杭电 通信原理实验报告.docx

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杭电通信原理实验报告

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。

3）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。

2　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。

3　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：

3、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：

4、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*N

rz_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;

else

count=count+1;

ifcount==4;

count=0;

y（i）=-last_V;

last_V=y（i）;

ify（i）*last_one==-1

y（i-3）=y（i）;

end

last_one=y（i）;

end

end

end//对HDB3码进行处理

functiony=ami（x）

n=length（x）;

last_one=-1;

y=zeros（size（x））;

forr=1:

n

ifx（r）==1

y（r）=-last_one;

last_one=y（r）;

end

end//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：

5．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：

6．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：

7．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s

Fs=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;%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s

Fs=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;%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ISI

Fs=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:

Num

forjj=1:

Samp_rate

Samp_data（k）=NRZ（ii）;

k=k+1;

end

end

%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;

end

xlabel（'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。

（英文版）

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