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1、北京邮电大学信息与通信工程学院 通原硬件实验报告通信原理软件实验报告 专 业 通信工程 班 级 2011211118姓 名 朱博文 学 号 2011210511 报告日期 2013.12.20 2基础实验：第一次实验实验二 时域仿真精度分析一、实验目的 1. 了解时域取样对仿真精度的影响2. 学会提高仿真精度的方法二、实验原理一般来说，任意信号s(t)是定义在时间区间上的连续函数，但所有计算机的CPU 都只能按指令周期离散运行，同时计算机也不能处理这样一个时间段。为此将把s(t)截短，按时间间隔均匀取样，仿真时用这个样值集合来表示信号 s(t)。t反映了仿真系统对信号波形的分辨率，t越小则仿真
2、的精确度越高。据通信原理所学，信号被取样以后，对应的频谱是频率的周期函数，才能保证不发生频域混叠失真，这是奈奎斯特抽样定理。设为仿真系统的系统带宽。如果在仿真程序中设定的采样间隔是，那么不能用此仿真程序来研究带宽大于的信号或系统。换句话说，就是当系统带宽一定的情况下，信号的采样频率最小不得小于2*f，如此便可以保证信号的不失真，在此基础上时域采样频率越高，其时域波形对原信号的还原度也越高，信号波形越平滑。也就是说，要保证信号的通信成功，必须要满足奈奎斯特抽样定理，如果需要观察时域波形的某些特性，那么采样点数越多，可得到越真实的时域信号。三、实验内容1、方案思路： 通过改变取点频率观察示波器显示
3、信号的变化2、 程序及其注释说明： 3、 仿真波形及频谱图：Period=0.01Period=0.34、实验结果分析：以上两图区别在于示波器取点频率不同，第二幅图取点频率低于第一幅图，导致示波器在画图时第二幅图不如第一幅图平滑。四、思考题1. 两幅图中第一幅图比第二幅图更加平滑，因为第一幅图中取样点数更多2. 改为0.5后显示为一条直线，因为取点处函数值均为0实验三 频域仿真精度分析一、实验目的 理解 DFT 的数学定义及物理含义；学会应用 FFT 模块进行频谱分析；进一步加深对计算机频域仿真基本原理以及方法的学习掌握。二、实验原理在通信系统仿真中，经常要用有限长序列来模拟实际的连续信号，用
4、有限长序列的 DFT来近似实际信号的频谱。DFT 只适用于有限长序列，在进行信号的频谱分析时，它的处理结果会含有一定的偏差。下面分析一下 DFT 对信号频谱分析的影响。注意处理好时域混叠和频域混叠；注意频谱泄露。三、实验内容1、方案思路1、将正弦波发生器 （sinusoid generator）、触发时钟（CLOCK_c）和频谱示波器模块按图 5.13所示连接。 参数设置见讲义。2、设计模板三、实验结果1、输入缓冲区大小为4096，窗口类型:12、输入缓冲区大小为40960 窗口类型：13、输入缓冲区大小为40960，窗口类型：3实验结论： 窗函数的类型和宽度是影响插值FFT算法分析精度的主要
5、原因这里的宽度体现为FFT size，也就是讲义中所说的size of input buffer。 具体为: 当窗口类型一致的情况下，FFT size 越大，得到的频谱的谐波分量越多，频谱主瓣变得很尖锐；而FFT size一致的时候，窗口类型对频谱的影响不太大，主瓣宽度基本一致，幅度基本一样，谐波分量也基本一样。但是，这些都有不同程度的频谱泄露现象，只是加窗不同，对泄露的处理结果也就不同。也就是说，FFT size是主要影响因素。思考题：1、取样点数增加，窗口宽度变长，导致更多的谐波分量进入频谱中。2、频谱的主瓣宽度增加，高频谐波分量减少。因为采用了不同的窗函数，不同的窗函数对信号的滤波特性是
6、不一致的。3. 将 FFT 模块中的参数 Type of window 改成 2 和 4，观察仿真结果的变化，解释其原因。 答：频谱变得越来越平滑，主要是因为滤去了更多的谐波分量。2号窗4号窗实验五 取样和重建一、实验目的了解取样定理的原理，取样后的信号如何恢复原信号；了解取样时钟的选取。二、实验原理 数字信号是通过对模拟信号进行采样、量化和编码得到的，模拟信号是时间和幅度都连续的信号，记作 x(t)。采样的结果是产生幅度连续而时间离散的信号，这样的信号常被称为采样数据信号。 原理如下： 低通采样定理：如果采样频率，那么带限信号就可以无差错地通过其采样信号恢复。 模型： 具体原理见讲义。在满足
7、采样定理条件的情况下，初始输入信号可以从这些抽样值中恢复出来。三、实验内容1、方案思路1. 脉冲信号产生器（Pulse generator, 来自 Scicom_sources 元件库）、正弦波发生器（sinusoid generator）、模拟低通滤波器（analog low pass filter）、直流发生器 DC、触发时钟（CLOCK_c）、乘法器、示波器模块（MScope）、频谱示波器（FFT）模块按图 5.26 所示连接。参数设置：Scicom_sources: clock_cPeriod:0.0005 Init time:0.1Scicom_sources: clock_cPer
8、iod:0.0005 Init time:0.1Scicom_sources:Pulse generatorTime in High State:0.00001 Period:0.25其他参数缺省设置Scicom_sources:sinusoid generatorMagnitude:1 Frequency:0.4*2*%pi phase:0Scicom_Filter:analog low pass filterOrder:7 cutoff frequency:0.5*2*%pi 其他参数缺省设置Scicom_sources: ConstantConstant:100Scicom_sinks:
9、MScopeInput ports size:1 1 1Ymin:-2 -2 -2 Ymax:2 2 2Refrash period:10 10 10其他参数缺省设置Scicom_sinks:FFTOutput window number:1;Sample period:0.005;Size of input buffer:409600;其他参数缺省设置Scicom_sinks:FFTOutput window number:2;Sample period:0.000005;Size of input buffer:4096;其他参数缺省设置二、程序模块分析：三、实验结果及其分析：时域仿真波形
10、：FFT(2)重建信号的频谱：FFT（1）取样信号频谱：第二次验证：实验参数的设置，脉冲发生器高电平时间0.1，常数5；时域仿真波形FFT（1）取样信号频谱FFT（2）重建信号频谱：四、实验结果分析及思考题1、 前者幅度不变，后者随着频率增大有衰减。因为随着取样脉冲宽度的增大，其频域Sa函数的衰减将越明显。2、 频域周期延拓的周期为43、 占空比越大，频域Sa函数的衰减将会越明显，使得取样信号功率谱衰减更大。 占空比为0.2时4、 第二次实验一、实验目的1、了解产生 SSB 调制的基本原理2、了解 SCICOS 中的超级模块3、了解利用相干解调法解调幅度调制信号的方法4、编程实现基带信号为，载
11、波频率为20KHz ，仿真出SSB信号，观察已调信号的波形及频谱。二、实验原理SSB 调制SSB AM 产生方法一： SSB AM 产生方法二：单边带调制信号表达式为：SSB 解调用相干解调或同步解调来还原幅度调制信号。其解调框图如下： 如图 5.45 所示，载波应该提取自输入信号，通过平方环法或 COSTAS 环方法提取。由于这次实验是验证解调方法，假定已经获得了解调所用的载波的频率，所以直接使用调制端正弦波发生器产生的载波信号充当解调载波。三、实验内容1、方案思路：SSB 调制1 将正弦波发生器（ sinusoid generator ）、组合希尔伯特变换器（来自Scicom_signal
12、process 元件库）、组合移相器（来自 Scicom_signalprocess 元件库）、加法器模块、乘法器模块、触发时钟（CLOCK_c）、示波器模块(MScope)、和频谱示波器（FFT）模块按图 5.46 连接。 SSB 解调1.SSB 解调实验步骤与实验七中 DSB 解调步骤相同，只是将生成 DSB 超级模块（Modulator）换成生成 SSB 超级模块（Modulator）。2、程序及其注释说明：exec t2f.sci;exec f2t.sci;N=212; /采样点数fs=64; /采样速率Bs=fs/2; /系统带宽T=N/fs; /截短时间t=-T/2+0:N-1/f
13、s; /时域采样点f=-Bs+0:N-1/T; /频域采样点fm1=1;fm2=0.5;fc=20;m=sin(2*%pi)*fm1*t)+2*cos(2*%pi)*fm2*t); /待观测波形M=t2f(m,fs); /傅里叶变换MH=-%i*sign(f).*M; /频域希尔伯特变换mh=real(f2t(MH,fs); /希尔伯特变换后时域信号s=m.*cos(2*%pi)*fc*t)-mh.*sin(2*%pi)*fc*t);/上边带SSB信号S=t2f(s,fs); /傅里叶变换xset(window,1)plot(t,s)title(t,s) /SSB时域信号图xset(windo
14、w,2)plot(f,abs(S)title(f,abs(S) /SSB频域信号图xset(window,3)plot(t,m)title(t,m) /原函数时域信号图xset(window,4)plot(f,abs(M)title(f,abs(M) /原函数频域信号图END 3、仿真波形及频谱图：(1) 模块实现SSB 调制此项调制为下边带SSB调制，调制后信号频率为15HZ，故频谱在15HZ处有一个冲激函数。SSB解调 (2) 编程实现4、实验结果分析：SSB 调制：SSB 解调：编程：思考题：1、 频谱特点为单边带，只有下边带，没有上边带2、 点数与时钟一的两个参数乘积应为整数，使得希尔
15、伯特变换较为准确第三次实验实验十二 ASK调制与解调一、实验目的1了解幅度键控（ ASK ）调制与解调的基本组成和原理。 二、实验原理 用数字基带信号去控制正弦型载波的幅度称为振幅键控（ASK）。2ASK是指二进制振幅键控又名OOK，它以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。其产生框图如图5.82所示： 图5.1OOK信号的产生框图图5.83显示二进制信源信号和ASK调制信号的波形图。图5.84显示其功率谱图。 图5.2ASK调制信号图5.3二进制信源以及ASK调制信号的功率谱图在加性高斯白噪声信道条件下，OOK信号的解调方法有相干解调和非相干解调。两种解调方法的原理框图，如图5.85
16、和5.86所示。图5.4OOK信号的相干解调图5.5OOK信号的非干解调三、实验内容一、方案分析调制1将正弦波发生器（sinusoid generator）、二进制随机数产生器（binary random generator，来自Scicom_sources）、乘法器模块、触发时钟（CLOCK_c）、示波器模块(MSCOPE)、按图5.87连接。2设置正弦波模块Source Signal，产生频率为1HZ的信号。设置二进制序列产生器的时钟频率,产生周期为2s的二进制序列。图5.6ASK信号的产生1. 所有模块的参数设置如下表所示：表5.1模块的参数设置库/模块名称参数Scicom_source
17、s:clock_cPeriod:2 Init time:0.1Scicom_sources:clock_c缺省设置Scicom_sources:binary random generator缺省设置Scicom_sources:sinusoid generatorMagnitude:1 Frequency:1*2*%pi phase:0Scicom_sinks:MScopeYmin vector:-2 -2 Ymax vector:2 2 其他参数缺省设置解调方法一：1将正弦波发生器（sinusoid generator）、二进制随机数产生器(binary random generator)、
18、乘法器模块、整流器（rectifier,修改自mathematical expressions模块）、模拟低通滤波器（analog low pass filter）、比较判断模块（switch，来自Branching元件库）、触发时钟（CLOCK_c）、示波器模块(MSCOPE)、按图5.89连接。整流器由mathematical expression 模块修改而来。参数设置见图5.88。2二进制随机数产生器的时钟周期设为2s，正弦信号产生模块的频率设为1HZ,低通滤波器的截止频率应设为多少？（0.5hz,考虑二进制序列的频谱）。处的波形为整流后波形，不是标准的TTL格式，需要一个比较器（由s
19、witch 充当）来对整流后波形进行整形。图5.7rectifier模块参数设置图5.8ASK非同步解调2. 所有模块的参数设置如下表所示表5.2模块的参数设置库/模块名称参数Scicom_sources: clock_cPeriod:2 Init time:0.1Scicom_sources:clock_c 缺省设置Scicom_sources:binary random generator缺省设置Scicom_sources:sinusoid generatorMagnitude:1 Frequency:1*2*%pi phase:0Scicom_others:Mathematical E
20、xpression(rectifier)Number of inputs:1 scilab expression:(u10)其他参数缺省设置Scicom_Filter:analog low pass filterOrder:4 cutoff frequency:0.7*2*%pi其他参数缺省设置Scicom_sources: Constant 缺省设置Scicom_sources: Constant Constant:0Branching: switchThreshold a: 0.2 其他参数缺省设置Scicom_sinks: MScopeInput ports sizes:1 1 1 Ym
21、in vector:-2 -2 -2 Ymax vector:2 2 2 Refresh period:60 60 60其他参数缺省设置方法二1将正弦波发生器（sinusoid generator）、二进制随机数产生器(binary random generator)、乘法器模块、组合移相器器、低通滤波器(analog low pass filter)、触发时钟（CLOCK_c）、比较判断模块（switch）、示波器模块(MSCOPE)按图5.90连接。2由于是验证解调原理的实验，所以解调载波直接由调制载波充当。适当调节移相器的相位，和低通滤波器的截止频率，使得解调结果正确。图5.9ASK同步
22、解调 所有模块的参数设置如下表所示表5.3模块的参数设置库/模块名称参数Scicom_sources: clock_cPeriod:2 Init time:0.1Scicom_sources:clock_cPeriod:10/512 Init time:10/512Scicom_sources:clock_c缺省设置Scicom_sources:binary random generator缺省设置Scicom_sources:sinusoid generatorMagnitude:1 Frequency:1*2*%pi phase:0Scicom_signalprocess:phase sh
23、ifter and Equal DelaySize of input:512 phase shift:0Scicom_Filter:analog low pass filterOrder:4 cutoff frequency:0.7*2*%pi其他参数缺省设置Scicom_sources: Constant 缺省设置Scicom_sources: Constant Constant:0Branching: switchThreshold a: 0.2 其他参数缺省设置Scicom_sinks: MScopeInput ports sizes:1 1 1 Ymin vector:-2 -2 -2
24、 Ymax vector:2 2 2 Refresh period:30 30 30其他参数缺省设置二、模块性能测试三、仿真波形图及其结果分析二进制信源信号和ASK调制信号解调波形图解调波形图思考题：1、rectifier对信号进行整流，analog low pass filter 为低通滤波器，滤除信号中的高频分量2、MASK信号调制时首先将二进制信号变为M进制幅度序列，然后与二进制ASK信号相同；在解调时，信号乘上载波后，进行一次积分，然后进行判决即可。第四次实验线路码型HDB3编码一、 实验目的1. 了解几种常用线路码型及其编码规则2. 掌握HDB3码的编码原理及其SCILAB实现3.
25、学会使用HDB3码编码模块及其调试 二、 实验原理 常用线路码型有：单极性非归零（NRZ）码、双极性非归零（NRZ）码、单极性归零（RZ）码、双极性归零（RZ）码、差分码、AMI码、HDB3码、Manchester码、CMI码、多进制码等。下面介绍AMI码和HDB3码的编码规则。AMI码称为传号交替反转码。其编码规则为代码中的0仍为传输码0，而把代码中1交替地变化为传输码的+1-1+1-1，、AMI码的特点：（1）在“1”、“0”码不等概情况下，也无直流成分，且零频附近低频分量很小，因而在信道传输中不易造成信号失真。（2）若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确判决。（3）编码电路简
26、单，便于观察误码状况。不过，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。为了克服其缺点，人们提出了很多种类的改进码，HDB3码就是广泛为人们所接受的一种高密度双极性码。HDB3码的编码规则：（1）将消息代码变换成AMI码；（2）检查AMI码中的连0情况，当无4个以上的连0传时，则保持AMI的形式不变；若出现4个或4个以上连0时，则将1后的第4个0变为与前一非0符号（+1或-1）同极性的符号，用V表示（+1记为+V，-1记为-V（3）检查相邻V符号间的非0符号的个数是否为偶数，若为偶数，则再将当前的V符号的前一非0符号后的第1个0变为
27、+B或-B符号，且B的极性与前一非0符号的极性相反，并使后面的非0符号从V符号开始再交替变化。举例如下：代码 1010 1 100000 11 0000 1HDB3码 +10-10+1-1 000-10+1-1+100+1-1 -V +B +VHDB3码的特点如下：（1） 基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分；（2） 连0串符号最多只有3个，利于定时信息的提取；（3） 不受信源统计特性的影响。虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。HDB3是CCITT推荐使用的码型之一。三、实验内容1、方案思路：设计过程中，由于HDB3是由AMI码衍生而来，故可以将模块分为AMI编码和B/V码
28、编码两部分，然后再由超级模块将两部分进行组合即可。最后按照“模块性能测试”中提供的测试例程对模块进行测试。成功运行后，将结果与测试例程的结果进行对比，然后进行调试和优化等后续工作。2、模块性能测试：3、仿真波形图及实验结果分析：1、 原码为不归零码，其频谱宽度为Rb，HDB3码功率谱高频及低频分量很少，能量主要集中于二分之一码速附近。2、 译码3、 还有AMI码、曼彻斯特码。目的是去除直流分量，减少低频及高频分量。第五次实验数字基带系统的仿真一、实验目的1、了解在理想限带及加性白高斯噪声信道条件下数字基带系统的基本原理和设计方法，进一步熟悉SCICOS下的复杂系统设计及仿真。2、在实验1的基础
29、上，从整个链路层上俯瞰整个系统，并运用现有的通信工具块，利用其功能全面且封装性强的特点，针对数字基带系统进行横向功能分解，使系统设计更加精炼、准确。深入学习数字基带系统核心传输节点的性能，并掌握眼图示波器的使用方法，观察接受滤波器输出的眼图和功率谱密度，判断系统传输的正确性和精准性，调试一达到最佳传输效果。二、实验原理 若使得在接收端抽样时刻码间干扰为零，则系统的合成传递函数必须满足以下条件： 即要满足 式中的、分别是发送滤波器、信道及接受滤波器的相频特性，是一时间延迟，其中、分别是发送、信道、接收滤波器引入的时延，W为升余弦滤波器的截止频率。 在接收端抽样时刻无码间干扰条件下，引起误码的是加
30、性噪声，此时，最佳接收的接受滤波器应匹配于所接收的确定信号，使接收端抽样时刻的信噪比最大。 设：限带信道是理想低通特性，并设信道不引入时延（），则接收到的确定信号的频谱仅取决于发送滤波器的特性，所以接收滤波器的应与发送滤波器共轭匹配，即这样，在理想限带信道情况下，既要使收端抽样时刻的抽样值无码间干扰，又要使得在抽样时刻抽样值的信噪比最大，则综上所诉，数字PAM信号通过限带信道、并受到加性噪声干扰的情况下，在限带信道是理想低通条件下的最佳基带传输的发送及接收滤波的设计是：总的收发系统的传递函数要符合无码间干扰基带传输的升余弦特性；且又要考虑在抽样时刻信噪比最大的收、发滤波共轭匹配的条件。可得无码
31、间干扰的条件下，其系统框图如图1：信道 码型编码发滤波器收滤波器抽样判决码型译码位同步器三、实验内容一、方案思路实验一：1、连接框图：用时钟控制产生二进制随机序列作为高斯白噪声源，同时分频后用于产生双极性二进制序列作为原信号。首先经过发送滤波器，然后经过一低通滤波器，即模拟限带信道，然后与噪声相加。在经过一接收滤波器，最后经过采样S/H和判决后输出解调信号。2、建立超级模块Sending filter：经过串并转化和函数运算即匹配滤波，再并串转换后输出。Serial To bus converter：Bus to serial converter：Scifunc：3、设置参数Clock：设置采
32、样周期Freq_div:分频Random generator:噪声低通滤波器：滚降系数为0.5，则带宽为2.34.此处设为2.5，保证经发送滤波器后的信号都能通过。Delay：Delay 0.1：S/H：采样Mathematical Expression：判决将大于0的信号输出为1，小于零的输出为-1.示波器：二、实验模块方案一方案二三、设计中实现功能的程序以及说明方案1在同一参数被不止一个模块调用的情况下可以统一利用一个符号表示，不过需要在Diagram菜单中的Context中对这个符号进行预先定义。在本次系统设计中，需要在【Diagram】中的“Context”中进行如下内容设置：*t2f
33、*function X=t2f(x) /傅式变换H=fft(x);X=H(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),H(mtlb_imp(1,N/2)*dt;endfunction*f2t*function x=f2t(X) /傅式反变换S=X(mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N),X(mtlb_imp(1,N/2);x=ifft(S)/dt;endfunction*dt=0.01; /时域采样间隔L=32; /每个码元周期的抽样点数M=16; /码元数N=L*M; /总的抽样点数Ts=L*dt; /码元间隔Rb=1/Ts; /码元速率df=1/(N*dt); /频域采
34、样间隔T=N*dt; /截断时间Bs=N*df/2; /系统带宽alpha=0.5; /滚降系数t=linspace(-T/2,T/2,N); /频域横坐标f=linspace(-Bs,Bs,N)+%eps; /时域横坐标/升余弦信道hr1=sin(%pi*t/Ts)./(%pi*t/Ts);hr2=cos(alpha*%pi)*t)/Ts)./(1-(2*alpha)*t)/Ts).2);hr=hr1.*hr2; /升余弦脉冲波形HR=abs(t2f(hr); /升余弦脉冲的傅式变换GT=sqrt(HR);GR=GT; /最佳系统的发送接收滤波器的傅式变换“sending filter”中的
35、“Scifunc”模块把接收到的数组进行匹配滤波，变换的程序为：u1为输入信号，GT为发送端根升余弦滤波器的频域传递函数，y1为输出信号，t2f和f2t函数分别实现傅式变换和傅式反变换的功能。其中的t2f函数、GT、f2t函数的实现代码也需要拷入此程序，以便调用。“receiving filter”中的“Scifunc”中的程序为：GR为接收端根升余弦滤波器的频域传递函数。方案2Context内容设置如下：Tb为比特周期，fb=1/Tb是比特率。R是滚降系数。带宽为（1+R）/2*fb。三、仿真波形图以及实验结果、结果分析方案一仿真结果：图一为原信号，图二为抽样判决后的信号，图三为接收滤波后的
36、信号信号经过了取样、发送、信道噪声、接收滤波和抽样判决等步骤。分析：上图为眼图仿真结果方案二仿真结果：分析：图一为原始信号采样后的波形 图二为恢复信号波形 图三为接受滤波器输出波形 图四为原信号波形采样后频谱为冲击序列，此序列无限宽。分析：接收滤波器输出的功率谱，为经过升余弦后的接收波形的频谱，可见在低频处有一波峰，为正弦信号的频谱，分析：眼图仿真结果由此图可知，对输出信号进行采样后，即可恢复原信号。思考题：1、 改变2、 方案二更好，方案二与方案一相比，抗噪能力更强。实验过程中遇到的问题及解决方案 实验中遇到的主要问题在于软件的操作，对各个器件参数的设置以及编程。因为以前没有学过SCILAB，所以刚开始编程比较苦难，但是对比书上例题后，可以很容易的模仿并编出一个需要的程序。在最后一个拓展实验中，软件操作存在一定的问题。因为书上没有具体写到相应的操作步骤，有些地方需要自己摸索，花了不少时间。实验总结通原软件实验是我对以前所学的信号类科目有了一个更加系统的认识，在实验中也遇到了不少以前学习中没有想过的问题。实验中参数的设置很值得我们思考，改一改参数又会出现不同的结果，探索其中的原理才会让我们更加理解课本上学到的知识，查缺补漏。实验与理论课程基本是同步的，能够及时的将课堂上学到的新知识在软件上体现出来。实验对我帮助很大。58