通信原理实验数字基带传输仿真实验.docx

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通信原理实验数字基带传输仿真实验

 

数字基带传输实验

实验报告

 

一、实验目的

1、提高独立学习的能力;

2、培养发现问题、解决问题和分析问题的能力;

3、学习Matlab的使用;

4、掌握基带数字传输系统的仿真方法;

5、熟悉基带传输系统的基本结构;

6、掌握带限信道的仿真以及性能分析;

7、通过观测眼图和星座图判断信号的传输质量。

二、系统框图及编程原理

1.带限信道的基带系统模型(连续域分析)

✧输入符号序列――

✧发送信号――――比特周期,二进制码元周期

✧发送滤波器――或或

✧发送滤波器输出――

✧信道输出信号或接收滤波器输入信号

(信道特性为1)

✧接收滤波器――或或

✧接收滤波器的输出信号

其中

(画出眼图)

✧如果位同步理想,则抽样时刻为

✧抽样点数值为(画出星座图)

✧判决为

2.升余弦滚降滤波器

式中称为滚降系数,取值为,是常数。

时,带宽为Hz;时,带宽为Hz。

此频率特性在内可以叠加成一条直线,故系统无码间干扰传输的最小符号间隔为s,或无码间干扰传输的最大符号速率为Baud。

相应的时域波形为

此信号满足

在理想信道中,,上述信号波形在抽样时刻上无码间干扰。

如果传输码元速率满足,则通过此基带系统后无码间干扰。

3.最佳基带系统

将发送滤波器和接收滤波器联合设计为无码间干扰的基带系统,而且具有最佳的抗加性高斯白噪声的性能。

要求接收滤波器的频率特性与发送信号频谱共轭匹配。

由于最佳基带系统的总特性是确定的,故最佳基带系统的设计归结为发送滤波器和接收滤波器特性的选择。

设信道特性理想,则有

(延时为0)

可选择滤波器长度使其具有线性相位。

如果基带系统为升余弦特性,则发送和接收滤波器为平方根升余弦特性。

由模拟滤波器设计数字滤波器的时域冲激响应

升余弦滤波器(或平方根升余弦滤波器)的带宽为,故其时域抽样速率至少为,取,其中为时域抽样间隔,归一化为1。

抽样后,系统的频率特性是以为周期的,折叠频率为。

故在一个周期内以间隔抽样,N为抽样个数。

频率抽样为,。

相应的离散系统的冲激响应为

将上述信号移位,可得因果系统的冲激响应。

5.基带传输系统(离散域分析)

✧输入符号序列――

✧发送信号――――比特周期,二进制码元周期

✧发送滤波器――

✧发送滤波器输出――

✧信道输出信号或接收滤波器输入信号

(信道特性为1)

✧接收滤波器――

✧接收滤波器的输出信号

(画出眼图)

✧如果位同步理想,则抽样时刻为

✧抽样点数值为(画出星座图)

✧判决为

三.实验内容

1、如发送滤波器长度为N=31,时域抽样频率为F_0=4/T_s,滚降系数分别取为0.1、0.5、1,计算并画出此发送滤波器的时域波形和频率特性,计算第一零点带宽和第一旁瓣衰减。

以此发送滤波器构成最佳基带系统,计算并画出接收滤波器的输出信号波形和整个基带系统的频率特性,计算第一零点带宽和第一旁瓣衰减。

2、根据基带系统模型,编写程序,设计无码间干扰的二进制数字基带传输系统。

要求要传输的二进制比特个数、比特速率R_b(可用与Ts的关系表示)、信噪比SNR、滚降系数α是可变的。

1)生成一个0、1等概率分布的二进制信源序列(伪随机序列)。

可用MATLAB中的rand函数生成一组0~1之间均匀分布的随机序列,如产生的随机数在(0,0.5)区间内,则为0;如果在(0.5,1)区间内,则为1。

2)基带系统传输特性设计。

可以采用两种方式,一种是将系统设计成最佳的无码间干扰的系统,即采用匹配滤波器,发送滤波器和接收滤波器对称的系统,发送滤波器和接收滤波器都是升余弦平方根特性;另一种是不采用匹配滤波器方式,升余弦滚降基带特性完

全由发送滤波器实现,接收滤波器为直通。

3)产生一定方差的高斯分布的随机数,作为噪声序列,叠加到发送滤波器的输出信号上引入噪声。

注意噪声功率(方差)与信噪比的关系。

信道高斯噪声的方差为σ2,单边功率谱密度N_0=2σ^2,如计算出的平均比特能量为Eb,则信噪比为SNR=10?

log10(Eb/N0)。

4)根据接收滤波器的输出信号,设定判决电平,在位同步理想情况下,抽样判决后得到接收到的数字信息序列波形。

3、假设加性噪声不存在,传输64个特定的二进制比特,如果比特速率R_b=1/T_s,基带系统不采用匹配滤波器,画出接收滤波器的输出信号波形和眼图,判断有无码间干扰,求出

抽样判决后的数字序列。

如果将比特速率改为R_b=3/(4T_s)、4/(5T_s),画出接收滤波器的输出信号

波形和眼图,判断有无码间干扰,求出抽样判决后的数字序列。

4、传输1000个随机的二进制比特,比特速率Rb=1/Ts,信噪比分别取1dB、3dB、5dB时,得到相应的恢复数字信息序列,基带系统分别为匹配滤波器形式和非匹配滤波器形式、滚降系数分别为0.3、0.8,画出发送数字信息序列和接收数字信息序列的星座图,根据星座图判断信息传输质量。

讨论信噪比、匹配滤波器和滚降系数对系统信息传输质量的影响。

三、实验内容及程序分析

I、实验一:

发送滤波器长度为N=31,时域抽样频率F0为4/Ts,滚降系数分别取0.1、0.5、1,

计算并画出此发送滤波器的时域波形和频率特性。

以此发送滤波器构成最佳基带系统,计算并画出接收滤波器的输出信号波形和整个基带系统的频率特性。

实验程序:

N=32;%抽样点数32

L=4;

M=N/L;%码元数

Rs=0.25;

Ts=1/Rs;

fs=L/Ts;

Bs=fs/2;

T=N/fs;

t=-T/2+[0:

N-1]/fs;

f=-Bs+[0:

N-1]/T;

%升余弦滚降alpha=0.5

alpha=0.5;

Hcos=zeros(1,N);

ii=find(abs(f)>(1-alpha)/(2*Ts)&abs(f)<=(1+alpha)/(2*Ts));

Hcos(ii)=Ts/2*(1+cos(pi*Ts/alpha*(abs(f(ii))-(1-alpha)/(2*Ts))));

ii=find(abs(f)<=(1-alpha)/(2*Ts));

Hcos(ii)=Ts;

%genshengyuxian

Hrcos=sqrt(Hcos);

ft=zeros(1,N);

ft=real(f2t(Hrcos,fs));

%alpha=0.1

alpha=0.1;

Hcos1=zeros(1,N);

ii=find(abs(f)>(1-alpha)/(2*Ts)&abs(f)<=(1+alpha)/(2*Ts));

Hcos1(ii)=Ts/2*(1+cos(pi*Ts/alpha*(abs(f(ii))-(1-alpha)/(2*Ts))));

ii=find(abs(f)<=(1-alpha)/(2*Ts));

Hcos1(ii)=Ts;

%genshengyuxian

Hrcos1=sqrt(Hcos1);

ft1=zeros(1,N);

ft1=real(f2t(Hrcos1,fs));

%升余弦滚降alpha=1

alpha=1;

Hcos2=zeros(1,N);

ii=find(abs(f)>(1-alpha)/(2*Ts)&abs(f)<=(1+alpha)/(2*Ts));

Hcos2(ii)=Ts/2*(1+cos(pi*Ts/alpha*(abs(f(ii))-(1-alpha)/(2*Ts))));

ii=find(abs(f)<=(1-alpha)/(2*Ts));

Hcos2(ii)=Ts;

%genshengyuxian

Hrcos2=sqrt(Hcos2);

ft2=zeros(1,N);

ft2=real(f2t(Hrcos2,fs));

%画图

subplot(3,2,2);

stem(f,Hrcos1,'.');

axis([-Bs,Bs,0,max(Hrcos1)]);

title('alpha=0.1的根升余弦发送滤波器的频域波形');

grid;

subplot(3,2,1);

stem(t,ft1,'.');

axis([-T/2,T/2,1.1*min(ft1),1.1*max(ft1)]);

grid;

title('alpha=0.1的根升余弦的发送滤波器的时域冲激响应');

subplot(3,2,4);

stem(f,Hrcos,'.');

axis([-Bs,Bs,0,max(Hrcos)]);

title('alpha=0.5的根升余弦发送滤波器的频域波形');

grid;

subplot(3,2,3);

stem(t,ft,'.');

axis([-T/2,T/2,1.1*min(ft),1.1*max(ft)]);

grid;

title('alpha=0.5的根升余弦的发送滤波器的时域冲激响应');

subplot(3,2,6);

stem(f,Hrcos2,'.');

axis([-Bs,Bs,0,max(Hrcos2)]);

title('alpha=1的根升余弦发送滤波器的频域波形');

grid;

subplot(3,2,5);

stem(t,ft2,'.');

axis([-T/2,T/2,1.1*min(ft2),1.1*max(ft2)]);

grid;

title('alpha=1的根升余弦的发送滤波器的时域冲激响应');

实验一仿真结果:

2、实验二

根据基带系统模型,编写程序,设计无码间干扰的二进制数字基带传输系统。

要求要

传输的二进制比特个数、比特速率Rb(可用与Ts的关系表示)、信噪比SNR、滚降系数α

是可变的。

1)生成一个0、1等概率分布的二进制信源序列(伪随机序列)。

可用MATLAB中的

rand函数生成一组0~1之间均匀分布的随机序列,如产生的随机数在(0,0.5)区间内,

则为0;如果在(0.5,1)区间内,则为1。

2)基带系统传输特性设计。

可以采用两种方式,一种是将系统设计成最佳的无码间干

扰的系统,即采用匹配滤波器,发送滤波器和接收滤波器对称的系统,发送滤波器和接收

滤波器都是升余弦平方根特性;另一种是不采用匹配滤波器方式,升余弦滚降基带特性完

全由发送滤波器实现,接收滤波器为直通。

3)产生一定方差的高斯分布的随机数,作为噪声序列,叠加到发送滤波器的输出信

号上引入噪声。

注意噪声功率(方差)与信噪比的关系。

信道高斯噪声的方差为,单

边功率谱密度N0=2,如计算出的平均比特能量为Eb,则信噪比为

SNR=10*log10(Eb/N0)。

4)根据接收滤波器的输出信号,设定判决电平,在位同步理想情况下,抽样判决后

得到接收到的数字信息序列波形。

实验二系统程序:

1、(采用匹配滤波器)

%输入符号序列,形成发送信号

M=8;%符号数

N=32;%抽样点数

L=4;

T0=1;Ts=L*T0;

Rs=1/Ts;

fs=1/T0;%抽样频率

Bs=fs/2;%折叠频率

T=N/fs;

t=-T/2+[0:

N-1]/fs;

f=-Bs+[0:

N-1]/T;

x=1-2*(rand(1,M)>0.5);

x0=x>0;

n=0:

M-1;

subplot(5,2,1),stem(x0,'b.');

axis([0M+1

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