通信系统设计实训

1、 通信系统综合设计实训2学 院： 通信与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 指导教师： 李 季 碧 班 级： 0121208班 姓 名： 周 易 德 学 号： 2012214709 2015年 3月 14 日 实验一：模拟调制系统的仿真设计一、实验目的1、掌握模拟调制系统的调制和解调原理；2、理解相干解调。二、仿真内容1、画出am、dsb、ssb调制信号的时域波形和频谱图。2、完成dsb信号的调制和相干解调。3、完成dsb信号本地载波同频不同相时的解调。三、dsb系统模型4、 仿真步骤及输出结果1、 am、dsb、ssb调制信号的时域波形和频谱图基带信号为fm=1hz的余弦信号，载波为fc=

2、10hz的余弦信号。绘制基带信号、载波信号和已调信号的时域波形及其频谱。2、 dsb信号的相干解调将 dsb 已调信号与相干载波相乘; 设计低通滤波器， 将乘法器输出中的高频成分滤除，得到解调信号，比较解调信号和原始的基带信号。3、 本地载波非相干时的dsb解调假定相位偏移分别为pi/8 pi/4 pi/3 pi/2时，绘制解调信号的波形。5、 思考题1、am和dsb信号的功率谱的区别是什么？答：如图所示，am信号功率谱在载频处有较高的功率分布，而dsb在载频处没有功率分布。2、采用相干解调时，接收端的本地载波与发送载波同频不同相时，对解调性能有何影响？答：如实验结果（下图），可知随着相偏越来

3、越大，解调器输出波形幅度也越来越小，并最终在相偏/2时，幅度变为0。6、 心得体会在本次的实验中，我学会了matlab的基本使用方法并复习了通信原理的相关知识；认识到了matlab在通信系统设计中的巨大作用；也坚定了我努力学习掌握matlab这一有力的数学工具的决心。在以前的学习中，一直没能直观地理解数学软件是如何解决实际问题的。感谢学校和老师给我们提供了这样一门实践类课程，我一定在明后天的实验中珍惜这个宝贵的机会。7、 实验代码close all;clear all;clc;fc=10000;fm=1000;fs=fc*10;%每周期采样10次dt=1/fs;t=0:dt:6/fm;%基带信

4、号与载波mt=cos(2*pi*fm*t);ct=cos(2*pi*fc*t);%dsb波与am波s_am=(mt+1).*ct;s_dsb=mt.*ct;s_ssbu=0.5*ct.*mt-imag(0.5*sin(2*pi*fc*t).*hilbert(mt);s_ssbl=0.5*ct.*mt+imag(0.5*sin(2*pi*fc*t).*hilbert(mt);%dsb解调s =s_dsb.*ct; %dsb通过乘法器wc=1.5*2*pi*fm/fs;b=fir1(16,wc/pi);%滤波器设计so=filter(b,1,s);%本地载波出现相偏so1=filter(b,1,s

5、_dsb.*cos(2*pi*fc*t+pi/8);so2=filter(b,1,s_dsb.*cos(2*pi*fc*t+pi/4);so3=filter(b,1,s_dsb.*cos(2*pi*fc*t+pi/3);so4=filter(b,1,s_dsb.*cos(2*pi*fc*t+pi/2);%fftn=4096;f=(0:n-1)*fs/n;f=f-0.5*fs; mt=fftshift(fft(mt,n);am=fftshift(fft(s_am,n);dsb=fftshift(fft(s_dsb,n);ct=fftshift(fft(ct,n);ssb=fftshift(fft

6、(s_ssbu,n);ssb2=fftshift(fft(s_ssbl,n);s=fftshift(fft(s,n);so=fftshift(fft(so,n); %时域波形输出figure(1);subplot(2,1,1);plot(t,mt);xlabel(t);ylabel(mt);axis(0 6/fm -2 2.2);title(基带信号);subplot(2,1,2);plot(t,ct);xlabel(t);ylabel(ct);axis(0 6/fm -1.1 1.1);title(载波信号);figure(2);subplot(4,1,1);plot(t,s_am);xla

7、bel(t);ylabel(am信号);axis(0 6/fm -2 2.2);title(am调制波时域信号); subplot(4,1,2);plot(t,s_dsb);xlabel(t);ylabel(dsb信号);axis(0 6/fm -2 2.2);title(dsb调制波时域信号); subplot(4,1,3);plot(t,s_ssbu);xlabel(t);ylabel(ssb信号);axis(0 6/fm -2 2.2);title(ssb（上边带）调制波时域信号); subplot(4,1,4);plot(t,s_ssbl);xlabel(t);ylabel(ssb信号

8、);axis(0 6/fm -2 2.2);title(ssb（下边带）调制波时域信号); %频域分析figure(3);subplot(3,2,1);plot(f,abs(mt);axis(-1.6*fc 1.6*fc 0 350);xlabel(f);title(mt频谱图);subplot(3,2,2);plot(f,abs(ct);axis(-1.6*fc 1.6*fc 0 350);xlabel(f);title(ct频谱图);subplot(3,2,3);plot(f,abs(am);axis(-1.6*fc 1.6*fc 0 350);xlabel(f);title(am频谱图)

9、;subplot(3,2,4);plot(f,abs(dsb);axis(-1.6*fc 1.6*fc 0 350);xlabel(f);title(dsb频谱图);subplot(3,2,5);plot(f,abs(ssb);axis(-1.6*fc 1.6*fc 0 350);xlabel(f);title(ssb上边带频谱图);subplot(3,2,6);plot(f,abs(ssb2);axis(-1.6*fc 1.6*fc 0 350);xlabel(f);title(ssb下边带频谱图);%dsb波解调figure(4);subplot(3,1,1);plot(f,abs(s);

10、axis(-2.5*fc 2.5*fc 0 350);xlabel(f);title(解调器乘法器输出信号频谱图);subplot(3,1,2);plot(f,abs(so);axis(-2.5*fc 2.5*fc 0 350);xlabel(f);title(解调器最终输出波形频谱图);subplot(3,1,3);plot(t,mt);xlabel(t);ylabel(mt);axis(0 6/fm -2 2.2);title(解调器输出的时域波器);%本地载波存在相移时的幅度变化figure(5);subplot(4,1,1);plot(t,so1);xlabel(t);ylabel(幅

11、度);axis(0 6/fm -0.6 0.6);title(相偏pi/8);subplot(4,1,2);plot(t,so2);xlabel(t);ylabel(幅度);axis(0 6/fm -0.6 0.6);title(相偏pi/4);subplot(4,1,3);plot(t,so3);xlabel(t);ylabel(幅度);axis(0 6/fm -0.6 0.6);title(相偏pi/3);subplot(4,1,4);plot(t,so4);xlabel(t);ylabel(幅度);axis(0 6/fm -0.6 0.6);title(相偏pi/2);clc; 实验二

12、信源编码一、 教学目的：1、 掌握a律13折线的编码方法。2、 理解信道编码的作用。3、理解量化级数、量化方法与量化信噪比的关系。理解非均匀量化的优点。二、 仿真内容1、对抽样信号进行均匀量化，改变量化级数和信号大小，根据matlab仿真获得量化误差和量化信噪比。2、对抽样信号进行a律压缩、均匀量化，改变量化级数和信号大小，根据matlab仿真获得量化误差和量化信噪比。3、 仿真步骤及输出结果1、 均匀量化1) 产生一个周期的正弦波，以1000hz频率进行采样，并进行8级均匀量化，用plot函数在同一张图上绘出原信和量化后的信号2）以32hz的抽样频率对x(t)进行抽样，并进行8级均匀量化。绘

13、出正弦波波形(用plot函数)、样值图，量化后的样值图、量化误差图(后三个用stem函数)。3）以2000hz对x(t)进行采样，改变量化级数，分别仿真得到编码位数为28位时的量化信噪比，绘出量化信噪比随编码位数变化的曲线。另外绘出理论的量化信噪比曲线进行比较。4)在编码位数为8和12时采用均匀量化， 在输入信号衰减为050 db时， 以均匀间隔5 db仿真得到均匀量化的量化信噪比，绘出量化信噪比随信号衰减变化的图形。注意，输入信号减小时，量化范围不变；抽样频率为2000 hz。2、 a律压缩量化1) 对余弦信号按a律进行压缩，然后以32hz的抽样频率进行抽样，再进行8级均匀量化。压扩参数a=

14、87.6。绘出压缩前后的信号波形图(用plot函数)、样值图、量化后的样值图(后两个用stem函数)。2） 在编码位数为8和12时均匀量化、 编码位数为8时a律压扩量化， 在输入信号衰减为050db时，以均匀间隔5db仿真得到量化信噪比，绘出量化信噪比随信号衰减变化的图形。另外绘出8和12位编码时采用均匀量化的理论量化信噪比曲线进行比较。注意，输入信号减小时，量化范围不变；抽样频率为2000hz。4、 思考题1） 量化信噪比与量化级数(或编码位数)的关系是怎样的？答：实验数据表明：量化级数越多即编码位数越多，则信噪比越高，量化噪声越小。原因很简单级数多，则量化区间小。又因为量化电平与实际电平差

15、距不会超过半个量化区间。因此，量化级数越多则量化误差越小，量化信噪比越高。2） a律压缩量化相比均匀量化的优势是什么？答：a律曲线是一个凸函数，对于小幅度样点能进行更精确的编码。而对于大幅度信号则进行较粗狂的量化。3） 信道编码的作用是什么？答：提高通信的可靠性，通过向信息码中添加校验码的方法，使得码字具有纠错检错能力。虽然加入了冗余，牺牲了有效性，但是提升了可靠性。五、心得体会本次试验中，我复习了上学期的通信原理知识，补上了理论课上忽略的知识漏洞，理解了信源和信道编码的本质。我还学会了使用matlab中的循环控制语句，并了解了matlab作为专业的数学软件，其库函数是多么的强大。在本次试验中

16、我还第一次在matlab中使用了函数，感觉到了m语言和c语言的共同之处。6、 实验代码close all; clear all;clc; %1 均匀量化 %八级均匀量化fs=3200; %ps:为能被32整除，选择了3200t=0:1/fs:1; xt=0.99999999*sin(2*pi*t);%32hz采样t_sample=0:1/32:1;xt_sample=downsample(xt,fs/32);%对xt（3200hz）进行量化xqv,=quantify(xt,3); %第一幅图：输入信号与量化信号figure(1);plot(t,xt);hold on;grid on;plot(

17、t,xqv,r);title(输入信号与量化信号);xlabel(t(s);legend(输入信号,量化后样值); %对抽样后的信号进行均匀量化xqv,xqe,=quantify(xt_sample,3);%第二幅图：采样量化信号figure(2);subplot(211);plot(t,xt,k);hold on;grid on;stem(t_sample,xt_sample,b.);hold on;stem(t_sample,xqv,r.);title(采样后样值和八级均匀量化后的样值);xlabel(t(s);legend(输入信号,采样后样值,量化后样值);subplot(212);s

18、tem(t_sample,xqe,r.);title(八级均匀量化的量化误差);xlabel(t(s);grid on; %均匀量化信噪比随编码位数的变化bit=2:8; snr=zeros(1,7);for i=1:7 ,snr(i)=quantify(xt,i+1);end;figure(3);plot(bit,snr,b:d);hold on;grid on;plot(bit,20*log10(2.bit),r:d);legend(仿真值,理论值);title(均匀量化信噪比随编码位数的变化);xlabel(编码位数(bit);ylabel(量化信噪比(db); %量化信噪比随信号衰减的

19、变化情况r=0:5:50;%功率衰减比特数bit=3,8,12;snr=zeros(3,length(r);%三行信噪比分别对应3bit 8bit 12bita=zeros(1,length(r);for j=1:3 for i=1:length(r) a(i)=1/(10.(r(i)/20); %按功率强度衰减后的幅度 ,snr(j,i)=quantify(a(i)*xt,bit(j); endend%第四幅图figure(4);plot(r,snr(1,:),r-d);hold on;grid on;plot(r,snr(2,:),b-d);xlabel(信号衰减（db）);ylabel(

20、量化信噪比(db);plot(r,snr(3,:),k-d);legend(3bit均匀量化,8bit均匀量化,12bit均匀量化);title(量化信噪比随信号衰减的变化情况); % 2.a律压扩量化(模拟)a=87.6;xt_alaw=alaw(xt,a);%第五幅图figure(5);subplot(311);plot(t,xt);hold on;grid on;plot(t,xt_alaw,r);legend(原信号,压扩后信号);xlabel(t(s);title(a律扩量后的信号); %32hz抽样，再进行八级均匀量化xt_alaw_sample=downsample(xt_ala

21、w,fs/32);xqv,xqe,=quantify(xt_alaw_sample,3);subplot(312);stem(t_sample,xt_alaw_sample,b.);hold on;grid on;stem(t_sample,xqv,r.);legend(压扩采样后样值,量化后样值);xlabel(t(s);title(采样样值及均匀量化后的样值);subplot(313);stem(t_sample,xqe,r.);xlabel(t(s);title(量化误差);grid on; % a律压扩量化r=0:5:50; %功率衰减bit=8,12;snr=zeros(2,leng

22、th(r);snr1=zeros(2,length(r);a=zeros(1,length(r);for j=1:2 for i=1:length(r) a(i)=1/(10.(r(i)/20); ,snr1(j,i)=quantify(alaw(a(i)*xt,87.6),bit(j); ,snr(j,i)=quantify(a(i)*xt,bit(j); endendfigure(6);plot(r,snr(2,:),r-d);hold on;grid on;plot(r,snr(1,:),b-d);title(量化信噪比随信号衰减的变化情况);xlabel(信号衰减（db）);ylabe

23、l(量化信噪比(db);plot(r,snr1(1,:),k-d);plot(r,snr1(2,:),c-d);legend(12bit均匀量化,8bit均匀量化,8bita律压扩量化,12bita律压扩量化);%均匀量化 量化后数组，量化误差，量化信噪比=quantify（输入数组，量化位数） function xqv,xqe,snr=quantify(x,n)%量化级数m=2n;%量化间隔，固定x变化范围为（-1,1）delta=2/m; signal=sign(x);%去尾化整，量化区间左端点q=fix(abs(x)/delta);%区间中点xqv=signal.*(q*delta+de

24、lta/2); xqe=x-xqv; s=mean(x.2);%功率n=mean(xqe.2);snr=10*log10(s./n);%a律压扩量化函数：输出=alaw（输入，a值）function y=alaw(x,a)y=zeros(1,length(x);for i=1:length(x); if abs(x(i)=1/a y(i)=a*x(i)/(1+log(a); else y(i)=sign(x(i).*(1+log(a*abs(x(i)/(1+log(a); endend实验三 数字信号的基带传输的仿真设计1、 系统模型2、 教学目的1、 掌握基带信号的功率谱密度方法。2、掌握数

25、字基带传输系统的误码率计算。3、理解码间干扰和信道噪声对眼图的影响。3、 仿真内容1. 基带信号采用不归零矩形脉冲或升余弦滚降波形，基带信号的功率谱密度分析。2. 误码率的计算：a/和误码率之间的性能曲线3. 眼图的生成4、 仿真步骤及结果1、 基带信号采用矩形脉冲和根号升余弦信号波形时的功率谱，固定信息速率 1bps1） 画出二进制不归零矩形脉冲的时域波形和功率谱。2） 画出二进制滚降系数为1的滚降频谱对应的时域波形和功率谱2、误码率的计算随机产生106个二进制信息数据，采用双极性码，映射为a。随机产生高斯噪声(要求a/为012db)， 叠加在发送信号上， 直接按判决规则进行判决， 然后与原

26、始数据进行比较，统计出错的数据量，与发送数据量相除得到误码率。画出a/和误码率之间的性能曲线， 并与理论误码率曲线相比较。3、绘制波形和眼图1) 设基带信号波形为滚降系数为1的升余弦波形，符号周期ts = 1，试绘出不同滚降系数a = 0.25 , 0.5, 0.75, 1 时的时域脉冲波形。2) 随机生成一系列二进制序列，选择a = 1的升余弦波形，画出多个信号的波形。3）通过高斯白噪声信道，选择a=1的升余弦波形，分别绘制出无噪声干扰以及信噪比为30、20、10、0db时的眼图。5、 思考题1、 数字基带传输系统的误码率与哪些因素有关？答：基带传输系统的误码率与码间串扰及噪声有关。2、 码

27、间干扰和信道噪声对眼图有什么影响？答： 无码间串扰时，眼图显示出一只睁开的、线细而清晰的大眼睛；而在存在码间串扰时，则会看到扫描线不完全重合、眼睛张开的小且不端正。3、 观察不同滚降系数对时域波形的影响。答： a=0时，传输特性同理想低通一样，因此时域波形是双极性不归零矩形信号；随着a越来越大，时域波形的拖尾幅度越小、衰减越快；a=1时，时域波形最窄，拖尾幅度按三次方衰减。4、 基带信号类型不同时，信号频谱有什么不同？答：基带信号类型主要包括单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码等。其中单极性的均有直流分量，即在频谱零点直流处有冲击，而双极性没有。不归零码的频谱零点带宽等于

28、1/ts,也就是码元宽度的倒数，而归零码的第一零点带宽还与占空比有关。6、 心得与体会本次试验中，我复习了上学期的通信原理知识，补上了理论课上忽略的知识漏洞，理解了无码间串扰传输系统设计方法的本质。7、 实验代码close all; clear all;clc;%1000个码元，每周期采样100次n_sample=100;n_num=1000;t=0:1/n_sample:n_num-1/n_sample;%循环多次求功率谱密度 periodogramst=0;for i=1:20 d=2*randi(2,n_num,1)-3; st_bb=rectpulse(d,n_sample); win

29、dow=boxcar(length(st_bb); pxx,f=periodogram(st_bb,window,216,n_sample); st=st+pxx;endst=st/20;%累加后求均值figure(1);subplot(211);plot(t,st_bb);axis(0 15 -1.5 1.5);grid on;title(基带信号波形);xlabel(t(s);ylabel(mt);subplot(212);plot(-1*flipud(f);f,0.5*flipud(st);st);axis(-8 8 0 2);grid on;title(基带信号功率谱);xlabel(

30、f(hz); st_rc=rcosflt(d,1,50,fir,1,1);figure(2);subplot(311);stem(d);axis(0 35 -1.5 1.5);grid on;title(双极性码);xlabel(t(s);subplot(312);plot(0:1/50:35-1/50,st_rc(1:35*50);axis(0 35 -1.5 1.5);grid on;title(经升余弦滚降(a=1);xlabel(t(s);ylabel(s);%循环求功率谱st1=0;for i=1:5d=2*randi(2,n_num,1)-3;st_rc=rcosflt(d,1,4

31、0,fir,1,1);window=boxcar(length(st_rc);px1,f=periodogram(st_rc,window,216,n_sample);st1=st1+px1;endst1=st1/5;subplot(313);plot(-1*flipud(f);f,0.5*flipud(st);st);axis(-8 8 0 2);grid on;title(功率谱密度（a=1）);xlabel(f(hz); n=106;snr_db=-2:12;ber=zeros(1,length(snr_db);for i=1:length(snr_db)d=2*randi(2,n,1)

32、-3;dwn=awgn(d,snr_db(i); %加噪声d_r=sign(dwn); %以0为门限判决ber(i)=length(find(d=d_r)/n; %查询错误码元个数endpe=0.5*erfc(sqrt(10.(snr_db/10)/2); %无码间串扰基带传输系统误码率理论值 p218figure(3);semilogy(snr_db,ber,k*);hold on;grid on;semilogy(snr_db,pe,r-);legend(ber,ber_theory);title(无码间串扰基带传输系统抗噪性能);xlabel(snr(db);ylabel(ber); f

33、igure(4);a=1:-0.25:0.25;for i=1:4 subplot(2,2,i); ht=rcosflt(1,1,200,fir/sqrt,a(i),3); plot(ht);axis(0 1200 -0.03 0.10);title(滚降信号时域波形，a= num2str(a(i);grid on;end s_n=awgn(st_rc,30);eyediagram(s_n,40*4,40);title(snr=40db,a=1);s_n=awgn(st_rc,20);eyediagram(s_n,40*4,40);title(snr=20db,a=1);s_n=awgn(st

34、_rc,10);eyediagram(s_n,40*4,40);title(snr=10db,a=1);s_n=awgn(st_rc,5);eyediagram(s_n,40*4,40);title(snr=5db,a=1);实验四 数字信号频带传输的仿真设计1、 实验目的：1. 理解基带信号和2psk信号波形及其功率谱密度的仿真方法。2. 理解数字调制的频谱搬移和频带利用率等频率特性。3. 生成qpsk信号的星座图，进而理解信号星座图对于确定判决区域的作用。2、 仿真内容：1. 基带信号采用不归零矩形脉冲，生成 2psk 信号的时域波形和功率谱密度。2. 生成 qpsk 信号的时域波形和功率

35、谱密度。3. qpsk 接收信号的星座图。4. 仿真 qpsk 系统的误码率。三、4psk系统模型4、 实验步骤1、 基带信号采用不归零矩形脉冲， 生成基带信号和 2psk 信号的时域波形和功率谱密度。2、4psk系统的调制和解调原理随机产生105个二进制信息数据，串并变换后进行4psk调制。随机产生信道高斯噪声(要求eb/no为-210db)，采用最佳接收，按判决规则进行判决，然后与原始数据进行比较，统计出错的数据量，与发送数据量相除得到误码率。画出ebno和误比特率之间的性能曲线，并与理论值相比较。3、接收信号星座图绘制发送端qpsk信号的星座图； 绘制出信噪比为10db和5db时的接收信

36、号星座图。5、 思考题：1、 随eb/no着的增大，4psk系统的误码率如何变化？为什么？答：误码率减小。不为什么。2、基带信号采用不归零矩形脉冲时，qpsk的频带信号的频带利用率是多少？如果基带信号采用滚降频谱特性的波形时频带利用率又是多少？答：2 baud /hz 2/(1+a)baud/hz3、 试从qpsk系统的接收信号星座图来解释如何进行判决？答：从qpsk眼图的复平面上看，最佳判决应为实轴正半轴、虚轴负半轴、实轴负半轴、虚轴负半轴。6、 心得体会为期一周的实训结束了，我感觉这一周过得非常的充实，学到了一些课堂上学不到的知识，并巩固了一些通信原理的知识，将理论与实践结合了起来。7、

37、实验代码close all;clear;clc;%100个码元 fc=8;fm=1;fs=128;num=1000;t=0:1/fs:num/fm-1/fs;st1=0;st2=0;for j=1:50 d=(2*randi(2,num,1)-3);%产生随机双极性码 st_bb=rectpulse(d,fs/fm); st_2psk=st_bb.*sin(2*pi*fc*t); window=boxcar(length(st_bb); pxx1,=periodogram(st_bb,window,216,fs/fm); pxx2,f=periodogram(st_2psk,window,216,fs/fm); st1=st1+pxx1;st2=st2+pxx2;end;st1=st1/50;st2=st2/50;%累加后求均值figure(1);subplot(411);plot(t,st_bb);axis(0 10 -1.4 1.4);grid on;xlabel(t);ylabel(mt);title(基带信号波形);subplot(412);plot(t,st_2psk);axis(0 10 -1.4 1.4);grid on;xlabel(t);ylabel(mt);title(bpsk信号波形);subplot(413);plot(-1*