北邮scilab_通信原理软件实验报告.doc

信息与通信工程学院通信原理软件实验报告 实验二 时域仿真精度分析一、实验目的1. 了解时域取样对仿真精度的影响2. 学会提高仿真精度的方法二、实验原理一般来说，任意信号 s(t)是定义在时间区间(-无穷，+无穷)上的连续函数，但所有计算机的CPU 都只能按指令周期离散运行，同时计算机也不能处理这样一个时间段。为此将把 s(t)按区间-T/2 ,+T/2 截短为按时间间隔dert T均匀取样，得到的取样点数为N=T/dert T.仿真时用这个样值集合来表示信号 s(t)。Dert T反映了仿真系统对信号波形的分辨率，越小则仿真的精确度越高。据通信原理所学，信号被取样以后，对应的频谱是频率的周期函数，其重复周期是1/t;D。如果信号的最高频率为 那么必须有 才能保证不发生频域混叠失真，这是奈奎斯特抽样定理。设 则称为仿真系统的系统带宽。如果在仿真程序中设定的采样间隔是，那么不能用此仿真程序来研究带宽大于这的信号或系统。换句话说，就是当系统带宽 一定的情况下，信号的采样频率最小不得小于 2*Bs，如此便可以保证信号的不失真，在此基础上时域采样频率越高，其时域波形对原信号的还原度也越高，信号波形越平滑。也就是说，要保证信号的通信成功，必须要满足奈奎斯特抽样定理，如果需要观察时域波形的某些特性，那么采样点数越多，可得到越真实的时域信号。三、实验步骤1.将正弦波发生器模块、示波器模块、时钟模块按下图连接：四、实验结果对比分析时钟设置 0.01，得到的结果如下：时钟设置0.3，以后得到的结果如下：5、 思考题 （1）观察分析两图的区别，解释其原因。 答：因为信号周期是1，而第一个图的采样周期是0.01，所以一个周期内能采样100个点，仿真出来的波形能较精确地显示成完整波形，而第二个图采样周期是0.3，所以一个周期内只有三个采样点，故信号失真了。（2） 将示波器的控制时钟的period的参数改为0.5，观察仿真结果，分析其原因。 结果如下：可见，此时根本没有信号显示了。此时的采样周期是0.5，而信号周期是1，所以采样点变成了原始信号的零点，并且零点连接成了一条直线，故看起来就像没有信号了一样。 实验三 频域仿真精度分析一、实验目的 理解 DFT 的数学定义及物理含义；学会应用 FFT 模块进行频谱分析；进一步加深对计算机频域仿真基本原理以及方法的学习掌握。二、实验原理在通信系统仿真中，经常要用有限长序列来模拟实际的连续信号，用有限长序列的 DFT来近似实际信号的频谱。DFT 只适用于有限长序列，在进行信号的频谱分析时，它的处理结果会含有一定的偏差。下面分析一下 DFT 对信号频谱分析的影响。注意处理好时域混叠和频域混叠；注意频谱泄露。三、实验步骤1、将正弦波发生器 （sinusoid generator）、触发时钟（CLOCK_c）和频谱示波器模块按下图连接。四、实验结果1、输入缓冲区大小为4096，窗口类型:12、输入缓冲区大小为40960 窗口类型：13、输入缓冲区大小为40960，窗口类型：3结论： 窗函数的类型和宽度是影响插值FFT算法分析精度的主要原因这里的宽度体现为FFT size，也就是讲义中所说的size of input buffer。 当窗口类型一致的情况下，FFT size 越大，得到的频谱的谐波分量越多，频谱主瓣变得很尖锐；而FFT size一致的时候，窗口类型对频谱的影响不太大，主瓣宽度基本一致，幅度基本一样，谐波分量也基本一样。但是，这些都有不同程度的频谱泄露现象，只是加窗不同，对泄露的处理结果也就不同。也就是说，FFT size是主要影响因素。5、 思考题 （1）对于同一正弦信号，观察图 5.14、图 5.15 中所示频谱图的不同，分析其原因。 答：这个主要是因为FFT size的不同引起的，窗口宽度加宽的时候，就不会有更多的谐波分量被滤掉，导致频谱高频谐波分量的增加。 （2）观察图 5.15、图 5.16 所示频谱图的不同，解释其原因。 答：频谱的主瓣宽度增加，高频谐波分量减少。原因就是，采用了不同的窗函数，不同的窗函数对信号的滤波特性是不一致的。 （3）将 FFT 模块中的参数 Type of window 改成 2 和 4，观察仿真结果的变化，解释其原因。输入缓冲区大小为4096，TYPE OF WINDOW=2输入缓冲区大小为4096，TYPE OF WINDOW=4输入缓冲区大小为40960，TYPE OF WINDOW=2输入缓冲区大小为40960，TYPE OF WINDOW=4 答：频谱变得越来越平滑，主要是因为滤去了更多的谐波分量。 实验五 取样和重建一、实验目的了解取样定理的原理，取样后的信号如何恢复原信号；了解取样时钟的选取。二、实验原理 数字信号是通过对模拟信号进行采样、量化和编码得到的，模拟信号是时间和幅度都连续的信号，记作 x(t)。采样的结果是产生幅度连续而时间离散的信号，这样的信号常被称为采样数据信号。 原理如下： 低通采样定理：如果采样频率，那么带限信号就可以无差错地通过其采样信号恢复。 模型： 具体原理见讲义。在满足采样定理条件的情况下，初始输入信号可以从这些抽样值中恢复出来。三、实验步骤1. 脉冲信号产生器（Pulse generator, 来自 Scicom_sources 元件库）、正弦波发生器（sinusoid generator）、模拟低通滤波器（analog low pass filter）、直流发生器 DC、触发时钟（CLOCK_c）、乘法器、示波器模块（MScope）、频谱示波器（FFT）模块按下图连接。四、实验结果：时域仿真波形：FFT（1）取样信号频谱：FFT(2)重建信号的频谱： 取样信号放大频谱图：第二次验证：实验参数的设置，脉冲发生器高电平时间0.1，常数5；时域仿真波形FFT（1）取样信号频谱FFT（2）重建信号频谱：取样信号频谱放大：五、思考题（1） 分析图 5.27、5.28 中的（b）图有何区别，并解释其原因。 答：图 5.27 中的（b）图比图 5.28 中的（b）图的趋势平坦，这可根据式（5.20）看出，对时间连续信号的采样导致了信号频谱在直流（f=0）点和所有采样点的谐波处（f=nfs）产生重复，因为图5.27的采样信号的占空比较小，更接近冲激信号，所以对频谱的加权更接近，而图5.28用采样脉冲 p(t)的傅里叶级数展开的相应系数对变换后的信号频谱做了加权。（2） 观察图 5.27 中信号时域采样后 ，其对应的频谱周期延拓现象，其周期是多少？答：图频谱是两根相邻的冲击谱线以4Hz 的采样间隔周期延拓，其原理是 - ，取样信号的频谱是以取样频率将原信号频谱进行周期延拓。（3） 观察并对照表 5.9、表 5.10 两组参数设置下出现的不同仿真现象，结合信号与系统相关理论分析不同采样函数占空比对信号频谱的影响。 答：采样函数占空比越大,采样函数频谱为SA函数的叠加，相邻两个SA函数影响越大，采样过后的信号的频谱更不平稳,。 实验七 SSB调制与解调（模块）一、实验目的 了解产生 SSB 调制的基本原理；了解 SCICOS 中的超级模块；了解利用相干解调法解调幅度调制信号的方法。二、实验原理SSB 调制SSB AM 产生方法一： SSB AM 产生方法二：单边带调制信号表达式为：SSB 解调用相干解调或同步解调来还原幅度调制信号。其解调框图如下： 如图 5.45 所示，载波应该提取自输入信号，通过平方环法或 COSTAS 环方法提取。由于这次实验是验证解调方法，假定已经获得了解调所用的载波的频率，所以直接使用调制端正弦波发生器产生的载波信号充当解调载波。三、实验步骤SSB 调制（1）将正弦波发生器（ sinusoid generator ）、组合希尔伯特变换器（来自Scicom_signalprocess 元件库）、组合移相器（来自 Scicom_signalprocess 元件库）、加法器模块、乘法器模块、触发时钟（CLOCK_c）、示波器模块(MScope)、和频谱示波器（FFT）模块下图连接。 4、 实验结果频谱图：时域图：（2） SSB调制:SSB解调过程按其解调原理可得解调示例系统如下图所示：实验结果：频谱图：五、思考题：1. SSB 信号的特点是什么？答：只有上边带或者只有下边带，最窄的传输带宽，信道利用率最高。相比于DSB信号，SSB信号只用了一半的带宽就能反应出完整的原信号的信息，而如果基带m(t)是余弦信号，则SSB信号也是余弦信号，不能使用非相干解调的方法对其进行解调，其频谱也是一个冲激，而DSB信号的冲激为两个。2. 实验步骤 5 的参数之间有什么关系？为什么？改变参数值，配合实验加以解释。答：希尔伯特变换的取样点数记为n，period参数为t，而进行一次希尔伯特变换计算的时间周期为T=n*t。如果T=NT1(T1 则是输入信号周期)，则希尔伯特变换的结果较为精确，步骤（5）中period为1/2048，取样点数为2048，所以T=1，而输入信号周期为0.2，所以T是其整数倍，所以这样取值结果较为精确。当希尔伯特变换的取样点数为2000时，即T不是输入信号周期的整数倍时，其频谱图为：时域图为：可以看出其调制结果发声明显的失真，原因使其希尔伯特变换不精确。 附加实验一、实验目的：假设基带信号为，载波频率为，仿真出SSB信号，观察已调信号的波形及频谱。二、实验代码：clear all exec t2f.sci; exec f2t.scclear all exec t2f.sci; exec f2t.sci;fs=800;/采样速率T=200;/截短时间N=T*fs;/采样点数dt=1/fs; /时域采样间隔t=-T/2:dt:T/2-dt; /时域采样点df=1/T; /频域采样间隔f=-fs/2:df:fs/2-df; /频域采样点数fm1=1; /待观测正弦波频率，单位KHz，下同fm2=0.5; /待观测余弦波频率fc=20; /载波频率/以上为初始化参数设置m1=sin(2*%pi)*fm1*t); /待观测正弦波部分M1=t2f(m1,fs); /傅里叶变换MH1=-%i*sign(f).*M1; /其傅里叶变换的希尔伯特变换mh1=real(f2t(MH1,fs); /其希尔伯特变换m2=2*cos(2*%pi)*fm2*t); /待观测余弦波部分M2=t2f(m2,fs); /傅里叶变换MH2=-%i*sign(f).*M2; /其傅里叶变换的希尔伯特变换mh2=real(f2t(MH2,fs); /其希尔伯特变换s3=(m1+m2).*cos(2*%pi)*fc*t)-(mh1+mh2).*sin(2*%pi)*fc*t); /SSB信号时域表达式，以上边带为例S3=t2f(s3,fs); /SSB信号上边带频域表达式/以上是仿真计算部分/以下为绘图部分/SSB信号（以上边带为例）xset(window,5)plot(f,abs(S3)title(SSB信号频谱)xlabel(f)ylabel(S(f)mtlb_axis(-25,25,0,max(abs(S3)xset(window,6)plot(t,s3)title(SSB信号波形)xlabel(t)ylabel(s(t)mtlb_axis(0,6,-3,3)三、实验结果： 实验十二 ASK调制与解调（模块）一、实验目的 了解幅度键控（ASK）调制与解调的基本组成和原理。二、实验原理 用数字基带信号去控制正弦型载波的幅度称为振幅键控。2ASK是指二进制振幅键控，又称OOK，它以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。其产生的框图如图5.81所示。 图5.82为二进制信源信号和ASK调制信号的波形图。图5.83显示了其功率谱图。 在加性高斯白噪声信道条件下，OOK信号的解调方法有相干解调和非相干解调。两种解调方法的原理框图如下图。三、实验步骤（1）调制信号的产生：原始信号序列图和产生的OOK信号图如下：（2）非相干解调模块图:解调过后的信号图为：（3）相干解调模块图：解调过后的信号图如下： 四、思考题（1） 从频域和时域分析图5.88中rectifier、analog low pass filter两个模块的作用。答：rectifier模块和analog low filter 模块合起来组成一个包络检波器，rectifier的作用是整流，使余弦信号的负半周期取绝对值变为正值，在频域相当于余弦信号的傅里叶变换冲激函数卷积上符号函数sgn(t)的傅里叶变换1/j*%pi*f，卷积过后冲激函数消失，原码的频域变到低频区域，再利用analog low pass filter的低通滤波作用滤掉高频部分，最后经过判决恢复成原码。（2） MASK调制解调模型如何构建？答：调制：首先把二进制幅度序列变为M进制幅度序列，再与余弦信号相乘得到MASK信号，解调时利用相干解调再使用ML准则进行判决。 设计类实验二 线路码型HDB3编码（模块） 一、实验目的（1）了解几种常用线路码型及其编码规则。 （2）掌握HDB3码的编码原理及其SCILAB实现。 （3）学会使用HDB3码编码模块及其调试。 二、实验原理 常用线路码型有：单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、AMI码、HDB3码。 HDB3码的编码规则如下： （1）先把消息代码变成AMI码，然后检查AMI码的连0串情况，当无3个以上连0时，则这时的AMI码就是HDB3码。 （2）当出现4个或4个以上连0码时，则将每4个连0小段的第4个0变换成非0码。这个由0码改变来的非0码称为破坏符号，用符号V表示，而原来的二进制码元序列中所有的1码称为信码，用符号B表示。当信码序列中加入破坏符号以后，信码B与破坏符号V的正负必须满足如下两个条件： 1、B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。 2、V码必须与前一个码（信码B）同极性，以便和正常的AMI码区分开来，如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连0码的第一个0码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B表示，并将调整，使B码和B码合起来保持条件1中信码极性交替变换的规律。3、 实验步骤（1）二进制随机码的HDB3编码：（2）实验仿真波形如下：（3）原信号频谱图：（4）HDB3频谱图：4、 思考题（1） 观察HDB3码的频谱图，分析其与原码频谱的不同。答：通过观察可得，HDB3码的频谱图频率集中在中频部分,高频和低频分量很小，而原码频谱集中在低频部分。（2） HDB3码译码如何仿真实现？请给出SCICOS模块连接的工程图，以及相关波形图。（3） 线路码在数字通信系统中起什么作用？除了HDB3码，还有哪些线路码？试列出各自优缺点以及适用的场合。答：在实际数字通信中，经常需要在数字通信设备之间通过同轴电缆或其他有线传输媒介来传输数字基带信号，由于在基带信道传输时，不同传输媒介具有不同的传输特性，所以需要使用不同的接口线路码型。除了HDB3码外还有AMI码，CMI码，数字双相码等线路码，其中AMI码其功率谱无离散的直流分量，低频和高频分量较小，能减小码间干扰，具有检错能力以及能提取出时钟，缺点是在连“0”时时钟提取困难。而HDB3码正好改善了AMI码的缺点，不会出现连“0”的情况，因此提取时钟简单。CMI码功率谱不仅含连续谱，还含有离散的时钟分量及其奇次谐波分量，无离散直流分量。数字分相码在收端利用简单的非线性变换后提取时钟方便。但是它所提取的时钟频率是符号速率的2倍，再由它分频得到的定时信号，必定存在相位的不确定问题。 综合类实验一 数字基带系统的仿真一、实验目的（1）了解在理想限带及加性白高斯噪声信道条件下数字基带系统的基本原理和设计方法，完成在仿真平台上的系统搭建与仿真。（2）进一步熟悉SCICOS下的复杂系统设计。（3）运用工具库现有的通信工具模块搭建系统，利用其功能全面且封装性强的特点，针对数字基带系统进行横向功能分解，使系统设计更加精炼、准确。（4）深入学习数字基带系统核心传输节点的性能，并掌握眼图示波器的使用方法，观察接收滤波器输出的眼图和功率谱密度，判断系统传输的正确性和精准性，调试以达到最佳传输效果。二、实验原理若使得在接收端抽样时刻码间干扰为零，则系统的合成传递函数必须满足以下条件：则接收到的确定信号的频谱仅取决与发送滤波器的特性，所以接收滤波器的应与发送滤波器共轭匹配，即：这样，在理想限带信道情况下，既要使接收端抽样时刻的抽样值无码间干扰，又要使得在抽样时刻抽样值的信噪比最大，则综上所述，数字PAM 信号通过限带信道、并受到加性噪声干扰的情况下，在限带信道为理想低通条件下，最佳基带传输的发送及接收滤波的设计原则为：总的收发系统的传递函数要符合无码间干扰基带传输的升余弦特性；且又要考虑在抽样时刻信噪比最大的收、发滤波共轭匹配的条件。 可得无码间干扰的条件下，其系统框图如图5.150：3、 实验过程(1)编程实现模块连接图：在Diagram-Context中进行如下内容设置：function X=t2f(x)H=fft（x）;X=H(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),H(mtlb_imp(1,N/2)*dt;endfunctionfunction x=f2t(X)S=X(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),X(mtlb_inp(1,N/2);x=ifft(S)/dt;endfunctiondt=0.01;L=32;M=16;N=L*MTs=L*dt;Rb=1/Ts;df=1/(N*dt);T=N*dt;Bs=N*df/2;alpha=0.5;t=linspace(-T/2,T/2,N);f=linspace(-Bs,Bs,N)+%eps;hr1=sin(%pi*t/Ts)./(%pi*t/Ts);hr2=cos(alpha*%pi)*t)/Ts)./(1-(2*alpha)*t)/Ts).2);hr=hr1.*hr2;HR=abs(t2f(hr);GT=sqrt(HR);GR=GT;Sending filter超级模块中的Scifunc模块的代码：function X=t2f(x)H=fft(x);X=H(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),H(mtlb_imp(1,N/2)*dt;endfunctionfunction x=f2t(X)S=X(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),X(mtlb_imp(1,N/2);x=ifft(S)/dt;endfunctionu=u1;S=t2f(u);S1=S.*GT;y=real(f2t(S1);y1=yreceiving filter超级模块中的Scifunc模块的代码：function X=t2f(x)H=fft(x);X=H(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),H(mtlb_imp(1,N/2)*dt;endfunctionfunction x=f2t(X)S=X(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),X(mtlb_imp(1,N/2);x=ifft(S)/dt;endfunctionu=u1;SR=t2f(u);SR1=SR.*GRy=real(f2t(SR1);y1=y;眼图仿真结果：取样