2022年通信原理大作业 2.pdf

通信原理大作业年级2010 级班级0210*姓名学号张*专业电子信息工程学院电子工程学院西安电子科技大学2013 年 6 月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 15 页 -选题一：2FSK信号传输仿真一、题目要求：按照 2FSK产生模型和解调模型分别产生2FSK信号和高斯白噪声，经过信道传输后进行解调。对调制解调过程中的波形进行时域和频域观察，并且对解调结果进行误码率测量。2FSK信号的解调可以选用包络解调或者相干解调法。二、2FSK信号传输介绍数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号。为了使数字信号在带通系统中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。在接收端，通过解调器把带通信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调。移频键控（FSK）是数据通信中最常用的一种调制方式。FSK方法简单，易于实现，并且解调不需要恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。FSK主要应用于低中速数据传输，以及衰落信道和频带较宽的信道中。三、2FSK信号传输实现方法1.调制过程FSK即 Frequency Shift Key 叫做移频键控或频移键控。调制的方法一般有两种，一种叫直接调频法，另一种叫键控法。所谓直接调频法，就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数，而达到改变振荡频率的目的。键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对两个不同的独立频率源进行选通。一般来说，键控法采用两个独立的振荡器,得到的是相位不连续的FSK信号；而且直接调频法f1,f2 由同一个谐振电路产生，则得到相位连续的FSK信号。2FSK信号便是 0 符号对应于载频 f1，1 符号对应于载频 f2（与 f1 不同的另一个载频）的一调制波形，而f1 与 f2 的改变是瞬间完成的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 15 页 -2.解调过程2FSK的常用解调方法是采用相干解调（如下图）。解调原理是将 2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。判决规则与调制规则相呼应，调制时若规定“0”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“0”，反之则为“1”。四、Matlab 仿真思路1.首先设定仿真的码元个数、载波频率f1，f2、采样频率和波特率。2.利用 Matlab 函数 rand 和 round 设定初始码元，并计算得出基带信号及其反码。3.产生载波信号，利用模拟相乘得到FSK信号，再利用 awgn 函数在信号中加入高斯白噪声得到已调信号表达式y_2FSK_n。4.在 2FSK 的解调过程中，根据原理图，信号首先通过带通滤波器，设置带通滤波器参数（firl 函数），后利用一维数字滤波器filter 对已调信号进行滤波处理。输出经过带通滤波器后的信号波形。由于已调信号中有两个不同的载波（1,2）,则经过两个不同频率的带通滤波器后输出两个不同的信号波形z1，z2。5.经过带通滤波器后的2FSK信号再经过相乘器（cos1，cos2），输出得到相乘后的两个不同的2FSK波 st1_1 和 st2_1。带 通 滤波器带 通 滤波器相乘器相乘器低 通 滤波器低 通 滤波器抽 样 判决器Cos1t Cos2t 1 2 抽样脉冲输出输入名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 15 页 -6.经过相乘器输出的波形再通过低通滤波器，设置低通滤波器的参数（函数 firl），用一维数字滤波韩式filter 对信号的数据进行新的一轮的滤波处理。输出经过低通滤波器后的两个波形（st1_2,st2_2）。7.将信号（st1_2,st2_2）同时经过抽样判决器，输出code_s_1。对抽样判决器经定义一个时间变量长度i，当 st1_2(i)=st2_2(i)时，则 code_s_1=0，否则code_s_1=1。8.计算误码率，将 code_s_1进行还原，还原办法是将一个码元周期内的0，1 个数比较，取较多的那一个。将结果与码元code 比较，将传输有误的码元个数除以总码元个数即可。五、Matlab 仿真结果在仿真过程中，设定码元个数10、载波频率 fc1 为 30khz，fc2 为 60khz、采样频率 fc2*5、信号波特率 800。以下图片是在数据码流为1100011100时仿真的结果。1.基带信号，2FSK信号以及 2FSK信号混高斯白噪声的时域波形2.2FSk信号频谱分析名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 15 页 -3.2FSK信号经过带通滤波器后频域波形和时域波形名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 15 页 -4.两路信号经低通滤波器后的频谱和时域波形名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 15 页 -5.解调后误码率计算经过计算，误码率为0 六、仿真过程中问题1.2FSK信号传输的误码率跟载波频率和采样频率有关，载波频率和采样频率均越低，出现误码的可能性越高。2.2FSK信号传输的误码率跟波特率有关，波特率越高，误码率越高。3.经过分析，上述两个因素综合起来就是码元周期，经过仿真与分析，码元周期越长越好4.同时也更加深入的了解了为何国际电信联盟会建议数据率低于1200b/s 时采用2FSK体制选题二：信道噪声特性仿真一、题目要求：产生信道高斯白噪声，设计信道带通滤波器对高斯白噪声进行滤波，得到窄带高斯噪声。对信道带通滤波器的输入输出的噪声的时域、频域特性进名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 15 页 -行统计和分析，画出其时域和频域的图形。二、信道噪声高斯白噪声介绍在分析通信系统的抗噪声性能时，常用高斯白噪声作为通信信道中的噪声模型。这是因为，通信系统中常见的热噪声近似为白噪声，且热噪声的取值恰好服从高斯分布。另外，实际信道或滤波器的带宽存在一定限制，白噪声通过后，其结果是带限噪声，若其谱密度在通带范围内仍具有白色特性，则称其为带限白噪声，他又可以分为低通白噪声和带通白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称之为高斯白噪声，我们常用它作为通信信道中的噪声模型。高斯白噪声在任意两个不同时刻上的随机变量之间，不仅是互不相关的，而且还是统计独立的。三、滤波器的实现滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。分为有源滤波器和无源滤波器。主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的反射。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号，利用这个特性可以选通通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器的响应种类有巴特沃斯响应，贝塞尔响应，切比雪夫响应。这里我采用的是巴特沃斯滤波器。巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，接近 DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中 n 为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。四、Matlab 仿真思路1.用 wgn 函数产生高斯白噪声信号y1，频谱信号为 ya。2.用 butter 函数产生巴特沃斯滤波器，滤波器的系统函数为filter_h。3.使信号 ya通过滤波器产生信号yb，通过反傅里叶变换得到时域信号y2。4.对时域信号进行均值，最大值，最小值，标准差，方差，自相关函数的分析。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 15 页 -5.对频域信号进行频谱，功率谱密度（自相关函数的频谱）分析五、Matlab 仿真结果使用采样 1000 个点且采样频率为1khz 的高斯白噪声模拟信道中的噪声。1.高斯白噪声的时域图和频谱图2.滤波器的幅频特性名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 15 页 -3.对高斯白噪声和窄带高斯白噪声时域的分析波形均值极小值极大值标准差方差滤波器前0.0134-3.0996 2.8918 1.0305 1.0620 滤波器后-9.1e-19+i-1.3e-19-0.001-i0.0004-5.9888+i0.3144 0.5173 0.2675 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 15 页 -4.通过滤波器前后的噪声频谱图对比5.通过滤波器前后的功率谱密度图对比名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 15 页 -六、仿真中遇到的问题功率谱密度理论上来说应该在频带上均匀分布，而仿真结果却不是。附录一、2FSK信号传输代码%2FSK信号传输仿真，省略画图代码clc;close all;clear all codn=10;%仿真的码元个数fc1=30000;fc2=60000;%设定载波频率Fc1=30khz,Fc2=60Khz fs=fc2*5;%数据采样率bode=800;%信号波特率code=round(rand(1,codn);code_len=round(1/bode/(1/fs);%得到一个码元周期的数据长度%产生基带信号st1=0;for i=1:codn if code(i)=1 for m=(i-1)*code_len+1:i*code_len st1(m)=0;end else for m=(i-1)*code_len+1:i*code_len st1(m)=1;end end end n=length(st1);%产生基带信号的反码st2=0;for i=1:n if st1(i)=1 st2(i)=0;else st2(i)=1;end end t=(1:n)/fs;s1=cos(2*pi*fc1*t);%产生频率为Fc1和 Fc2的载波 s1，s2 s2=cos(2*pi*fc2*t);名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 15 页 -y_2fsk=st1.*s1+st2.*s2;%采用模拟相乘法产生FSK信号y_2fsk_n=awgn(y_2fsk,5);%生成高斯白噪声ay=abs(fft(y_2fsk_n);%进行幅频特性分析f=0:fs/length(y_2fsk_n):fs/2;ay=ay(1:length(f);%低通滤波b1=fir1(101,0.18 0.22);b2=fir1(101,0.38 0.42);%带通滤波器系数z1=filter(b1,1,y_2fsk_n);%经过带通滤波器的信号z2=filter(b2,1,y_2fsk_n);ay_1_1=abs(fft(z1);%进行幅频特性分析ay_1_1=ay_1_1(1:length(f);ay_1_2=abs(fft(z2);ay_1_2=ay_1_2(1:length(f);st1_1=z1.*s1;%相乘器st2_1=z2.*s2;bn=fir1(101,0.04 0.16);%低通滤波器st1_2=filter(bn,1,st1_1);st2_2=filter(bn,1,st2_1);ay_2_1=abs(fft(st1_2);%进行幅频特性分析ay_2_1=ay_2_1(1:length(f);ay_2_2=abs(fft(st2_2);ay_2_2=ay_2_2(1:length(f);%判决器for i=1:n if st1_2(i)=st2_2(i)code_s_1(i)=0;else code_s_1(i)=1;end end%计算误码率for i=1:codn tag=code_s_1(i-1)*code_len+1:i*code_len);j=length(find(tag=0);if j=(code_len/2)code_s(i)=1;else code_s(i)=0;end end P1=sum(abs(code_s-code)/codn;%误码率名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 15 页 -二、信道噪声特性仿真代码%产生高斯白噪声省略画图代码t=0:0.001:0.999;%确定取点数和采样频率y1=wgn(1,1000,0.5);%高斯白噪声ya=abs(fft(y1);f1=(0:length(ya)-1)*1/length(ya);yb=ya.*filter_h;y2=ifft(yb);%滤波器ws=0.35,0.65;%ws 为归一化阻带边界频率wp=0.36,0.64;%wp 为归一化通带边界频率Ap=3;%Ap 单位为 dB 的通带波形As=15;%As单位为 dB 的最小阻带衰减n1,wn1=buttord(wp,ws,Ap,As);%n1为数字滤波器的阶数%wn1 为归一化截止频率num,den=butter(n1,wn1);%设计数字滤波器，num 系统函数的分子%计算单位为dB 的增益函数den 系统函数的分母w=0:pi/999:pi;%单位园上将函数转化为999 等分%计算相位filter_h=freqz(num,den,w);%频率响应计算 0,pi g=20*log10(abs(filter_h);%计算幅度pha=angle(filter_h);%相角计算%时域分析a,b=xcorr(y1);%高斯白噪声的自相关性c,d=xcorr(y2);%窄带高斯白噪声的自相关性m1=mean(y1);disp(m1);%计算平均值mi1=min(y1);disp(mi1);%极小值mx1=max(y1);disp(mx1);%极大值st1=std(y1);disp(st1);%标准差fc1=st1.2;%方差m2=mean(y2);disp(m2);%计算平均值mi2=min(y2);disp(mi2);%极小值mx2=max(y2);disp(mx2);%极大值st2=std(y2);disp(st2);%标准差fc2=st2.2;%方差%频域分析fa=(0:length(ya)-1)*1/length(ya);%换算出对应时域的频域横坐标值fb=(0:length(yb)-1)*1/length(yb);名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 15 页 -%功率谱密度nfft=1500;CXk1=fft(a,nfft);Pxx1=abs(CXk1);index=0:round(nfft-1);k=index*1000/nfft;plot_Pxx1=10*log10(Pxx1(index+1);CXk2=fft(c,nfft);Pxx2=abs(CXk2);plot_Pxx2=10*log10(Pxx2(index+1);名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 15 页 -