杭电 通信原理实验报告

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通信原理实验报告2012-2013（上）姓名学号专业 实验一：MATLAB验证低通抽样定理实验目的1、掌握抽样定理的工作原理。2、通过MATLAB编程实现对抽样定理的验证，加深抽样定理的理解。同时训练应用计算机分析问题的能力。3、了解MATLAB软件，学习应用MATLAB软件的仿真技术。它主要侧重于某些理论知识的灵活运用，以及一些关键命令的掌握，理解，分析等。4、计算在临界采样、过采样、欠采样三种不同条件下恢复信号的误差，并由此总结采样频率对信号恢复产生误差的影响，从而验证时域采样定理。程序设计整个程序由三部分组成：主函数、采样函数、恢复函数。主函数中：f1='sin(2*pi*80*t)+cos（2*pi*30*t）'；//用来画出原信号fs0=caiyang(f1,x)；//用来获得采样信号fr0=huifu(fs0,x)；//用来获得恢复信号fs0和fr0中的x即为人为所设定的采样频率。采样函数中：初始设定fs0=10000;tp=0.1；f=[fs0*k2/m2,fs0*k1/m1];//设置原信号的频率数组FX1=fx1*exp(-j*[1:length(fx1)]'*w)；//求原信号的离散时间傅里叶变换。axis([min(t),max(t),min(fx1),max(fx1)])；//画原信号幅度频谱axis([-100,100,0,max(abs(FX1))+5])；//对信号进行采样Ts=1/fs;//采样周期t1=-tp:Ts:tp;//采样时间序列f1=[fs*k2/m2,fs*k1/m1];//设置采样信号的频率数组t=t1;//变量替换fz=eval(fy);//获取采样序FZ=fz*exp(-j*[1:length(fz)]'*w);//采样信号的离散时间傅里叶变换恢复函数中：T=1/fs;dt=T/10;tp=0.1;fh=fz*sinc(fs*TMN);//由采样信号恢复原信号w=[-2*pi*k2/m2,2*pi*k1/m1];FH=fh*exp(-j*[1:length(fh)]'*w);//恢复后的信号的离散时间傅里叶变换line([min(t),max(t)],[0,0])//画重构信号的幅度频谱实验步骤1、安装MATLAB6.5软件2、学习简单编程，画图plot（x,y）函数等 3、设置原信号的幅度、频率、相位等参数，具体表现为原信号的函数：(x)=sin(2*pi*80*t)+cos(2*pi*30*t)，并画出连续时间信号的时域波形及其幅频特性曲线，如下:4、在不同采样频率下对信号进行采样得到采样序列，并对采样序列进行频谱分析，绘制其幅频曲线：1)当采样频率为80Hz：为欠采样，采样信号发生混叠。2)当采样频率为160Hz：为临界采样，采样频率刚好不发生混叠。 1)采样频率为180Hz：为过采样，采样信号中的频谱不发生混叠。5、由采样序列恢复出连续时间信号，画出其时域波形，对比与原连续时间信号的时域波形。①　采样频率为80Hz:此时为原信号的欠采样信号恢复，即fs<2fm，此频率下由于采样频率不满足时域采样定理，频移后的各相临频谱重叠，即采样信号中的频谱发生混叠，导致无法恢复原信号。 ①　采样频率为160Hz：此时为临界采样的信号恢复，即fs=2fm，此频率下刚好满足时域采样定理，采样信号的频谱刚好不发生混叠，由图可见，这时可以恢复出原信号，但是只恢复出了低通是的信号，不能恢复出完整信号。②　采样频率为180Hz：此时为过采样恢复出的信号，即fs>2fm，此频率下完全满足时域采样定理，完全不发生混叠，由图可以看出，这时候信号已经完全被恢复，与原信号误差较小。此时的采样是成功的，而且时域波形包含的信息比采样脉冲序列包含的细节要多，使原信号可以得到无失真的重建。 思考题如果要求画出sin(2*pi*120*t)波形的采样和恢复图形，只需将main程序中f1='sin(2*pi*80*t)+cos(2*pi*30*t)'改为f1='sin(2*pi*120*t)'.1、得到原信号波形和频谱图为：2、当采样频率为200Hz，得到取样信号和幅度频谱图为： 恢复后的信号波形和频谱图为：1、当采样频率为240Hz时，得到的采样信号和幅度频谱图为： 恢复的波形和频谱图为：1、当采样频率为280，得到的采样频率和幅度频谱为： 恢复后的信号波形和频谱为：实验心得 抽样定理是通信原理中十分重要的定理之一，是模拟信号数字化的理论基础。当采样频率小于原信号最高频率的两倍时为欠采样，此时采样信号有混叠，无法恢复出原始信号；当采样频率等于原信号最高频率的两倍时为临界采样，此时采样信号刚好不发生混叠，理论上可以恢复出原始信号，但从图可以看出，只恢复出了低通部分的信号；当采样频率大于原信号最高频率的两倍时为过采样，此时采样信号完全不发生混叠，原信号可以较好地被恢复。实验二：数字基带信号的波形与功率谱密度实验实验目的1、掌握数字基带码型有关概念及设计原则2、了解单极性码、双极性码、归零码和不归零码的波形特点3、掌握AMI和HDB3码的编码规则4、掌握各种基带码功率谱特性程序设计主程序：先对参数进行初始化：Ts=1;//码元周期N_sample=8;//每个码元的抽样点数dt=Ts/N_sample;//抽样时间间隔N=30;//码元数t=0:dt:(N*N_sample-1)*dt;T=t(end);Again=100;//迭代次数然后对数据进行初始化：rz_code=zeros(1,length(t));//单极性RZ码初始化nrz_code=zeros(1,length(t));//单极性NRZ码初始化drz_code=zeros(1,length(t));//双极性RZ码初始化dnrz_code=zeros(1,length(t));//双极性NRZ码初始化ami_code=zeros(1,length(t));//双极性AMI归零码初始化hdb3_code=zeros(1,length(t));//双极性HDB3归零码初始化ami_code_n=zeros(1,length(t));//双极性AMI不归零码初始化hdb3_code_n=zeros(1,length(t));//双极性HDB3不归零码初始化datab=zeros(1,2*N);datad=zeros(1,2*N);ami_data=zeros(1,2*N);//AMI码数据初始化hdb3_data=zeros(1,2*N);//HDB3码数据初始化Sum_RZ=zeros(1,N*N_sample);//RZ码功率值初始化Sum_dRZ=zeros(1,N*N_sample);//双极性RZ码功率值初始化Sum_AMI=zeros(1,N*N_sample);//AMI归零码功率值初始化Sum_HDB3=zeros(1,N*N_sample);//HDB3归零码功率值初始化Sum_NRZ=zeros(1,N*N_sample);//NRZ码功率值初始化Sum_dNRZ=zeros(1,N*N_sample);//双极性NRZ码功率值初始化 Sum_AMI_N=zeros(1,N*N_sample);//AMI不归零码功率值初始化Sum_HDB3_N=zeros(1,N*N_sample);//HDB3不归零码功率值初始化然后依次对各个码进行处理，如：forj=1:2*Nrz_code((j-1)*N_sample/2+1:j*N_sample/2)=datab(j);drz_code((j-1)*N_sample/2+1:j*N_sample/2)=datad(j);ami_code((j-1)*N_sample/2+1:j*N_sample/2)=ami_data(j);hdb3_code((j-1)*N_sample/2+1:j*N_sample/2)=hdb3_data(j);调用程序：function[f,sf]=T2F(t,st)dt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(st);f=(-N/2*df):df:((N/2*df)-df);sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);functiony=hdb3(x)n=length(x);last_V=-1;last_one=-1;y=zeros(size(x));count=0;fori=1:n;ifx(i)==1;y(i)=-last_one;last_one=y(i);count=0;elsecount=count+1;ifcount==4;count=0;y(i)=-last_V;last_V=y(i);ify(i)*last_one==-1y(i-3)=y(i);endlast_one=y(i);endendend//对HDB3码进行处理functiony=ami(x)n=length(x);last_one=-1; y=zeros(size(x));forr=1:nifx(r)==1y(r)=-last_one;last_one=y(r);endend//对AMI码进行处理实验步骤1．安装MATLAB6.5软件2．学习简单编程，画图plot（x,y）函数等3．利用MATLAB软件，编写.M文件，随机产生一组单极归零（RZ）码与单极非归零（NRZ）码，并得出功率谱，如下所示：4．利用MATLAB软件，编写.M文件，随机产生一组双极性归零码与双极性非归零码，并得出功率谱,如下： 1．根据已产生的RZ码，通过AMI和HDB3编码规则，利用.M文件产生AMI码与HDB3码，如下：2．根据已产生的NRZ码，通过AMI和HDB3编码规则，利用.M文件产生AMI码与HDB3码，如下： 1．得出上述两种情况下产生的AMI码与HDB3的功率谱，如下： 实验心得1、单极性不归零码的编码规则是用高电平和低电平（这里为零电平）分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。2、单极性归零码的编码规则与单极性不归零码不同的是，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。3、双极性码的特点与单极性码不同的地方是，双极性码中，+1和-1交替出现。4、AMI码的编码规则是“0”码不变，“1”码则交替地转换为＋1和－1。由于AMI码的传号交替反转，故由于它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分。它的频谱A显示MI码的能量集中于f0/2处(f0为码速率)。5、HDB3的编码规则如下：用B脉冲来保证任意两个相连取代节的V脉冲间“1”的个数为奇数。当相邻V脉冲间“1”码数为奇数时，则用“000V”取代，为偶数个时就用“B00V”取代。在V脉冲后面的“1”码和B码都依V脉冲的极性而正负交替改变。在HDB3码中，相邻两个V码之间或是其余的“1”码之间都符合交替变号原则，故它的频谱须符合这些特点。 实验三数字基带信号的眼图实验一、实验目的1、掌握无码间干扰传输的基本条件和原理，掌握基带升余弦滚降系统的实现方法；2、通过观察眼图来分析码间干扰对系统性能的影响，并观察在输入相同码率的NRZ基带信号下，不同滤波器带宽对输出信号码间干扰大小的影响程度；3、熟悉MATLAB语言编程。二、实验预习要求1、复习《数字通信原理》第七章7.1节——奈奎斯特第一准则内容；2、复习《数字通信原理》第七章7.2节——数字基带信号码型内容；3、认真阅读本实验内容，熟悉实验步骤。三、实验原理和电路说明1、基带传输特性基带系统的分析模型如图3-1所示，要获得良好的基带传输系统，就应该图3-1基带系统的分析模型抑制码间干扰。设输入的基带信号为，为基带信号的码元周期，则经过基带传输系统后的输出码元为。其中（3-1）理论上要达到无码间干扰，依照奈奎斯特第一准则，基带传输系统在时域应满足：(3-2)频域应满足： (3-3)图3-2理想基带传输特性此时频带利用率为,这是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。由于理想的低通滤波器不容易实现，而且时域波形的拖尾衰减太慢，因此在得不到严格定时时，码间干扰就可能较大。在一般情况下，只要满足：(3-4)基带信号就可实现无码间干扰传输。这种滤波器克服了拖尾太慢的问题。从实际的滤波器的实现来考虑，采用具有升余弦频谱特性时是适宜的。(3-5)这里称为滚降系数，。所对应的其冲激响应为：(3-6) 此时频带利用率降为，这同样是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。换言之，若输入码元速率，则该基带传输系统输出码元会产生码间干扰。2、眼图所谓眼图就是将接收滤波器输出的，未经再生的信号，用位定时以及倍数作为同步信号在示波器上重复扫描所显示的波形（因传输二进制信号时，类似人的眼睛）。干扰和失真所产生的畸变可以很清楚的从眼图中看出。眼图反映了系统的最佳抽样时间，定时的灵敏度，噪音容限，信号幅度的畸变范围以及判决门限电平，因此通常用眼图来观察基带传输系统的好坏。图3-3眼图示意图四、仿真环境WindowsNT/2000/XP/Windows7/VISTA；MATLABV6.0以上。五、仿真程序设计1、程序框架图3-4程序框架首先，产生M进制双极性NRZ码元序列，并根据系统设置的抽样频率对该NRZ码元序列进行抽样，再将抽样序列送到升余弦滚降系统，最后画出输出码元序列眼图。2、参数设置 该仿真程序应具备一定的通用性，即要求能调整相应参数以仿真不同的基带传输系统，并观察输出眼图情况。因此，对于NRZ码元进制M、码元序列长度Num、码元速率Rs，采样频率Fs、升余弦滚降滤波器参考码元周期Ts、滚降系数alpha、在同一个图像窗口内希望观测到的眼图个数Eye_num等均应可以进行合理设置。3、实验内容根据现场实验题目内容，设置仿真程序参数，编写仿真程序，仿真波形，并进行分析给出结论。4、仿真结果参考参考例程参数设置如下：无码间干扰时：Ts=1e-2;%升余弦滚降滤波器的理想参考码元周期，单位sFs=1e3;%采样频率，单位Hz。注意：该数值过大将%严重增加程序运行时间Rs=50;%输入码元速率，单位BaudM=2;%输入码元进制Num=100;%输入码元序列长度。注意：该数值过大将%严重增加程序运行时间Eye_num=2;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。图3-5(a)仿真参考结果图（1） 图3-5(b)仿真参考结果图（2）图3-5(c)仿真参考结果图（3）从眼图张开程度可以得出没有发生码间干扰，这是因为基带信号的码元速率Rs为50Baud，而升余弦滚降滤波器和FIR滤波器的等效带宽B=60Hz（Ts=10ms），Rs<2B，满足了奈奎斯特第一准则的条件。有码间干扰时：Ts=5*(1e-2);%升余弦滚降滤波器的参考码元周期，单位sFs=1e3;%采样频率，单位Hz。注意：该数值过大将 %严重增加程序运行时间Rs=50;%输入码元速率，单位BaudM=2;%输入码元进制Num=100;%输入码元序列长度。注意：该数值过大将%严重增加程序运行时间Eye_num=2;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。图3-5(d)仿真参考结果图（4）眼图基本闭合，存在较为严重的码间干扰，这是因为码元速率Rs虽然仍为50Baud，但滤波器等效带宽已经变为12Hz（Ts=50ms），Rs>2B不再满足奈奎斯特第一准则。多进制码元情况： 图3-6四进制NRZ码元眼图六、参考程序closeall;alpha=0.2;%设置滚降系数，取值范围在[0,1]Ts=1e-2;%升余弦滚降滤波器的参考码元周%期,Ts=10ms,无ISI。%Ts=2*(1e-2);%Ts=20ms,已经出现ISI（临界点）%Ts=5*(1e-2);%Ts=50ms,出现严重ISIFs=1e3;%采样频率，单位Hz。注意：该数%值过大将严重增加程序运行时间Rs=50;%输入码元速率，单位Baud%M=2;M=4;%输入码元进制Num=100;%输入码元序列长度。注意：该数值%过大将严重增加程序运行时间。Samp_rate=Fs/Rs%采样率，应为大于1的正整数，即%要求Fs,Rs之间呈整数倍关系%Eye_num=2;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。 Eye_num=4;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。%产生双极性NRZ码元序列NRZ=2*randint(1,Num,M)-M+1;figure(1);stem(NRZ);xlabel('时间');ylabel('幅度');holdon;gridon;title('双极性NRZ码元序列');%对双极性NRZ码元序列进行抽样k=1;forii=1:Numforjj=1:Samp_rateSamp_data(k)=NRZ(ii);k=k+1;endend%基带升余弦滚降系统冲激响应[ht,a]=rcosine(1/Ts,Fs,'fir',alpha);%画出基带升余弦滚降系统冲激响应波形figure(2);subplot(2,1,1);plot(ht);xlabel('时间');ylabel('冲激响应');holdon;gridon;title('升余弦滚降系统冲激响应,滚降因子alpha=0.2');%将信号送入基带升余弦滚降系统，即做卷积操作st=conv(Samp_data,ht)/(Fs*Ts);subplot(2,1,2);plot(st);xlabel('时间'); ylabel('信号幅度');holdon;gridon;title('经过升弦滚降系统后的码元')%画眼图，在同一个图形窗口重复画出一个或若干个码元figure(3);fork=10:floor(length(st)/Samp_rate)-10%不考虑过渡阶段信号，只观测稳定阶段ss=st(k*Samp_rate+1:(k+Eye_num)*Samp_rate);plot(ss);holdon;endxlabel('时间');ylabel('信号幅度');holdon;gridon;title('基带信号眼图');%eyediagram(st,Samp_rate);%xlabel('时间');%ylabel('信号幅度');%holdon;%gridon;%title('基带信号眼图');实验心得1、信道中存在噪声，信道，接收发滤波器的传输特性的不理想性。2、眼图的睁开度与码间干扰成负相关性，与信道噪声成正相关性。3、通信原理实验是通信原理课程学习不可或缺的一部分，是我通过实践检验理论的一个重要的过程。在实验中，我发现，并不是所有的实验现象都跟书本上预测的一样，多数是有较小差别的。通过做实验，我再一次学习了基本原理，能够通过观察眼图来分析码间干扰对系统性能的影响，并观察在输入相同码率的NRZ基带信号下，不同滤波器带宽对输出信号码间干扰大小的影响程度。