北邮通原软件实验报告资料.docx
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北邮通原软件实验报告资料
北京邮电大学实验报告
题目:
基于SYSTEMVIEW通信原理实验报告
班级:
专业:
姓名:
成绩:
实验1:
抽样定理
1.实验目的
(1)掌握抽样定理
(2)通过时域频域波形分析系统性能
二.实验原理
抽样定理:
设时间连续信号m(t),其最高截止频率为fm,如果用时间间隔为T<=1/2fm的采样序列对m(t)进行抽样时,则m(t)就可被样值信号唯一地表示。
抽样过程原理图(时域)重建过程原理图(频域)
具体而言:
在一个频带限制在(0,fh)内的时间连续信号f(t),如果以小于等于1/(2fh)的时间间隔对它进行抽样,那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。
或者说,如果一个连续信号f(t)的频谱中最高频率不超过fh,这种信号必定是个周期性的信号,当抽样频率fS≥2fh时,抽样后的信号就包含原连续信号的全部信息,而不会有信息丢失,当需要时,可以根据这些抽样信号的样本来还原原来的连续信号。
根据这一特性,可以完成信号的模-数转换和数-模转换过程。
三.实验步骤
1.将三个基带信号相加后抽样,然后通过低通滤波器恢复出原信号。
实现验证抽样定理的仿真系统,同时在必要的输出端设置观察窗。
如下图所示
2.设置各模块参数
三个基带信号频率从上至下依次为10hz、20hz、40hz。
抽样信号频率fs设置为80hz,即2*40z。
(由抽样定理知,fs≥2fH) 。
低通滤波器频率设置为40hz 。
设置系统时钟,起始时间为0,终止时间设为1s.抽样率为1khz。
3.改变抽样速率观察信号波形的变化。
四.实验结果
基带信号
最终恢复信号
抽样后的信号波形
实验讨论
观察上图,可以看出,抽样后的信号波形如同冲激信号,且其包络图形为原基带信号波形图。
最终恢复所得的信号波形与原基带信号相同。
由此可知,如果每秒对基带模拟信号均匀抽样不少于2fH次,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。
五. 实验建议、意见
将抽样率fs设置为小于两倍fh的值,观察是否会产生混叠失真。
实验2:
验证奈奎斯特第一准则
一.实验目的
(1)理解无码间干扰数字基带信号的传输;
(2)掌握升余弦滚降滤波器的特性;
(3)通过时域、频域波形分析系统性能。
二.实验原理
基带传输系统模型
奈奎斯特准则提出:
只要信号经过整形后能够在抽样点保持不变,即使其波形已经发生了变化,也能够在抽样判决后恢复原始的信号,因为信息完全恢复携带在抽样点幅度上。
无码间干扰基带传输时,系统冲击响应必须满足x(nTs)=1(n=0);x(nTs)=0(n=!
0)。
相应的推导出满足x(t)的傅里叶变换X(f)应满足的充分必要条件:
该充要条件被称为无码间干扰基带传输的奈奎斯特准则。
奈奎斯特准则还指出了信道带宽与码速率的基本关系。
即Rb=1/Tb=2ƒN=2BN。
说明了理想信道的频带利用率为Rb/BN=2。
在实际应用中,理想低通滤波器是不可能实现的,升余弦滤波器是在实际中满足无码间干扰传输的充要条件,已获得广泛应用。
三.实验步骤
1.根据奈奎斯特准则,设计实现验证奈奎斯特第一准则的仿真系统,同时在必要输出端设置观察窗。
如下图所示
2.设置各模块的参数
图形编号
功能
参数
Token10
延时器
Delay=0.450sec
Token0
基带信号PN序列
Amp=1v;Rate=10hz
Levels=2;Phase=0deg
Token1
升余弦滤波器
SymbolRate=100hz
Roll-OffFactor=0
Token5
LowPassFIR
带宽Fc=5hz;(为基带信号的一半,正是传输信号的奈奎斯特带宽
Token15
高斯噪声
StdDev=0v;Mean=0v
Token6
采样器
Rate=1000hz
3.在不同情况下进行仿真
(1)在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,分别观察输入与输出信号的波形,解调信号的眼图。
(2)在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,提高信源速率观察输入与输出信号波形变化,解调信号的眼图。
(3)在信道B一定的条件下(无码间干扰),逐渐加入噪声,观察输入、输出信号波形变化,解调信号的眼图。
四.实验结果
1.在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,输入与输出信号的波形,解调信号眼图如下:
输入信号
输出信号
解调信号眼图
实验讨论
对比输入、输出波形,可以看出输入信号与输出信号波形基本一致,原始信号得到无误恢复,从而验证了奈奎斯特第一准则。
从解调信号的眼图可以看出,信号“眼睛”张开的比较大,说明在噪声、无码间干扰的情况下,系统性能良好,误码率低
2.在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,提高信源速率(本实验将信源速率增加一倍
),输入与输出信号波形,解调信号的眼图。
输入信号
输出信号
解调信号眼图
实验讨论
此时低通信道带宽不满足奈奎斯特准则,从输入、输出波形可以看出,数字信号经过系统传输以后,出现了误码。
从解调信号的眼图可以看出,相比无噪声,信源速率不变情况下的眼图,此时眼图边缘更不清晰一些。
说明在无噪声条件下,基带信号带宽超过了限带信道带宽时,由于码间干扰也会产生误码。
3.在信道B一定的条件下(无码间干扰),逐渐加入噪声,观察输入、输出信号波形变化,解调信号的眼图
输入信号
输出信号
(方差0.1v高斯噪声)
解调信号眼图
(方差0.1v高斯噪声)
输出信号
(方差1v高斯噪声)
解调信号眼图
(方差1v高斯噪声)
输出信号
(方差3v高斯噪声)
解调信号眼图
(方差3v高斯噪声)
实验讨论
对比输入、输出波形,可以看出,当高斯噪声的方差较小时,即噪声幅度较小时,数字信号经过系统传输,几乎没有误码,眼图显示“眼睛”张开较大,系统性能良好。
逐步增大噪声幅度,能够明显看到码间干扰,输入与输出波形不一致,眼图显示的“眼睛”逐渐闭合,说明差错率随着噪声功率的增加而增加。
当噪声幅度很大时,输入输出波形差别很大,眼图的“眼睛”几乎完全闭合,系统性能变得很差。
五.实验建议、意见
还可以研究讨论在不同滚降系数的情况下,系统输入输出波形的变化。
实验3:
16QAM调制与解调
1.实验目的
1.掌握正交幅度调制的基本原理
2.掌握正交幅度相干解调的原理
3.学会使用SystemView软件观察信号的星座图和眼图,从而分析系统性能。
二.实验原理
正交幅度调制(QAM)是由两个正交载波的多电平振幅键控信号叠加而成的,因此正交幅度调制是一种频谱利用率很高的调制方式,它与MPSK的不同之处在于两个支路的多电平幅度序列是相互独立的。
1.调制原理
二进制序列
矩形星座MQAM信号的产生框图
上图中,输入二进制序列{ka},经串并变换后成为速率减半的双比特并行码元,此双比特并行码元在时间上是对齐的。
在同相及正交支路又将速率为2/bR的每K/2个比特码元变换为相应的M个可能幅度之一,形成M进制幅度序列,再经成形滤波后,得到)(tI及)(tQ的
M进制PAM基带信号(数学期望为0),然后将)(tI及)(tQ分别对正交载波进行M进制ASK调制,两者之和即为矩形星座的QAM信号。
2.解调原理
矩形星座QAM的解调框图
采用相干解调的方法。
解调器的输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后,经低通滤波器输出两路多电平基带信号。
多电平判决器对多电平基带信号进行判决,再经并串变换器输出。
三.实验步骤
1.根据16QAM的调制与解调原理,设计实现16QAM调制与解调的仿真系统,同时在必
要输出端设置观察窗。
如下图所示
2.设置各模块参数
图形编号
功能
参数
Token0、16
基带信号PN序列
Amp=1v;Rate=10hz
Levels=4;Phase=0deg
Token4、17
载波
Amp=1v;Rate=100hz
Phase=0deg
Token11、13
ButterworthLowPassIIR
带宽Fc=10hz;
Token18
高斯噪声
StdDev=0v;Mean=0v
3.在不同情况下进行仿真
(1)观察无噪声时,16QAM信号波形及星座图
(2)分别通过眼图和星座图观察噪声对16QAM信号的影响
(3)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.信号带宽一定,无噪声时,16QAM信号眼图及星座图如下
星座图
眼图
讨论
从信号星座图中可以看到清晰的16个点,说明信号一共有16个能量集中的点,对应于16QAM信号在矢量空间中的16个星座点。
观察眼图,约0.1s的时间间隔内,有3只“眼睛”,说明I、Q两路信号是4进制信号。
在信号带宽一定,无噪声情况下,信号“眼睛”张开的比较大,说明系统性能良好,误码率低。
2.信号带宽一定,无噪声时,16QAM信号眼图及星座图如下
星座图
(方差0v高斯噪声)
眼图
(方差0v高斯噪声)
星座图
(方差0.3v高斯噪声)
眼图
(方差0.3v高斯噪声)
星座图
(方差0.4v高斯噪声)
眼图
(方差0.4v高斯噪声)
实验讨论
和前面的无噪声情况下对比,可以看到,同等带宽下,当加入噪声时,星座图的16个点范围扩大,变得不明确,说明能量集中处的能量变弱,眼图的眼睛变小。
且噪声幅度越大,星座图显示的能量集中处的能量越若,“眼睛”张开幅度越小,说明差错率随着噪声功率的增加而增加。
噪声幅度越大,系统性能越差。
3.改变带宽,通过眼图和星座图观察噪声对16QAM信号的影响
星座图(方差0.3v高斯噪声,
带宽不变)
眼图(方差0.3v高斯噪声,带宽不变)
星座图
(方差0.3v高斯噪声,
带宽增加一倍,为20hz)
眼图
(方差0.3v高斯噪声,
带宽增加一倍,为20hz)
讨论
同等噪声幅度的情况下,当滤波器带宽增大时,点和点之间的分界会变得模糊,说明码间干扰增大。
对比眼图可以看出,随着滤波器带宽的增大,“眼睛”趋于闭合,系统的性能变差。
故在同等噪声下,增大带宽,带宽越接近基带信号速率,系统的抗噪性越好。
五.实验建议、意见
可以增加对不同噪声下星座图变化的比较
希望通原软件实验课堂时间可以安排得稍长一些,能让老师有更多时间讲解和指导,让学生在课上有较为充足的时间完成实验。
六.实验心得
通过此次通原软件实验,使我了解并初步掌握了仿真软件SystemView的使用,锻炼了自己的动手实践能力,并通过实践的方式更好地理解书本上的内容,提高了对理论知识的掌握。