num=049. for k=1:450. B=mod(Y,2);51. dictionary(16*(i-1)+(5-k)=B;52. Y=floor(Y/2);53. end54. A=codeWordi;55.

19、 for j=1:num56. dictionary(16*(i-1)+4+j)=A(j);57. end58. end59. End哈弗曼编码在MATLAB中的算法如下：1. function DI = HuffDecode(rowsB,colsB,dictionary, Huffcode_I) 2. rows=0; %图像列数3. for i=1:length(rowsB)4. if rowsB(i)=05. rows=rows+2(length(rowsB)-i);6. end7. end8. cols=0; %图像行数9. for i=1:length(colsB)10. if col

20、sB(i)=011. cols=cols+2(length(colsB)-i);12. end13. end 14. codeWord = cell(1,256); % 字典解码接收,字典解码存放码字15. for i=1:25616. num=dictionary(16*(i-1)+1)*8+dictionary(16*(i-1)+2)*4+dictionary(16*(i-1)+3)*2+dictionary(16*(i-1)+4);17. if num=018. codeWord(i)=dictionary(16*(i-1)+5):(16*(i-1)+4+num);19. end20.

21、if length(dictionary(16*i+1):end)<121. maxI=i;22. break; 23. end24. end 25. len=length(Huffcode_I);%图像解码26. D=zeros(1,rows*cols);27. k=1;q=1;28. for q=1:rows*cols29. for i=1:maxI+130. num=length(codeWordi);31. if num=0 32. if (len-k+1)>=num33. if Huffcode_I(k:k+num-1)=codeWordi34. D(q)=i-1; %解

22、码35. k=k+num;36. break;37. end38. end39. end40. end41. end42. DI = reshape(D,rows,cols);2、 调制在MATLAB中的算法如下：1. function eth et bn = digtalmod(fs,fc,an,M,Rb,df,modType)2. Tr=fs/Rb;3. if M=24. bn = bin2decxie(an,M);5. else 6. bn=an;7. end8. N0=length(bn);9. T=N0/Rb;%N个码元的传输时间10. t=0:1/fs:T-1/fs;11. for

23、 i=1:length(bn)12. s(i-1)*Tr+1:i*Tr)=bn(i);13. end14. switch modType15. case 'ASK1'16. et = s.*cos(2*pi*fc*t); %ASK17. case 'FSK2'18. et = cos(2*pi*(fc+s*df).*t);%FSK19. case 'PSK3'20. et = cos(2*pi*fc*t+s*2*pi/M); 21. end22. eth=hilbert(et);解调在MATLAB中的算法如下：1. function bn0 =

24、digitaldemod(eth,fs,fc,Rb,M,modType)2. T=length(eth)/fs;3. t=0:1/fs:T-1/fs;4. Tr=fs/Rb;5. eth=hilbert(eth);6. switch modType7. case 'ASK1'8. des = abs(eth);9. case 'FSK2'10. phi=unwrap(angle(eth);11. des=diff(phi);12. case 'PSK3'13. eth=eth.*exp(-j*2*pi*fc*t);14. des=angle(et

25、h);15. des(find(des<-0.1)=des(find(des<-0.1)+2*pi;16. end17. des=medfilt1(des,floor(0.65*Tr); %中值滤波18. a=max(des(2*Tr:end-2*Tr);19. b=min(des(2*Tr:end-2*Tr);20. d = (a-b)/(M-1);21. ddes=des(Tr/2:Tr:end);22. for k=0:M-123. index = find(ddes>(b+d*(2*k-1)/2) & ddes<(b+d*(2*k+1)/2);24. b

26、n0(index)=k;25. end26. if M=227. k=log2(M); % 确定M进制需要多少位二进制28. A=zeros(1,k*length(bn0);29. for i=1:length(bn0)30. for f=1:k31. A(k*(i-1)+(k-f+1)=mod(bn0(i),2);32. bn0(i)=floor(bn0(i)/2);33. end34. end35. bn0=A;36. end 课程设计成绩评定表专业：电子信息 班级：电子1班 学号：7020910031 姓名：徐智宝 课题名称图像通信系统的设计与仿真方案、结论与改进之处图像通信系统技术，内

27、容包括图像与数字图像通信、图像分析与正交变换、图像压缩编码、静止图像编码、活动图像编码、图像通信中的信道编码与传输技术。本课程设计主要研究图像通信系统的设计和仿真，在MATLAB中对图像进行读取、压缩和哈弗曼编码，将数字化后的图像进行数字调制，已调后的信号可以传输和交换，到达接收端，经解调和解码还原成图像，从而完成了图像信号传送和接收。利用图形用户界面(GUI)，通过窗口、菜单、按键等方式来方便地对本次课程设计的图像通信进行操作，观察。本文通过对图像进行哈弗曼编码，对比ASK,FSK,PSK三种调制方式进行传输，利用相干解调方式，然后再进行哈弗曼解码，在图形用户界面上实现图像通信操作仿真。指导教师评语 建议成绩： 指导教师：课程小组评定 评定成绩： 课程负责人： 时间： 2013 年 月 日