通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、matlab程序設(shè)計(jì)： 1、二維曲線繪圖 t=(0:pi/50:2*pi)';%定義t,從0到2pi,共101個(gè)點(diǎn) k=0.4:0.1:1;%定義變量k,從0.4到1，共7個(gè)點(diǎn) Y=cos(t)*k;%函數(shù)Y plot(t,Y)%繪制Y在t下的曲線 2、用圖形表示Y=sin(t)sin(9t)及其包絡(luò)線 t=(0:pi/100:pi)';%定義變量t的范圍，0到pi,共101個(gè)點(diǎn) y1=sin(t)*[1,-1]; y2=sin(t).*sin(9*t); t3=pi*(0:9)/9; y3=sin(t3).*sin(9*t3);%矩陣運(yùn)算 plot(t,y1,'r:',t,y2,'b',t3,y3,'bo')%圖形繪制y1包絡(luò)，y2函數(shù)曲線，y3:點(diǎn) axis([0,pi,-1,1])%圖像范圍規(guī)定x=(0,pi),y=(-1,1) 3、繪制標(biāo)準(zhǔn)三維曲面 原理：sphere函數(shù)的調(diào)用格式：[x,y,z]=sphere(n)Cylinder函數(shù)的調(diào)用格式：[x,y,z]=cylinder(R,n)Peak函數(shù)（多峰函數(shù)），常用于三維曲面的演示 t=0:pi/20:2*pi; [x,y,z]=cylinder(2+sin(t),30); subplot(2,2,1);surf(x,y,z); title('[x,y,z]=cylinder(2+sin(t),30)')%取名 subplot(2,2,2);%調(diào)用subplot對圖形位置定位 [x,y,z]=sphere; surf(x,y,z); title('[x,y,z]=sphere') subplot(2,1,2); [x,y,z]=peaks(30); surf(x,y,z);title('[x,y,z]=peaks(30)')信道與噪聲仿真實(shí)驗(yàn)原理：1.庫函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)①均勻分布的隨機(jī)數(shù)利用MATLAB庫函數(shù)rand產(chǎn)生。rand函數(shù)產(chǎn)生（0，1）內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，使用方法如下：1）x=rand(m)；產(chǎn)生一個(gè)m×m的矩陣，所含元素取值均為在（0，1）內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)。2）x=rand(m，n)；產(chǎn)生一個(gè)m×n的矩陣，所含元素取值均為在（0，1）內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)。3）x=rand；產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)。②高斯分布的隨機(jī)數(shù)：randn函數(shù)產(chǎn)生均值為0，方差為1的高斯分布隨機(jī)數(shù)，使用方法如下：1）x=randn(m)；產(chǎn)生一個(gè)m×m的矩陣，所含元素都是均值為0，方差為1的高斯分布的隨機(jī)數(shù)。2）x=randn(m，n)；產(chǎn)生一個(gè)m×n的矩陣，所含元素都是均值為0，方差為1的高斯分布的隨機(jī)數(shù)。3）x=randn；產(chǎn)生一個(gè)均值為0，方差為1的高斯分布的隨機(jī)數(shù)。2．基帶信號波形生成和其功率譜密度1).要畫出完整的波形，每一個(gè)碼元要采n個(gè)樣，如果一個(gè)N個(gè)碼元的0、1序列x，要畫出它的矩形脈沖波形，見后面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。2).信號的功率譜密度信號f(t)的功率譜密度為：，因此可以用如下方法求解信號的功率譜密度。3.蒙特卡羅算法蒙特卡羅估計(jì)是指通過隨機(jī)實(shí)驗(yàn)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)值的過程。蒙特卡羅算法的基本思想：由概率論可知，隨機(jī)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是無法預(yù)測的，只能用統(tǒng)計(jì)的方法來描述。故需進(jìn)行大量的隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，如果實(shí)驗(yàn)次數(shù)為N，以NA表示事件A發(fā)生的次數(shù)。若將A發(fā)生的概率近似為相對頻率，定義為：NAN。這樣，在相對頻率的意義下，事件A發(fā)生的概率可以通過重復(fù)無限多次隨機(jī)實(shí)驗(yàn)來求得。即：在二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)中，若N是發(fā)送端發(fā)送的總碼元數(shù)，NA是差錯(cuò)發(fā)生的次數(shù)，則總誤碼率可通過蒙特卡羅算法計(jì)算。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.產(chǎn)生一個(gè)(0,1)上均勻分布的白噪聲信號u(n)，畫出其波形，并檢驗(yàn)其分布N=500000;%u(n)的長度u=rand(1,N);%調(diào)用rand，得到均勻分布的隨機(jī)數(shù)u(n)mean=mean(u);%求u(n)均值power_u=var(u);%求u(n)方差subplot(211)plot(u(1:100));gridon;%在一個(gè)圖上分上下兩個(gè)子圖ylabel('u(n)');%給y軸加坐標(biāo)xlabel('n');%給x軸加坐標(biāo)subplot(212)hist(u,50);gridon;%對u(n)做直方圖，檢驗(yàn)其分布，50是對取值范圍[01]均分等分50份網(wǎng)格ylabel('histogramofu(n)');均值0.5004方差0.08332.產(chǎn)生一個(gè)N碼元，每碼元采樣n個(gè)的0、1序列：N=100; %二進(jìn)制序列的長度dsource=(sign(rand(1,N)-0.5+eps)+1)/2; %生成N碼元的0、1序列n=10;%每周期采樣數(shù)為10temp1=ones(1,n);%表示1碼temp0=zeros(1,n);%表示0碼new_dsource=[];fori=1:length(dsource) ifdsource(i)==0 new_dsource=[new_dsourcetemp0]; else new_dsource=[new_dsourcetemp1]; endend T=0.10;%每碼元周期t=0:T/n:T/n*(length(new_dsource)-1);%時(shí)間軸，new_dsource序號從1開始到%(length(new_dsource)，而t是從0開始，故要減去1 plot(t,new_dsource) axis([min(t)-0.01,max(t)+0.01,min(new_dsource)-0.01,max(new_dsource)+0.01])3.求單極性0、1隨機(jī)序列的功率譜密度.N=250;%0、1序列長度dsource=(sign(rand(1,N)-0.5+eps)+1)/2;%生成長度為N的0、1序列n=10;%每碼元采n=10個(gè)樣值temp1=ones(1,n);temp0=zeros(1,n);new_dsource=[];fori=1:length(dsource)ifdsource(i)==0new_dsource=[new_dsourcetemp0];elsenew_dsource=[new_dsourcetemp1];endend T=0.10;%碼元周期t=0:T/n:T/n*(length(new_dsource)-1);%時(shí)間軸subplot(2,1,1) plot(t,new_dsource) %畫生成的0、1隨機(jī)序列的波形axis([min(t)-0.01,max(t)+0.01,min(new_dsource)-0.01,max(new_dsource)+0.01])y=new_dsource;Nf=length(t);Y=fft(y,Nf);%做FFTPyy=abs(Y).^2/Nf;%平均功率dt=t(2)-t(1);df=1/dt;%頻域延拓周期f=df*(0:(Nf-1)/2)/Nf;%頻率軸subplot(2,1,2);plot(f,10*log10(Pyy(1:((Nf-1)/2+1))))title('功率譜密度');xlabel('頻率(Hz)');grid3.利用蒙特卡羅算法仿真二進(jìn)制基帶通信系統(tǒng)的誤碼率2） 主程序：echoon;SNRindB1=0:1:12;SNRindB2=0:0.01:12;%計(jì)算蒙特卡洛仿真誤碼率fori=1:length(SNRindB1)smld_err_prb(i)=exa0308_Fun_singlePe(SNRindB1(i));%調(diào)蒙特卡洛仿真誤碼率子程序endsemilogy(SNRindB1,smld_err_prb,'r*');%畫蒙特卡洛仿真誤碼率曲線%計(jì)算理論誤碼率fori=1:length(SNRindB2)SNR=10^(SNRindB2(i)/10);%將dB換為比值theo_err_prb(i)=(1/2)*erfc(sqrt(SNR/4));%理論計(jì)算該信噪比下的誤碼率endholdonsemilogy(SNRindB2,theo_err_prb);%畫理論誤碼率曲線gridon子程序：function[p]=exa0308_Fun_singlePe(snr_in_dB)；%計(jì)算誤碼率%信噪比與dB值的轉(zhuǎn)換E=1;%信號幅度為1vSNR=10^(snr_in_dB/10);%求信號與噪聲的比值%產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)差為sgma，均值為0的N個(gè)高斯白噪聲sgma=E/sqrt(SNR*2);%噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差%二進(jìn)制序列的產(chǎn)生N=10000;%二進(jìn)制序列的長度dsource=(sign(rand(1,N)-0.5+eps)+1)/2;%計(jì)算誤碼率numoferr=0;%誤碼計(jì)數(shù)器fori=1:Nif(dsource(i)==0)r=0+sgma*randn;%發(fā)端發(fā)0時(shí)的，接收信號elser=E+sgma*randn;%發(fā)端發(fā)1時(shí)的，接收信號endif(r<0.5*E)decis=0;%判決elsedecis=1;%判決endif(decis~=dsource(i))%與發(fā)端序列比較numoferr=numoferr+1;%與發(fā)端序列不相同的，誤碼計(jì)數(shù)器加1endendp=numoferr/N;%求誤碼率單極性碼與雙極性碼眼圖仿真原理：在實(shí)際工程中，由于部件調(diào)試不理想或信道特性發(fā)生變化，都可能使系統(tǒng)的性能變壞。除了用專用精密儀器進(jìn)行定量測量外，在調(diào)試和維護(hù)工作中，技術(shù)人員還希望用簡單的方法和通用儀器也能宏觀監(jiān)測系統(tǒng)的性能，其中一個(gè)有效的實(shí)驗(yàn)方法是觀察接受信號的眼圖。將待測的基帶信號加到示波器的輸入端，同時(shí)把位定時(shí)信號作為掃描同步信號。這樣，示波器對基帶信號的掃描周期嚴(yán)格與碼元周期同步，各碼元的波形就會(huì)重疊起來。對于二進(jìn)制數(shù)字信號，這個(gè)圖形與人眼相像，故稱為眼圖。單極性眼圖：clearallTs=1;eyenum=10;codenum=2000;tsample=4;dt=0.2;t=-eyenum/2:dt:eyenum/2;ht=1/Ts*sinc(t/Ts);%定義基帶傳輸脈沖為升余弦alpha=0.4alpha=input('輸入滾降系數(shù)alpha=(缺省為1)');ifisempty(alpha)alpha=1;endpp=cos(alpha*pi*t/Ts);pp1=1./(1-4*t.*t*alpha*alpha/Ts/Ts);ht=1/Ts*sinc(t/Ts).*pp.*pp1;%ht=1/Ts*sinc(t/Ts)+1/Ts*sinc((t-Ts)/Ts);%產(chǎn)生+1、0的數(shù)字信號code=(sign(randn(1,codenum))+1)/2+0.1*randn(1,codenum);code=sign(randn(1,codenum))+0.05*randn(1,codenum);%畫眼圖figure(1)holdonxlabel('Ts');ylabel('rt');title('升余弦成形眼圖');gridforn=1:codenum/eyenumss=zeros(1,length(ht)+Ts/dt);form=1:eyenumtmp=code((n-1)*eyenum+m)*ht;tmp1=ss((m*Ts/dt+1):length(ss))+tmp;ss=[ss(1:(m*Ts/dt))tmp1zeros(1,Ts/dt)];end%drawnowkk=1:length(ss);plot(kk*dt-dt,ss);holdonclearss;axis([515-33]);%pauseEnd雙極性眼圖：主程序：%示意雙極性NRZ基帶信號經(jīng)過帶寬受限信號造成的碼間干擾影響及其眼圖clearall;closeall;N=1000;N_sample=8;%每碼元抽樣點(diǎn)數(shù)Ts=1;dt=Ts/N_sample;t=0:dt:(N*N_sample-1)*dt;gt=ones(1,N_sample);%數(shù)字基帶波形d=sign(randn(1,N));%輸入數(shù)字序列a=sigexpand(d,N_sample);st=conv(a,gt);%數(shù)字基帶信號ht1=5*sinc(5*(t-5)/Ts);rt1=conv(st,ht1);ht2=sinc((t-5)/Ts);rt2=conv(st,ht2);eyediagram(rt1+j*rt2,40,5);%調(diào)用Matlab畫眼圖的函數(shù)，行40點(diǎn)，表示5只眼子程序：function[out]=sigexpand(d,M)%將輸入的序列擴(kuò)展成間隔為M-1個(gè)0的序列N=length(d);out=zeros(M,N);out(1,:)=d;out=reshape(out,1,M*N);二、模擬通信系統(tǒng)仿真1、AM調(diào)制與解調(diào)仿真原理：1）AM調(diào)制原理在傳送信號的一方將所要傳送的信號附加在高頻振蕩上，再由天線發(fā)射出去。這里高頻振蕩波就是攜帶信號的運(yùn)載工具，也叫載波。振幅調(diào)制，就是由調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，直至隨調(diào)制信號做線性變化。在線性調(diào)制系列中，最先應(yīng)用的一種幅度調(diào)制是全調(diào)幅或常規(guī)調(diào)幅，簡稱為調(diào)幅（AM）。在頻域中已調(diào)波頻譜是基帶調(diào)制信號頻譜的線性位移；在時(shí)域中，已調(diào)波包絡(luò)與調(diào)制信號波形呈線性關(guān)系。設(shè)正弦載波為：c(t)=Acos(wct+φ0)式中，A為載波幅度；wc為載波角頻率；φ0為載波初始相位(通常假設(shè)φ0=0)。調(diào)制信號（基帶信號）為m(t)。根據(jù)調(diào)制的定義，振幅調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可以表示為：sm(t)=Am(t)cos(wct)設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻譜為M(w)，則已調(diào)信號sm(t)的頻譜Sm(w)：Sm(w)=A[M(w+wc)+M(w?wc)]/22.）AM解調(diào)原理從高頻已調(diào)信號中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)(demodulation)，又稱為檢波(detection)。對于振幅調(diào)制信號，解調(diào)(demodulation)就是從它的幅度變化上提取調(diào)制信號的過程。解調(diào)(demodulation)是調(diào)制的逆過程?？衫贸朔e型同步檢波器實(shí)現(xiàn)振幅的解調(diào)，讓已調(diào)信號與本地恢復(fù)載波信號相乘并通過低通濾波可獲得解調(diào)信號。下圖為AM解調(diào)原理：原理圖及仿真結(jié)果：參數(shù)設(shè)置：SineWave1和SineWave2模塊分別產(chǎn)生發(fā)送端和接收端的載波信號，角頻率ωc都設(shè)為60rad/s，調(diào)幅系數(shù)為１；調(diào)制信號m(t)由SineWave模塊產(chǎn)生，其為正弦信號，角頻率為5rad/s，幅度為1V；直流分量A0由Constant模塊產(chǎn)生，為1V；低通濾波器模塊的截止角頻率設(shè)為6rad/s。載波：sin60t; 調(diào)制信號：sin(5t)sin(60t)2、DSB調(diào)制與解調(diào)仿真調(diào)制原理：在幅度調(diào)制的一般模型中，若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)（＝1），調(diào)制信號中無直流分量，則輸出的已調(diào)信號就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號（DSB）。每當(dāng)信源信號極性發(fā)生變化時(shí)，調(diào)制信號的相位都會(huì)發(fā)生一次突變?chǔ)?。SDSB(t)=m(t)coswCt調(diào)制的目的就是進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。DSB調(diào)制原理框圖如圖4-3:圖1DSB調(diào)制原理框圖DSB信號實(shí)質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘，頻域上就是卷積，表示式為：SDSB(w)=[M(w+wC)+M(w?wC)]/2（1）經(jīng)調(diào)制后，調(diào)制信號的帶寬變?yōu)樵鶐盘柕?倍：模擬基帶信號帶寬為W，則調(diào)制信號的帶寬為2W；（2）調(diào)制信號中不含離散的載頻分量：因?yàn)樵M基帶信號中不含離散直流分量。（3）包含上下兩個(gè)邊帶，且攜帶相同信息（雙邊帶）；（4）不論是確定信號的頻譜，還是隨機(jī)信號的功率譜，都是基帶信號頻譜/功率譜的線性搬移。因而被稱為線性調(diào)制。解調(diào)原理：DSB只能進(jìn)行相干解調(diào)，其原理框圖與AM信號相干解調(diào)時(shí)完全相同，利用恢復(fù)的載波與信號相乘，將頻譜搬移到基帶，還原出原基帶信號。 圖2DSB解調(diào)原理框圖（1）當(dāng)恢復(fù)載波與原載波頻率不完全一樣時(shí)，解調(diào)信號是原基帶信號與低頻正弦波的乘積；（2）若恢復(fù)載波與原載波頻率相同，而相位不同時(shí)，輸出信號達(dá)不到最大值。原理圖及仿真波形：上：調(diào)制波形； 下：信源波形上：解調(diào)波形； 下：信源波形參數(shù)設(shè)置：信源參數(shù)參數(shù)：幅度1頻率10rad/s sin(20pi*t)載波參數(shù)：幅度1頻率100rad/s sin(200pi*t)BPF參數(shù)：下限頻率90rad/s上限頻率110rad/sLPF參數(shù)：截止頻率10rad/s高斯白噪聲參數(shù)：均值0標(biāo)準(zhǔn)差0.013、SSB調(diào)制與解調(diào)仿真原理：1.SSB信號的調(diào)制解調(diào)原理對于DSB信號上下兩個(gè)邊帶攜帶著相同的信息，造成頻率資源的浪費(fèi)，解決方法：只要一個(gè)邊帶即可，出現(xiàn)了SSB信號。調(diào)制原理：SSB調(diào)制采用濾波法濾波法SSB調(diào)制原理框圖如圖1。圖中的為單邊帶濾波器。產(chǎn)生SSB信號最直觀方法的是，將設(shè)計(jì)成具有理想高通特性或理想低通特性的單邊帶濾波器，從而只讓所需的一個(gè)邊帶通過，而濾除另一個(gè)邊帶。產(chǎn)生上邊帶信號時(shí)即為：=，產(chǎn)生下邊帶信號時(shí)即為。圖1SSB濾波法調(diào)制原理框圖濾波法SSB調(diào)制的頻域表達(dá)式SSSB(w)=SDSB(w)HSSB(w)=[M(w+wC)+M(w?wC)]HSSB(w)/2解調(diào)原理：SSB只能進(jìn)行相干解調(diào)。具有離散大載波的SSBAM信號的非相干解調(diào)：當(dāng)離散大載波的幅度遠(yuǎn)大于信號幅度時(shí)，可以使用包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)。原理圖及仿真波形：上邊帶USB調(diào)制解調(diào)波形說明：1、上邊帶解調(diào)波形 2，3、信源波形 4、調(diào)制過程中的解調(diào)波形下邊帶LSB調(diào)制解調(diào)波形說明：1、下邊帶解調(diào)波形 2，3、信源波形 4、調(diào)制過程中的解調(diào)波形參數(shù)設(shè)置：信源參數(shù)：幅度1，頻率：10rad/s；sin(20pi*t)載波參數(shù)：幅度1頻率100rad/s; sin(200pi*t)USB的BPF參數(shù)：下限頻率100rad/s，上限頻率110rad/sLSB的BPF參數(shù)：下限頻率90rad/s，上限頻率100rad/sLPF參數(shù)：截止頻率10rad/s高斯白噪聲參數(shù)：均值0標(biāo)準(zhǔn)差0.01三、PCM系統(tǒng)仿真原理：把量化后的信號電平值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過程稱為編碼，其逆過程稱為解碼。A律PCM編碼習(xí)慣上又稱A律13折線編碼，在A律13折線編碼中，正負(fù)方向共有16個(gè)段落，在每一段落內(nèi)有16個(gè)均勻分布的量化電平，因此總的量化電平數(shù)L=256，編碼位數(shù)n=8。8位碼的編列順序如下：M1 M2M3M4 M5M6M7M8第一位碼M1為極性碼，1代表正極性，0代表負(fù)極性。第2-4位碼M2M3M4為段落碼，表示信號絕對值處于哪個(gè)段落，3位碼共可表示8個(gè)段落，代表了8個(gè)段落的起始電平值。第5-8位碼表示任一段落內(nèi)的16個(gè)量化電平值。原理圖及仿真波形：編碼后輸出波形仿真結(jié)果及啁啾信號波形參數(shù)設(shè)置：啁啾信號：0.1Hz，100s脈沖發(fā)生器：1v，2s,脈沖寬度50%，相位延時(shí)0s四、數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)仿真1、2ASK調(diào)制解調(diào)原理：2ASK即二進(jìn)制幅度鍵控。在幅度鍵控中載波幅度隨著調(diào)制信號而變化，也就是載波的幅度隨著數(shù)字信號1和0在兩個(gè)電平之間轉(zhuǎn)換。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡單的形式稱為通-斷控（OOK），即載波在數(shù)字信號1或0的控制下通或斷。原理圖及仿真波形：參數(shù)設(shè)置：正弦信號參數(shù)方波信號源參數(shù)2、2FSK調(diào)制解調(diào)原理：2PSK即二進(jìn)制頻移鍵控，頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息，在二進(jìn)制情況下，1對應(yīng)載波頻率f1,0對應(yīng)載波頻率f2。二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）如同兩個(gè)不同頻率交替發(fā)送的ASK信號。二進(jìn)制頻移鍵控信號可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號之和。在FSK信號中，當(dāng)載波頻率發(fā)生變化時(shí)，載波的相位一般來說是不連續(xù)的，這種信號稱為相位不連續(xù)的FSK信號。相位不連續(xù)的FSK信號通常用頻率選擇法產(chǎn)生。2FSK信號的解調(diào)有非相干與相干兩種，F(xiàn)SK信號可以看做用兩個(gè)頻率源交替?zhèn)鬏數(shù)玫降?，所以FSK接收機(jī)由兩個(gè)并聯(lián)的ASK接收機(jī)組成。原理圖及仿真波形：2FSK調(diào)制波形1，4是載波的波形，波形2是方波的波形，波形3是調(diào)制后的波形參數(shù)設(shè)置：載波1幅度為2，f1=1Hz,采樣時(shí)間為0.002s載波2幅度為2，f2=2,采樣時(shí)間.為0.002的單精度信號。方波是幅度為1，周期為3，占1比為1/3的基于采樣的信號。2FSK解調(diào)參數(shù)設(shè)置：上半部分帶通濾波器及正弦波發(fā)生器參數(shù)設(shè)置下半部分帶通濾波器及正弦波發(fā)生器參數(shù)設(shè)置:低通濾波器參數(shù)設(shè)置：3、2PSK調(diào)制解調(diào)原理：2PSK即二進(jìn)制相移鍵控，它是用二進(jìn)制數(shù)字信號控制載波的兩個(gè)相位，這兩個(gè)相位通常相隔pi(rad),例如用相位0和pi分別表示1和0，所以這種調(diào)制又稱二相相移鍵控（BPSK）。2PSK信號是雙極性脈沖序列的雙邊帶調(diào)制，由于雙極性脈沖序列沒有直流分量，所以2PSK信號是抑制載波的雙邊帶調(diào)制，2PSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相同，只是少了一個(gè)離散的載波