通信原理实验报告教师用123.docx
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通信原理实验报告教师用123
实验一简单基带传输系统分析
由于本实验是利用SystemView进行仿真分析的第一个上机实验，故安排了较为简单的基带传输系统实验内容，上机操作步骤介绍得也很详细。
建议除按照实验的分析内容要求得到分析结果外，应进一步熟悉软件的主要操作步骤。
【实验目的】
通过本次实验，旨在达到以下目的：
1．结合实践，加强对数字基带通信系统原理和分析方法的掌握；
2．掌握系统时域波形分析、功率谱分析和眼图分析的方法；
3．进一步熟悉systemview软件的使用，掌握主要操作步骤。
【实验内容】
构造一个简单示意性基带传输系统。
以双极性PN码发生器模拟一个数据信源，码速率为100bit/s，低通型信道中的噪声为加性高斯噪声（标准差＝0.3v）。
要求：
1．观测接收输入和低通滤波器输出的时域波形；
2．观测接收滤波器输出的眼图；
3．观测接收输入和滤波输出的功率谱；
4．比较原基带信号波形和判决恢复的基带信号波形。
【实验原理】
简单的基带传输系统原理框图如图2-1-1所示，该系统并不是无码间干扰设计的，为使基带信号能量更为集中，形成滤波器采用高斯滤波器。
【实验步骤】
第1步：
进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数如下：
1运行时间：
StartTime:
0秒；StopTime:
0.5秒；
②采样频率：
SampleRate：
10000Hz。
第2步：
调用图符块创建如图2-1-2所示的仿真分析系统：
图2-1-2创建的简单基带传输仿真分析系统
系统中各图符块的设置如表2-1-1所示：
表2-1-1
编
号
图符块属性
（Attribute）
类型
（Type）
参数设置
（Parameters）
0
Source
PNSeq
Amp=1v,Offset=0v,Rate=100Hz,Levels=2,
Phase=0deg
1
Operator
LinearSys
Couminicationfilterlibrary,Gaussian,Bandwidth=100
2
Adder
--
--
3
Source
GaussNoise
StdDev=0.3v,Mean=0v.
4
Operator
LinearSys
Analog…,ButterworthLowpassIIR,5Poles,lowcutoff=200Hz.
5
Operator
Sampler
Interpolating,Rate=100Hz,Aperture=0sec,
ApertureJitter=0sec,
6
Operator
Hold
LastValue,Gain=2
7
Operator
Compare
Comparison=’>=’,TrueOutput=1V,FalseOutput
=0v,Ainput=t6Output0,Binput=t8Output0
8
Source
Sinusoid
Amp=0v,Freq=0Hz,Phase=0deg
9
Sink
Analysis
Inputfromt0OutputPort0
10
Sink
Analysis
Inputfromt1OutputPort0
11
Sink
Analysis
Inputfromt4OutputPort0
12
Sink
Analysis
Inputfromt7OutputPort0
其中，Token1为高斯脉冲形成滤波器；Token3为高斯噪声产生器，设标准偏差StdDeviation=0.3v，均值Mean=0v；Token4为模拟低通滤波器，来自选操作库中的“LinearSys”图符按钮，在设置参数时，将出现一个设置对话框，在“Design”栏中单击Analog…按钮，进一步单击“FilterPassBand”栏中Lowpass按钮，选择Butterworth型滤波器，设置滤波器极点数目：
No.ofPoles=5（5阶），设置滤波器截止频率：
LoCuttoff=200Hz。
第3步：
单击运行按钮，运算结束后按“分析窗”按钮，进入分析窗后，单击“绘制新图”按钮，则Sink9～Sink12显示活动窗口分别显示出“PN码输出”、“信道输入”、“信道输出”和“判决比较输出”时域波形。
第4步：
观察信源PN码和波形形成输出的功率谱。
在分析窗下，单击信宿计算器按钮，在出现的“SystemSinkCalculator”对话框中单击Spectrum按钮，分别得到Sink9和Sink10的功率谱窗口（w4:
和w5:
）后，可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比，具体操作为：
在“SystemSinkCalculator”对话框中单击Operators按钮和OverlayPlots按钮，在右侧窗口内压住左键选中“w4：
PowerSpectrumofSink9”和“w5：
PowerSpectrumofSink10”信息条，使之变成反白显示，最后单击OK按钮即可显示出对比功率谱。
第5步：
观察信道输入和输出信号眼图。
眼图是衡量基带传输系统性能的重要实验手段。
当屏幕上出现波形显示活动窗口（w1:
Sink10和w2:
Sink11）后，单击“SystemSinkCalculator”对话框中的Style和TimeSlice按钮，设置好“StartTime[sec]”和“Length[sec]”栏内参数后单击该对话框内的OK按钮即可。
【实验要求】
根据以上步骤，要求获得如下的仿真结果：
1.数字基带传输系统仿真电路图；
2.获得信源的PN码输出波形、经高斯脉冲形成滤波器后的码序列波形、滤波器输入端信号波形、抽样判决器输出端恢复的基带信号波形；
3.对比输入端PN码波形和输出端恢复的波形，并分析两者的区别；
4.对比PN码和经高斯脉冲形成滤波器后的码的功率谱，并分析两者的差别；
5.对比信道输入端信号和信号输出端信号的眼图，并分析两者的差别。
【实验报告要求】
1.实验报告必须写清楚实验名称、试验目的、实验内容、实验原理、实验结果和分析、实验仿真电路图及各主要部件参数、实验心得等。
2.实验内容应包括实验要求的所有内容。
3.实验报告上交手写版，仿真电路图和实验结果图可以粘贴，要求字迹清楚，格式工整。
1.获得信源的PN码输出波形、经高斯脉冲形成滤波器后的码序列波形、滤波器输入端信号波形、抽样判决器输出端恢复的基带信号波形；
PN码输出波形：
Amp=1v，Offset=0v，Rate=100Hz，Levels=2，Phase=0deg。
经高斯脉冲形成滤波器后的码序列波形：
此滤波器的作用是压缩输入信号频带，从图中可以观察到，下降沿（上升沿）变得相对缓慢，这是由于滤波器滤除了部分高频分量。
滤波器输入端信号波形：
由于在信道中存在噪声，从而使得此处输入波形产生波纹。
抽样判决器输出端恢复的基带信号波形：
2.对比输入端PN码波形和输出端恢复的波形，并分析两者的区别；
答：
对比两个波形可知，输出端恢复的波形产生了一定的延时。
4.对比PN码和经高斯脉冲形成滤波器后的码的功率谱，并分析两者的差别；
A:
PN码的功率谱
B:
经高斯脉冲形成滤波器后的码的功率谱
观察两个功率谱：
未经滤波的pn码的功率谱高频部分幅度明显大于经过了滤波后的功率谱，这就体现了高斯脉冲形成滤波器压缩输入信号频带的作用。
5.对比信道输入端信号和信号输出端信号的眼图，并分析两者的差别。
信道输入端信号的眼图：
信号输出端信号的眼图：
两者的差别：
1、输入端信号的眼图斜边斜率比输出端信号的要小，所以它对定时误差更加敏感；2、输入端信号边界区很宽，这说明他受到的噪声干扰很大，而输出端信号由于是经过抽样判决出来的信号，不受噪声干扰；3输出端信号眼图比输入端信号眼图张开度更大，更端正，他的码间串扰要更小。
提问解答：
1、Token5的抽样频率必须满足抽样定理，否则将会使输出的恢复波形产生失真：
如将其频率设置为50Hz，所得的恢复波形：
2、对比接收端有接收滤波器与没有是眼图的区别
以下两图前者为在滤波以后的眼图，后者为未加滤波器的的眼图可以看出前者的眼图睁开度更大，边界斜率跟大，边界厚度更小，由眼图性质可知前者的码间串
扰，噪声干扰要比后者小得多，但是在未加滤波器时恢复出的波形并未发生失真，这是由于系统处于最佳抽样时刻。
3、当高斯噪声源StdDev=4时得到恢复波形如下图所示，可以看出与原码型相比产生了严重的失真，此时造成误差的主要因素不再是码间串扰，而是强噪声。
因此在设计通信系统时必须根据信号强度，信道中噪声的强度来设计相关的器件参数，以求将噪声对信号的影响降到最低。
4、若不用高斯形成滤波器对码型进行频带压缩，则得到下图所示恢复波形：
可知，系统未能准确恢复出源码型，这就说明源码型不适合于直接在信道中传输。
基带信号在传输前，必须经过一些处理才能送入信道中传输。
处理的目地是使信号的特性与信道传输特性相匹配。
本次实验是对书本理论知识的一次实践与验证，经过仿真，对信号特性与信道特性的匹配、功率谱分析、码间串扰、信道噪声等对信号传输的影响有了更加真切的体会。
实验二二进制键控系统2ASK与2FSK分析
实验目的
通过本次实验，旨在达到以下目的：
1.掌握2ASK和2FSK调制的原理与实现；
2.掌握相干解调法的原理与实现；
3.加强对2ASK和2FSK信号的时域波形和功率谱等知识点的掌握。
实验内容：
分别创建2ASK和2FSK系统的调制和解调系统仿真电路图，观察系统中各指定点信号的时域波形和频谱结构，并对实验结果进行分析。
一、2ASK调制与相干解调系统分析
实验原理
相干接收2ASK系统组成如图2-2-1所示：
图2-2-12ASK调制与相干解调系统工作原理图
实验结果及分析
1.2ASK调制和相干解调仿真电路图；
Token0:
双极性二进制基带码源（PN码），参数：
Amp=1v；Offset=0v；Rate=100Hz；No.ofLevel=2；Token1:
乘法器；Token2:
正弦载波信号源，参数：
Amp=1V；F=1000Hz；Phase=0；Token3:
加法器；Token4:
高斯噪声源，参数：
StdDeviation=0.5V；Mean=0V；Token5:
乘法器；Token6:
正弦本地同步载波信号源，参数设置同Token2；Token7:
模拟低通滤波器，参数：
Butterworth_LowpassIIR；No.ofPoles=5；LoCuttoff=200Hz；Token8，9，10：
信宿接收分析器（Sink8,Sink9,Sink10）。
2.获得信源的PN码输出波形、2ASK调制波形、2ASK解调波形；
PN码输出波形：
2ASK解调波形：
3.对比输入端PN码波形和输出端解调恢复的波形，并分析两者的区别；
分析：
恢复波形与源码波形相比，1、幅度大约是源码波形的1/2，（设调制信号为m（t））这是因为Token5处输出波形的表达式可化为为
m（t）+高频分量，经过低通滤波器后
，只留下了
m（t）部分，所以幅度会变为原来的一半；2、恢复信号下降沿（上升沿）有过渡区，这是由于滤波器不理想所致，如果用不同类型的滤波器，则得到波形的跳变沿将会有不同的陡峭程度；3、恢复波形顶部（底部）不平坦，这是由于信道中的加性噪声所致。
4、恢复波形产生了延时。
4.获得2ASK信号的功率谱，并对之进行分析；
分析：
2ASK功率谱公式如下所示，它由离散谱和连续谱组成，离散谱由载波分量决定连续谱经传号波形线性调制后决定。
二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。
离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g（t）确定。
二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即B2ASK=2B=2fs。
5.改变Token6的参数，设置F=800Hz，其他参数不变。
对比解调恢复的波形与输入端PN码波形，并对对比结果进行分析。
恢复波形：
对比图：
不能够解调出原波形，因为解调端得不到单独含有原信号的部分，不能将原波形与载波分离。
下图为解调波相位为60度时的对比图：
由两图可知，要解调出最佳效果的信号图形，调制波与载波必须同频同相。
实验心得：
在数字频带传输系统中当选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波进行调制时，产生的信号就是二进制振幅键控信号（2ASK）。
一个2ASK频带传输系统包括以下几个单元：
数字信源、2ASK调制、2ASK解调、数字终端单元。
和模拟常规调幅信号的解调一样，2ASK信号也有包络检波和相干解调两种方式。
由于被传输的是数字信号1和0，因此在每个码元间隔内，对低通滤波器的输出还要经抽样判决电路做出一次判决。
相干解调需要在接受端产生一个本地的相干载波。
二、相干解调2FSK系统分析
实验原理
频移键控是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0。
用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。
对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF0+2Fb,F0是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。
以话带调制解调器中CCITTV.23建议规定的2FSK标准为例，该标准为：
码速率1200bit/s；f0＝1300Hz及f1＝2100Hz。
要求创建符合CCITTV.23建议的2FSK仿真系统，调制采用“键控法”产生2FSK信号，解调采用“相干解调法”。
系统组成及原理如图2-2-3所示。
图2-2-3（a）
图2-2-3（c）2FSK相干解调法原理方框图
实验结果及分析
1.2FSK调制和相干解调仿真电路图，其中，2FSK相干解调仿真电路图中各组件的类型和参数列表给出。
图符编号
参数设置
1
Amp=1v，Freq=65Hz
4
Amp=1v，Freq=35Hz
5
选择开关
22
相加器
27
高斯噪声源
6、7
带通滤波器
10、11
乘法器
12、19
解调波，参数设置与载波相同
14、15
低通滤波器
19
Pn码发生源
2.获得信源的PN码输出波形、2FSK调制波形、上支路恢复波形、下支路恢复波形和2FSK解调波形；
信源的PN码输出波形：
2FSK调制波形
上支路恢复波形
下支路恢复波形
2FSK解调波形
3.对比输入端PN码波形和输出端解调恢复的波形，并分析两者的区别；
答：
（1）、恢复出的波形有延时现象；
（2）、恢复出的波形是单极性码，因为判决器只根据真假输出1和0两个点频；（3）、幅度为原码幅度的一半。
4.获得2FSK信号的功率谱，并对之进行分析；
分析：
此处FSK信号为相位不连续信号，其功率谱密度表达式如下：
，有表达式以及图形可知频谱由连续频谱和离散谱组成，其中连续谱由两个中心频率为于65Hz和35Hz的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频65Hz和35Hz
5.改变两路输入载波的频率参数，其他参数不变。
观测2FSK信号的功率谱形状随着|f2-f1|值改变的变化情况。
分析：
当载频为65Hz和60Hz时，得到的功率谱：
此功率谱与载频65Hz和35Hz时的功率谱相比可知，当
时，功率谱出现双峰，当
时，功率谱出现单峰。
提问解答：
1、得到2FSK的傅立叶变化如图所示，可知，调制过程就是将PN信号搬迁到两个不同的频率位置，如此即将两个电平进行频域区分。
2、上下两路已调波综合图形如下所示，可知，两波形在交界处有重叠区，这是因为带通滤波器不理想，在截至频率处有过渡带，而不是直接降为零，若用不同类型的滤波器，得到的波形重叠区宽度将会不一样。
3、2FSK信号的特点：
2FSK信号波形可看作两个2ASK信号波形的合成。
下图是相位连续的2FSK信号波形。
4、传输2FSK信号所需的频带宽度：
相位不连续的2FSK信号的带宽约为
如令
，并称为频移指数，则
其中，
为码速。
相位不连续的2FSK信号存在载波谱线，浪费功率，只用于设备要求简单的通信场合。
实验三二进制键控系统2PSK与2DPSK分析
实验目的
通过本次实验，旨在达到以下目的：
1.掌握2PSK和2DPSK调制的原理与实现；
2.相位模糊问题及其解决方法
3.巩固相干解调法的原理与实现；
4.加强对2PSK和2DPSK信号的时域波形和功率谱等知识点的掌握。
实验内容
分别创建2PSK和2DPSK系统的调制和解调系统仿真电路图，观察系统中各指定点信号的时域波形和频谱结构，并对实验结果进行分析。
一、相干接收2PSK系统分析
实验原理
相干接收2PSK系统组成如图2-3-1所示：
对2PSK信号相干接收的前提是首先进行载波提取，可采用平方环或科斯塔斯环来实现。
为分析方便起见，在本实验中可直接在接收端设置一个与发送端严格同步的本地载波源。
另外，本实验中暂不考虑位同步提取问题。
实验及结果及分析：
1.2PSK调制和相干解调仿真电路图；
其中，Token0为双极性PN码源；Token2和Token6是彼此同步的载波源；Token8为过零比较器（工作在a>b模式）；Token9是幅度和频率均为0的正弦源，作为过零比较器的判决门限电平（比较器b输入）；Token7为3阶100Hz截止频率的低通滤波器（比较器a输入）。
2.获得信源的PN码输出波形、2PSK调制波形、低通滤波器输出波形和过零比较器输出波形；
信源的PN码输出波形
2PSK调制波形（为了能够看清波形相位变化，此波形为pn码频率为1000hz时的调制波形）
低通滤波器输出波形
过零比较器输出波形
3.对比2所得波形，看解调是否正确；
答：
对比信源波形和恢复出的波形可知，恢复波形除了有延时以及变为了单极性码外，与信源波形完全一样，所以可知解调正确。
4..获得2PSK信号的功率谱，并对之进行分析；
得到2PSK信号的功率谱密度为
2PSK频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。
区别仅在于当P=1/2时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。
5..重新设置本地载波源的参数，将其中的相位设为180°，运行后再观测解调的结果，并对结果进行分析。
答：
由于相干载波产生180°相位模糊，解调得到的相对码将产生倒置现象，即0、1倒置，但经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而可以解决载波相位“倒π”问题。
，
二、相干接收2DPSK系统分析
实验原理
2DPSK系统组成原理如图2-3-3所示，系统中差分编、译码器是用来克服2PSK系统中接收提取载波的180°相位模糊问题。
实验要求
1.2DPSK调制和相干解调仿真电路图；
其中，Token0为单极性PN码源；Token23、13为采样器（采样速率为100Hz）；Token3、16为保持器；Token2为放大器（Gain＝1）、Token14为数字延迟器（延迟1个Sample）；Token4、24、17为比较器（a>b模式），Token5、18设为0V直流电平（Token4的输入b），Token25设为0.5V直流电平（Token24的输入b）。
Token4、17输出为双极性码、Token24输出为单极性码；Token10、11为彼此同步的载波源（Amp＝1V、Freq＝1000Hz、Phase=0°）；Token7、8组成加性高斯噪声信道；Token19、20、21、22为信宿接收分析器。
2.观测Token19、20、21、22处的时域波形，要求说明这些分别是什么波形；
Token19:
单极性PN码源
Token20：
经过差分编码后的保持波形
Token21：
恢复的2DPSK的解调波形
Token22：
差分译码出最终的恢复波形
3.对比基带信号波形和恢复所得波形，看解调是否正确；
答：
对比可知，在波形上恢复波形与原码完全一样，但是恢复出的波形是对双极性码，原波形是单极性码。
4.重新设置本地载波源的参数，将其中的相位设为180°，其它参数不变。
运行后再观测解调的结果，并对结果进行分析。
答：
对比恢复波形与原波形可知，恢复波形并未发生失真，即为产生“倒π”现象。
因为2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。
这说明，解调2DPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。
只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了2PSK方式中的“倒π”现象发生。
5.对比2PSK信号和2DPSK信号的功率谱，并对之进行分析；
2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。
信号带宽为
实验四低通和带通抽样定理验证
实验目的
1.验证低通抽样定理；
2.验证带通抽样定理；
3.加强对模拟信号数字化传输相关知识点的掌握。
实验内容
分别构造低通型信号和带通型信号、两种抽样后的信号及对滤波重建信号进行时域和频域观察和分析，验证低通抽样定理与带通抽样定理。
实验原理
抽样定理实质上研究的是随时间连续变化的模拟信号经抽样变成离散序列后，能否由此离散序列值重建原始模拟信号的问题。
对于低通型和带通型模拟信号，分别对应不同的抽样定理，抽样定理是模拟信号数字化的理论基础。
对上限频率为fH的低通型信号，低通抽样定理要求抽样频率应满足：
fs≥2fH。
对下限频率为fL、上限频率为fH的带通型信号，带通抽样定理要求抽样频率满足：
其中，B=fH-fL为信号带宽，n为正整数，0≤k＜1。
应该注意的是，当时，无论带通型信号的fL和fH为何值，只需将
抽样频率设定在2B，理论上就不会发生抽样后的频谱重叠，而不像低通抽样定理要求的必须为上限频率的2倍以上。
仿真分析系统将按照图2-4-1所示结构创建。
其中，对于恒定频谱的冲激函数，通过低通滤波产生低通型信号，再进行低通抽样；通过带通滤波产生带通型信号，再进行带通滤波产生带通抽样，最后分别滤波重建原始信号。
仿真分析时，设低通滤波器的上限频率为10Hz，带通滤波器下限频率为100Hz、上限频率为120Hz，低通抽样频率选为30Hz；带通型信号上限频率fH=6×20=120Hz（B=20Hz，n=6），带通抽样频率至少应取40Hz，现取60Hz的带通抽样频率。
实验结果及分析
1.低通抽样和带通抽样仿真电路图，并要求以列表的形式给出仿真电路图中各组件的类型和参数；
Token0冲激函数发生器
Gain=10，Offset=0
Token1、Token7低通滤波器
截至频率为10Hz
Token2、Token8带通滤波器
fL=200Hz、fH=220Hz
Token3、Token4抽样器
Rate=30Hz、Rate=60Hz
Tok
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