湘潭大學通信原理實驗第一次

1、湘潭大學通信原理實驗報告書課程名稱： 通信原理 題目： 數字基帶傳輸系統的MATLAB仿真模擬信號幅度調制仿真實驗學生姓名： 唐緒泉 學號： 2010964530 班級： 2010級通信工程班 指導教師： 王仕果 2012年12 月實驗一 數字基帶傳輸系統的MATLAB仿真一 、實驗目的：1、熟悉和掌握常用的用于通信原理時域仿真分析的MATLAB函數； 2、掌握連續(xù)時間和離散時間信號的MATLAB產生； 3、牢固掌握沖激函數和階躍函數等函數的概念，掌握卷積表達式及其物理意義，掌握卷積的計算方法、卷積的基本性質； 4、掌握利用MATLAB計算卷積的編程方法，并利用所編寫的MATLAB程序驗證卷積

2、的常用基本性質； 5、掌握MATLAB描述通信系統中不同波形的常用方法及有關函數，并學會利用MATLAB求解系統功率譜，繪制相應曲線。 二 、實驗內容 1、編寫MATLAB程序產生離散隨機信號 2、編寫MATLAB程序生成連續(xù)時間信號 3、編寫MATLAB程序實現常見特殊信號三 、實驗原理：從通信的角度來看，通信的過程就是消息的交換和傳遞的過程。而從數學的角度來看，信息從一地傳送到另一地的整個過程或者各個環(huán)節(jié)不外乎是一些碼或信號的交換過程。例如信源壓縮編碼、糾錯編碼、AMI編碼、擾碼等屬于碼層次上的變換，而基帶成形、濾波、調制等則是信號層次上的處理。碼的變換是易于用軟件來仿真的。要仿真信號的變

3、換，必須解決信號與信號系統在軟件中表示的問題。3.1 信號及系統在計算機中的表示 時域取樣及頻域取樣 一般來說，任意信號s(t)是定義在時間區(qū)間（-，+）上的連續(xù)函數，但所有計算機的CPU都只能按指令周期離散運行，同時計算機也不能處理（-，+）這樣一個時間段。為此將把s(t)按區(qū)間,22TT截短為sT(t)，再對sT(t)按時間間隔t均勻取樣，得到取樣點數為： TNtt= (3-1) 仿真時用這個樣值集合來表示信號s(t)。顯然t反映了仿真系統對信號波形的分辨率，t越小，則仿真的精確度越高。據通信原理所學，信號被取樣以后，對應的頻譜時頻率的周期函數，其重復周期是1t。如果信號的最高頻率為fH，

4、那么必須有fH12t，才能保證不發(fā)生頻域混疊失真。 頻域分析為了方便仿真，我們利用 MATLAB 提供的函數編寫了兩個函數 t2f 和 f2t。t2f 的功能是做傅立葉變換，f2t 的功能是做傅立葉反變換，它們的引用格式分別為 X=t2f(x)及 x=f2t(X)，其中 x 是時域信號 x(t)j截短并采樣所得的取樣值矢量， X是對x(t)的傅立葉變換X(f)截短并采樣所得的取樣值矢量。任意信號 s(t)的功率譜的定義是3.2 與隨機信號產生相關的指令 高斯噪聲的產生由于函數randn(1,N)產生N個互不相關的、均值為零、方差為 1 的高斯隨機數，所以可用它來產生高斯白噪聲。3.2.2 隨機

5、碼序列的產生 語句 round(rand(1,M)產生 M 個取值 1、0 等概的隨機碼。函數 round 表示四舍五入。函數 rand 產生均勻分布于區(qū)間0，1的隨機數。 語句 sign(rand(1,M)產生M 個取值1 等概的隨機碼。函數 sign(x)對矢量 x的元素取正負號，而高斯數 randn 取正負數的概率是相等的。 產生數字隨機信號的一般方法3.3 信號的仿真 連續(xù)時間信號的仿真在通信原理課程中，單位階躍信號u(t) 和單位沖激信號(t) 是二個非常有用的信號。它們的定義如下：這里分別給出相應的簡單的產生單位沖激信號和單位階躍信號的擴展函數。 四、實驗步驟 (1)分析程序 pr

6、ogram1_1 每條指令的作用，運行該程序，將結果保存，貼在下面的空白處。然后修改程序，將 dt 改為 0.2，并執(zhí)行修改后的程序，保存圖形，看看所得圖形的效果怎樣。程序如下：clear, close all; /清除，關閉所有窗口dt=0.01; /取點間隔為0.01t=-2:dt:2; /取點范圍為-22x= sin(2*pi*t);plot(t,x) /畫出X的波形圖title(唐緒泉羅力瑞)xlabel(Time t(sec)dt=0.01 時的信號波形 -2-1.5-1-0.500.511.52-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81唐緒泉羅力瑞Time t

7、 (sec)dt=0.2 時的信號波形-2-1.5-1-0.500.511.52-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81唐緒泉羅力瑞Time t (sec)請問：上述的兩幅圖形有什么區(qū)別，哪一副圖形看起來更接近于實際信號波形？為什么會有這種區(qū)別？ 答： 第一幅圖看起來比較圓滑，與實際圖形更加接近。(2)修改program1_1,，存盤程序名為Q1_2，生成實指數信號x(t)=。要求在圖形中加上網格線，并使用函數axis()控制圖形的時間范圍在02秒之間。然后執(zhí)行該程序，保存所的圖形。 修改Program1_1后得到的程序Q1_2如下： %program1_1% This

8、 program is used to generate a sinusoidal signal and draw its plot clear, % Clear all variables close all, % Close all figure windows dt = 0.01; % Specify the step of time variable t = 0:dt:2;% Specify the interval of time x = exp(-2*t); % Generate the signal plot(t,x) % Open a figure window and dra

9、w the plot of x(t) title(唐緒泉羅力瑞) xlabel(Time t (sec)grid on; 圖形結果如下：00.20.40.60.811.21.41.61.8200.10.20.30.40.50.60.70.80.91唐緒泉羅力瑞Time t (sec)(3)將前文中所給的單位沖激信號和單位階躍信號的函數文件在 MATLAB 文件編輯器中編寫好，并分別以文件名 delta和u 存入 work文件夾中以便于使用。 抄寫函數文件 delta 如下： 抄寫函數文件u 如下：% delta function % Unit step functionfunction y =

10、 delta(t) function y = u(t)dt = 0.01; y = (t=0); % y = 1 for t 0, else y = 0y = (u(t)-u(t-dt)/dt; (4) 修改程序Program1_4，并以Q1_4為文件名存盤，利用axis()函數，將圖形窗口的橫坐標范圍改為-2n5，縱坐標范圍改為-1.5 x 1.5。 修改Program1_4后得到的程序Q1_4如下： % Program1_4 % This program is used to generate a discrete-time sinusoidal signal % and draw its

11、 plot clear, % Clear all variables close all, % Close all figure windows n = -5:5; % Specify the interval of time x = zeros(1,4), 0.1, 1.1, -1.2, 0, 1.3, zeros(1,2); % Generate the sequence title(唐緒泉羅力瑞)stem(n,x,filled,r) % Open a figure window and draw the plot of xn grid on,信號波形圖如下： -5-4-3-2-10123

12、45-1.5-1-0.500.511.5唐緒泉羅力瑞 修改過后的圖形如下：-2-1012345-1.5-1-0.500.511.5唐緒泉羅力瑞(5)根據示例程序的編寫方法，編寫一個MATLAB程序，以Q1_5文件名存盤，給給定信號 x(t) = u(t) ,求信號y(t)=x(1.5t+3)，并繪制出x(t)和y(t)的圖形。 編寫的程序 Q1_5 如下： % Program1_5% This program is used to implement the time-shift operation% on a continuous-time signal and to obtain its

13、time-shifted versions% and to draw their plots.clear,close all,t = -5:0.01:5;x =exp(-0.5*t).*u(t); % Generate the original signal x(t)x1 =exp(-0.75*t+3).*u(1.5*t+3); % Shift x(t) to the left by 2 second to get x1(t)subplot(311)plot(t,x) % Plot x(t)grid on,title (唐緒泉羅力瑞)subplot (312)plot (t,x1) % Plo

14、t x1(t)grid on,title (唐緒泉羅力瑞)-5-4-3-2-101234500.51唐緒泉羅力瑞-5-4-3-2-1012345050100唐緒泉羅力瑞實驗二 模擬信號幅度調制仿真實驗一、實驗目的 1. 加深對模擬線性調制的原理與實現方法的理解； 2. 掌握 AM、DSB、SSB 功率譜密度函數的特點，并進行對比； 3. 掌握 MATLAB基本指令的使用； 4. 掌握 MATLAB中 M 文件的調試以及子函數調用的方法。 二、實驗內容 1. 復習 AM、DSB 和SSB 調制的相關原理2. 編寫 MATLAB 程序實現 AM 調制； 3. 編寫 MATLAB 程序實現 DSB調

15、制； 4. 編寫 MATLAB 程序實現 SSB 調制。三、實驗原理調制是一個將信號變換成適于在信道傳輸的過程。由于信源的特性與信道的特性可能不匹配，直接傳輸可能嚴重影響傳輸質量。模擬調制針對的信源為模擬信號，常用的模擬調制有調幅、調相、調頻。本次實驗進行的是模擬信號的幅度調制。 幅度調制是由調制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調制信號做線性變化的過程。由于已調信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律呈正比地變化，這一特點反映在頻譜結構上，表現為已調信號的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內的簡單搬移。所以，幅度調制通常又稱為線性調制。幅度調制包括AM、DSB和SSB調制。 調幅(AM)是標準調幅，也就是常規(guī)雙邊

16、帶調制。假設調制信號m(t)的平均值為0，將其外加一個直流偏量A0后與載波相乘，即可形成調幅信號。其時域表達式為： 抑制載波的雙邊帶調制(DSB)是一種高調制效率的調制方式，其時域表達式為： 3.1 AM調制 假定基帶信號為一個頻率為1Hz、功率為1的余弦信源m(t)，載波是頻率為10Hz，幅值A=2的余弦信號，在用信源對載波進行常規(guī)調幅的過程中，我們應該做以下工作： % 信源 close all; clear all; dt=0.001;fm=1；fc=10; T=5; t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t); 2. 產生給定的載波信號 如何產生題目要求的頻率

17、為10Hz，幅值A=2的余弦信號，基于與基帶信號產生同樣的思路，這個問題很容易解決。相關的定義請參照1自行定義。 3. 依據調制原理進行AM調制。 根據通信原理相關章節(jié)的學習，我們知道AM調制后的已調信號可表示為： SAM(t)=A0+m(t)cosct 4. 求已調信號的功率譜密度 根據確知信號功率譜求解的方法，我們知道確知信號m(t)的功率譜密度可由如下的公式求解： 也就是說，先求出信號的傅立葉變換，再求出傅立葉變換函數的模的平方，即可得信號的功率譜密度。 3.2 DSB調制 假定基帶信號仍然是一個頻率為1Hz、功率為1的余弦信源m(t)，載波是頻率為10Hz，幅值A=2的余弦信號，用該基

18、帶信號對載波進行DSB調制的過程可概括為以下幾步： 1. 產生給定的基帶信號 2. 產生給定的載波信號 題目要求的頻率為10Hz，幅值A=2的余弦信號的產生方法參見1。 3. 依據調制原理進行DSB調制。 根據通信原理相關章節(jié)的學習，我們知道DSB調制后的已調信號可表示為： 也就是將步驟1產生的基帶信號與步驟2定義的余弦信號直接相乘。 4. 求已調信號的功率譜密度 根據確知信號功率譜求解的方法，我們知道確知信號m(t)的功率譜可由如下的公式求解：也就是說，先求出信號的傅立葉變換，再求出傅立葉變換函數的模的平方，即可得信號的功率譜密度。 3.3 SSB調制 假定基帶信號仍然是一個頻率為1Hz、功

19、率為1的余弦信源m(t)，載波是頻率為10Hz，幅值A=2的余弦信號，用該基帶信號對載波進行SSB調制的過程可概括為以下幾步： 1. 產生給定的基帶信號 2. 產生給定的載波信號 題目要求的頻率為10Hz，幅值A=2的余弦信號的產生方法參見1。 3. 用相移法產生SSB信號 用相移法產生SSB信號，可用以下的表達式表示： 也就是說將基帶信號m(t)本身乘以余弦信號本身，對基帶信號進行希爾伯特變換后與正弦信號相乘，最后將兩個乘積相加即可。在MATLAB程序設計時，先設計出希爾伯特變換函數，再按以上步驟實施，就得到了SSB調制的程序。當然若是不熟悉希爾伯特函數hilbert的使用，可直接將基帶信號

20、相移2，得到正弦信號，直接帶入計算也是可以實現的。相關的程序如上被注釋的程序所示： %s_ssb=mt.*cos(2*pi*fc*t)/2+sqrt(2)*sin(2*pi*fm*t).*sin(2*pi*fc*t)/2; 4. 用濾波法進行SSB調制。 將生成的DSB信號送入理想低通濾波器或者理想帶通濾波器，就可得到相應的下邊帶和上邊帶SSB信號。 設計理想低通或者理想帶通濾波器生成的MATLAB程序，并利用3.2中得到的DSB調制信號，將濾波器的傳輸函數h(t)與SAM(t)卷積，就得到了用濾波法生成的SSB信號。 5. 求已調信號的功率譜密度 根據確知信號功率譜求解的方法，我們知道確知信

21、號m(t)的功率譜可由如下的公式求解： 也就是說，先求出信號的傅立葉變換，再求出傅立葉變換函數的模的平方，即可得信號的功率譜密度。 四、實驗步驟 (1)按照 3.1 所提供的 AM 調制的思路，運行提供的范例程序，存檔為 Q2_1，并將所得的結果存盤，貼在下面空格處。 close all;clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5; t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm;figure(1)subplot(211);plot(t,s_am);hold on;plo

22、t(t,A+mt,r-);title(AM調制信號及其包絡唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);原圖形如下：A=2時波形圖如下：00.511.522.533.544.55-4-2024AM調制信號及其包絡唐緒泉羅力瑞t（2）程序 1 中定義加入的直流分量為A0=2，請在A0的值分別改為 1 和 10，看得到的調制波形會有什么變化？ A0=1 的調制波形 00.511.522.533.544.55-4-2024AM調制信號及其包絡唐緒泉羅力瑞tA0=10 時的調制波形 00.511.522.533.544.55-20-1001020AM調制信號及其包絡唐緒泉羅力瑞t請問，調制波形為什么會有這種變化

23、，這種變化會造成什么影響？答：因為AM信號調制的是幅度，當幅度較低時，是可以正常的。但一旦超過了最高范圍時，就會發(fā)生失真。信號越強，那么位于信號中最高的輸出時間就越長，這種情況就叫信號的阻塞。（3）按照 3.2 所提供的DSB 調制的思路，運行提供的范例程序，存檔為 Q2_2，并將所得的結果存盤，貼在下面空格處。 范例程序如下：close all;clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm;figure(1);subplot(211);p

24、lot(t,s_dsb);hold on;plot(t,mt,r-);title(DSB調制信號唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);DSB調制波形圖如下：00.511.522.533.544.55-2-1012DSB調制信號唐緒泉羅力瑞t（4） 按照3.3所提供的相移法進行SSB調制的思路，運行提供的范例程序， 存檔為Q2_3，并將所得的結果存盤，貼在下面空格處。范例程序如下： close all;clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2).*cos(2*pi*fm*t);%SSB modulation A=2;s_ssb=rea

25、l(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);%s_ssb=mt.*cos(2*pi*fc*t)/2+sqrt(2)*sin(2*pi*fm*t).*sin(2*pi*fc*t)/2;B=fm;figure(1);plot(t,s_ssb);hold on ;plot(t,mt,r-);title(SSB調制信號及其包絡唐緒泉羅力瑞);xlabel(t); axis(0 2 -1.5 1.5);SSB調制信號波形如下：00.20.40.60.811.21.41.61.82-1.5-1-0.500.511.5唐緒泉羅力瑞t（5）按照 3.3 所提供的濾波法進行 SSB 調制的思

26、路，編寫用濾波法實現 SSB 調制的程序，存檔為 Q2_4，并將所得的結果存盤，貼在下面空格處。 （提示：使用 LPF 函數實現濾波） LPF函數為：function t st=lpf(f,sf,B)%用低通濾波器實現濾波%輸入: f: 頻率% sf: 光譜樣本輸入數據% B: 低通濾波器的帶寬%輸出: t: 時間參數% st: 樣本輸出數據的時間df = f(2)-f(1);T = 1/df;hf = zeros(1,length(f);bf = -floor( B/df ): floor( B/df ) + floor( length(f)/2 );hf(bf)=1;yf=hf.*sf;t

27、,st=F2T(f,yf); /傅里葉逆變換函數st = real(st); /取st的實部此程序中調用的F2T函數程序如下：function t,st=F2T(f,sf) % This function calculate the time signal using ifft function for the input % signals spectrum df=f(2)-f(1); Fmx=(f(end)-f(1)+df); dt=1/Fmx; N=length(sf); T=dt*N; %t=-T/2:dt:T/2-dt; t=0:dt:T-dt; sff=fftshift(sf);

28、st=Fmx*ifft(sff);主程序：close all;clear all; dt=0.001; fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); /產生DSB信號B=2*fm;figure(1);subplot(311);plot(t,s_dsb); /顯示DSB信號波形在最上面的子圖hold on; /保持波形plot(t,mt,r-);title(DSB調制信號唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);f_dsb=fft(s_dsb); /DSB信號進行傅里葉變換，由時域轉變到頻域tem

29、p=f_dsb;temp(50:4953)=0; /將DSB頻域信號低頻區(qū)濾除s_ssb=ifft(temp); /濾波后進行傅里葉逆變換，得到上邊帶信號subplot(312);plot(t,s_ssb);hold on;plot(t,mt,r-);title(SSB上邊帶唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);temp=f_dsb;temp(1:49)=0;temp(4953:end)=0; /濾除高頻區(qū)和低頻區(qū)，得到帶通的DSB頻域信號s_ssb=ifft(temp); /傅里葉逆變換得到SSB下邊帶信號subplot(313);plot(t,s_ssb);hold on;plot(t,mt

30、,r-);title(SSB下邊帶唐緒泉羅力瑞);xlabel(t); 實驗結果：00.511.522.533.544.55-202DSB調制信號唐緒泉羅力瑞t00.511.522.533.544.55-202SSB上邊帶唐緒泉羅力瑞t00.511.522.533.544.55-202SS下邊帶唐緒泉羅力瑞t（6）按照實驗原理中介紹的功率譜的計算公式，在同一圖形的四個子圖中，分別畫出基帶信號、AM 調制信號、DSB 調制信號和 SSB 調制信號的功率譜，要求寫出響應的程序，畫出圖形，并在圖中標出相應的標題和坐標軸。 程序為： close all; clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); /AM調制信號s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); /DSB調制信號s_ssb=real(hilbert(mt).*