北邮通信原理软件实验报告.docx
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北邮通信原理软件实验报告
北邮通信原理软件实验报告
北邮通信原理软件实验报告
题目：
基于SYSTEMVIEW通信原理实验报告
实验一：
抽样定理
一、实验目的
1、验证抽样定理：
设时间连续信号f（t），其最高截止频率为fm，如果用时间间隔为T<=1/2fm的开关信号对f（t）进行抽样时，则f（t）就可被样值信号唯一地表示。
2、降低或提高抽样频率，观察对系统的影响
二、实验原理
抽样定理：
设时间连续信号f（t），其最高截止频率为fm，如果用时间间隔为T<=1/2fm的开关信号对f（t）进行抽样时，则f（t）就可被样值信号唯一地表示。
抽样定理示意图：
图一抽样定理示意图
从图中可以看出，当
时，不会发生频域混叠现象，使用一个匹配的低通滤波器即可无失真的恢复出原信号，当
时，会发生频域混叠现象，这时，已经无法将原信号恢复出来。
实验所需模块连接图如下所示：
图二模块连接图
元件编号
属性
类型
参数设置
0,1,2
Source
Sinusiod
Amp=1V；Rate=10,12,14Hz
3
Adder
———
———
5
Multipler
———
———
7
Operator
LinearSys
Butterworth,5Poles,fc=14Hz
4,8,9
Sink
———
———
仿真时长设置为1Sec，仿真速率为1000Hz。
首先利用三个正弦波信号源产生三个正弦波，其频率分别为10hz，12hz，14hz，再利用脉冲发生器产生抽样脉冲，将脉宽设置为1e-3sec，脉冲频率分别设置为20hz，30hz，40hz。
对三个信号做加法，所得信号的最高频率为14hz，然后令该信号与抽样脉冲相乘，得到的结果即为时间离散的抽样序列。
最后将抽样序列通过五阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率14hz，将恢复信号与原信号作比较，比较不同抽样频率带来的影响。
三、实验步骤
（1）按照实验所需模块连接图，连接各个模块
（2）设置各个模块的参数：
1信号源部分：
我们使用三个正弦波信号源产生三个正弦波，其频率分别为10hz，12hz，14hz
图三信号源设置示意图
2抽样脉冲发生器：
利用脉冲发生器产生抽样脉冲，将脉宽设置为1e-3sec，脉冲频率设置为30hz
图四抽样脉冲发生器设置示意图
3低通滤波器：
五阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率14hz
图五低通滤波器设置示意图
（3）观察输出波形，更改抽样脉冲发生器的频率，比较试验结果。
四、实验结果
（1）当抽样频率为30hz，
时
图六采样频率为30hz波形图
图中，最上方波形为加法器的输出波形，中间波形为低通滤波器的输出波形，下方波形为乘法器的输出波形。
根据以上实验结果，我们可知，当
（本处为略大于）时，可以由抽样序列唯一的恢复原信号。
（原信号的最高频率
=14hz）
（2）当抽样频率为40hz，
时
图七采样频率为40hz波形图
图中，最上方波形为加法器的输出波形，中间波形为低通滤波器的输出波形，下方波形为乘法器的输出波形。
根据以上实验结果，我们可知，当
时，可以由抽样序列唯一的恢复原信号。
（原信号的最高频率
=14hz）
（3）当抽样频率为20hz，
时
图八采样频率为20hz波形图
图中，最上方波形为加法器的输出波形，中间波形为低通滤波器的输出波形，下方波形为乘法器的输出波形。
根据以上实验结果，我们可知，当
时，输出信号发生较大的失真，已经无法恢复原信号。
（原信号的最高频率
=14hz）
（4）当抽样频率为30hz，将抽样脉冲的脉宽加大（15e-3sec）
图九抽样脉冲的脉宽加大后波形图
图中，最上方波形为加法器的输出波形，中间波形为低通滤波器的输出波形，下方波形为乘法器的输出波形。
根据以上实验结果，我们可知，抽样序列的脉宽过大时，会导致采样信号的时间离散型不好，但是根据新的这样的采样信号，还是可以恢复出原信号的。
（原信号的最高频率
=14hz）
（5）当抽样频率为30hz，低通滤波器的阶数降低（降低到2阶）
图十滤波器阶数不足时的波形图
图中，最上方波形为加法器的输出波形，中间波形为低通滤波器的输出波形，下方波形为乘法器的输出波形。
根据以上实验结果，我们可知，由于采样频率接近于2fm，所以当滤波器的带外特性不好，衰减过慢的时候，高频的信号不能保证完全滤除。
这时候恢复的信号也是失真的。
（原信号的最高频率
=14hz）
五、实验讨论
从实验结果可以看出，抽样频率为30hz，原信号的频率为14hz，满足抽样定理。
抽样后的信号通过低通滤波器后，恢复出的信号波形与原基带信号相同，可以无失真的恢复原信号。
当抽样频率为40hz时，依然满足抽样定理，此时也可以无失真的恢复原信号。
当抽样频率为20hz时，不满足抽样定理，此时由于频域混叠现象，输出信号发生了较大的失真，不可以无失真的恢复原信号。
由此可知，如果每秒对基带模拟信号均匀抽样不少于
次，则所得样值序列含有原基带信号的全部信息，从该样值序列可以无失真地恢复成原来的基带信号。
验证了抽样定理。
另外，要选择过渡带宽较小的滤波器，减小信号带外因素的影响。
通过本次实验，我加深了对于抽样定理的理解，也初步掌握了SystemView的使用，对于通信原理的课程学习带来很大的帮助。
实验二：
验证奈奎斯特第一准则
一、实验目的
1、验证奈奎斯特第一准则，观察当系统不符合奈奎斯特准则时，出现的码间干扰现象。
2、逐渐加入噪声，观察噪声和码间干扰对解调的影响。
加深对课本知识的理解。
二、实验原理
1、奈奎斯特第一准则
图一奈奎斯特定理示意图
满足无码间串扰传输的基带传输特性应为：
其物理意义是，把传递函数在f轴上以
为间隔切开，然后分段沿轴平移到区间
内，将它们叠加起来，结果应当为一水平直线段（某一常数）。
2、升余弦滚降信号
图二升余弦滤波器频谱特性
升余弦滚降信号：
其频域过渡特性是以
为中心，具有奇对称升余弦状。
（简称升余弦信号）
升余弦滚降信号数学表达式：
升余弦滚降系统特点：
（1）满足抽样值上无串扰的传输条件；
（2）尾部衰减较快（与
成反比），有利于减小码间串扰和位定时误差的影响；
（3）带宽B=（1+α）/2TsHz；
（4）频带利用率η=2/（1+α）B/Hz
3、实验模块连接图
图三模块连接图
各个模块参数设置：
模块
参数
PN序列发生器
幅度1V，频率10HZ，维度2
延时器
0.77Sec
升余弦滤波器
滚降系数0.5，符号速率10HZ
高斯噪声发生器
标准差0V，均值0V
FIR滤波器
Fc=10HZ
采样器
采样速率1000HZ
判决器
输出
仿真时长设置为30Sec（观察眼图），仿真速率1000Hz。
三、实验步骤
（1）按照实验所需模块连接图，连接各个模块
（2）设置各个模块的参数：
1信号源部分：
PN序列发生器产生双极性NRZ序列，频率10HZ
图四信号源设置示意图
2升余弦滤波器：
滚降系数0.5，符号速率10HZ的升余弦。
图五升余弦滤波器设置示意图
3限带信道：
低通FIR滤波器，Fc=10HZ。
图六FIR滤波器设置示意图
（3）观察输出波形，更改PN脉冲发生器的频率，比较试验结果。
（4）逐渐加入噪声，观察信号波形图和眼图。
四、实验结果
（1）当信号频率为10hz，
图七信号频率10hz波形图
图中，上方波形为信源的输出波形，下方波形为判决之后的输出恢复波形。
根据以上实验结果，当符合奈奎斯特第一准则时，基带信号通过限带信道不会受到码间干扰，可以无误码的恢复原信号。
图八信号频率10hz眼图
通过观察上图，我们可以发现，眼睛张开有一定角度，系统误码不严重。
（2）当信号频率为15HZ，不满足奈奎斯特第一准则时
图九信号频率15hz波形图
图中，上方波形为信源的输出波形，下方波形为判决之后的输出恢复波形。
我们可以看到，在图中画圈的地方，有码间干扰造成的误码。
根据以上实验结果，当不符合奈奎斯特第一准则时，基带信号通过限带信道会受到码间干扰，无法无误码的恢复原信号。
图十信号频率15hz眼图
由这幅图可以看出，当基带信号速率为15hz时，眼睛完全闭合，系统误码严重。
（3）当基带信号频率为10HZ时，加入噪声
图十一噪声标准差为0.2V波形图
图十二噪声标准差为0.2V眼图
图十三噪声标准差为0.6V波形图
图十四噪声标准差为0.6V眼图
以上两图中，左上为基带信号，左中为解调信号，左下为经过升余弦滤波器的调制信号，右上为噪声信号，右中为叠加了噪声的调制信号图，右下为经过低通滤波器的接收信号图。
由以上两图，我们可以看出，当噪声功率不是很大时，眼睛还有一定的张开，系统误码不严重，当噪声功率太大时，眼睛接近完全闭合，整个系统的误码率上升。
五、实验讨论
奈奎斯特第一定理：
满足无码间串扰传输的基带传输特性应为：
其中H（w）为整个系统的传递函数。
从本次实验结果可以看出，当整个系统的传递函数符合奈奎斯特第一定理时，系统不存在码间干扰，收端可以无误码的解调出原信号。
当发端的速率提高（不符合奈奎斯特定理）时，信号的眼图会逐渐闭合，当发端速率继续提高时，眼图将会完全闭合，这给整个系统带来了很大的误码率。
另外，在实验中我发现PN序列发生器产生的是双极性NRZ序列，如下图所示：
图十五PN序列发生器波形图
这种序列的频谱带外特性是无限宽的，如图所示：
图十六PN序列发生器频谱图
这种信号是不符合奈奎斯特第一定理的，奈奎斯特第一定理要求的输入序列应为随机的冲激序列，成型滤波器使用升余弦滤波器。
但是PN序列的成型滤波器为不归零的矩形脉冲。
正确的系统框图如下图所示：
图十七数字基带信号限带传输框图
其中，输入序列应为冲激序列，不应为双极性NRZ信号。
符合要求的随机冲激序列如下图所示：
图十八随机双极性冲激序列波形图
下面提供一种可供参考的随机冲激序列产生方法：
图十九随机冲激序列产生方法图
使用PN序列发生器产生双极性NRZ序列（10Hz）。
使用脉冲序列发生器产生序列（10Hz），将脉宽设置到很低，这样可以模拟出双极性冲激序列的效果。
使用这种序列通过升余弦滤波器，再通过限带信道，才能够满足奈奎斯特第一定理，更好的验证这个实验。
整个电路连接图：
图二十改正后电路模块连接图
实验三：
16QAM调制与解调
一、实验目的
1、熟悉16QAM信号的调制与解调，掌握SYSTEMVIEW软件中，观察眼图与星座图的方法。
2、强化SYSTEMVIEW软件的使用，增强对通信系统的理解。
二、实验原理
1、16QAM
16QAM是指包含16种符号的QAM调制方式。
16QAM调制原理方框图：
图一16QAM调制框图
16QAM解调原理方框图：
图二16QAM解调框图
16QAM是用两路独立的正交4ASK信号叠加而成，4ASK是用多电平信号去键控载波而得到的信号。
它是2ASK体制的推广，和2ASK相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。
正交幅度调制是利用多进制振幅键控（MASK）和正交载波调制相结合产生的。
16进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。
16QAM的产生有2种方法：
（1）正交调幅法，它是有2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；
（2）复合相移法：
它是用2路独立的四相位移相键控信号叠加而成。
在这里我们使用第一种方法。
16QAM信号的星座图：
图三16QAM星座图
上图是16QAM的星座图，图中f1（t）和f2（t）是归一化的正交基函数。
各星座点等概出现。
星座图中最近的距离与解调误码率有很密切的关系。
上图中的最小距离是dmin=2。
16QAM的每个星座点对应4个比特。
哪个星座点代表哪4比特，叫做星座的比特映射。
通常采用格雷映射，其规则是：
相邻的星座点只差一个比特。
实验所需模块连接图如下所示：
图四模块连接图
各个模块参数设置：
元件编号
属性
类型
参数设置
0,2
Source
PNseq
Amp=1V；Rate=50Hz；Levels=4
6,12
Source
Sinusiod
Amp=1V；Rate=500Hz
10
Source
GaussNoise
StdDev=0V;Mean=0V
4,5,11,12
Multipler
———
———
7,9
Adder
———
———
14,15
Operator
LinearSys
Butterworth,3Poles,fc=100Hz
1,3,8,18,19,26,27
Sink
———
———
16,17
Gain
———
GainUnit=Linear，Gain=2
20,21
Sampler
———
Rate=50Hz
24,25
Quantizer
Bits=4，MaxInput=4v，SignalIntegerOutput
设置系统时间为30Sec（观察眼图），仿真频率1000Hz
三、实验步骤
（1）按照实验所需模块连接图，连接各个模块
（2）设置各个模块的参数：
1信号源部分：
PN序列发生器产生双极性NRZ序列，频率50HZ
图五信号源设置示意图
2载频：
频率设置为500Hz。
图六载频发生器设置示意图
3高斯噪声：
均值为0，方差为0。
图七高斯噪声设置示意图
4低通滤波器：
3Poles，Fc=100Hz；
图八低通滤波器设置示意图
5量化器：
Bits=4，MaxInput=4v，SignalIntegerOutput；
图九量化器设置示意图
（3）观察调制波形和眼图。
（4）逐渐加入噪声，观察其对眼图和星座图的影响
（5）改变带宽时，通过眼图和星座图观察噪声对16QAM信号的影响
四、实验结果
（1）噪声为0时，16QAM信号波形图与星座图
图十16QAM信号波形图
图十一16QAM信号星座图
图十二16QAM信号眼图
通过对无噪声条件下，对16QAM眼图、星座图、波形图的观察，我们发现16QAM信号有16个离散的状态，属于幅度与相位联合调制。
当仅观察I路或Q路时，我们可以发现这是一个4ASK信号，有四个离散的电平。
当观察眼图时，我们发现眼睛睁开很大，眼图十分清晰，误码率低。
（2）逐渐加入噪声
1噪声方差为1时
图十三16QAM信号眼图
图十四16QAM信号星座图
2噪声方差为2时
图十五16QAM信号眼图
图十六16QAM信号星座图
3噪声方差为3时
图十七16QAM信号眼图
图十八16QAM信号星座图
由上面三个不同的噪声方差的眼图、星座图的观察可知，当噪声功率越大时，眼睛张开的角度越小，星座图的转移路线也变得更加不清晰。
这意味着信号收到噪声污染越来越严重，解调输出误码率变高。
（3）改变系统带宽，观察带宽变化时对信号的影响
我们将这次实验的框图更改如下：
图十九更改后系统框图
图中，加入四个平方根升余弦滤波器，滚降系数为1，符号速率为50Hz，加入一个带通FIR滤波器作为限带信道，通带430Hz~580Hz。
1当系统带宽为100Hz时（2倍基带带宽），噪声方差为0.2
图二十16QAM眼图（带宽100HZ）
图二十一16QAM星座图（带宽100HZ）
2系统带宽为200Hz，噪声方差为0.2
图二十二16QAM眼图（带宽200HZ）
图二十三16QAM星座图（带宽200HZ）
由以上两图，我们可以看出，当系统带宽增加时，进入系统的噪声会增加，这就造成了接收到的信号出现误码。
反映在眼图上就是眼睛闭合，反映在星座图上就是星座图转移混乱。
五、实验讨论
从实验结果可以看出，通过对无噪声条件下，对16QAM眼图、星座图、波形图的观察，我们发现16QAM信号有16个离散的状态，属于幅度与相位联合调制。
当仅观察I路或Q路时，我们可以发现这是一个4ASK信号，有四
我发现实验二的电路连接可能有误，PN序列发生器产生的是双极性NRZ信号，而我们需要的是双极性冲激序列。
具体的改进方案请见实验二实验结论部分。
1、希望老师可以考虑换一个大一点的机房授课，在1121授课，总是有一拨人要等到1点才能下课，这对学生带来很大不便。
希望老师可以考虑其他大的机房授课，比如说新科研楼，解决这个问题！
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