2021-2022收藏的精品资料MATLAB仿真实例通信原理.doc
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1、一、实验目的1二、实验题目1三、实验内容13.1傅里叶变换与傅里叶反变换13.2题目一:正弦信号波形及频谱23.2.1仿真原理及思路23.2.2程序流程图33.2.3仿真程序及运行结果33.2.4实验结果分析53.3题目二:单极性归零(RZ)波形及其功率谱53.3.1仿真原理及思路53.3.2程序流程图63.3.3仿真程序及运行结果63.3.4实验结果分析83.4题目三:升余弦滚降波形的眼图及其功率谱83.4.1仿真原理及思路83.4.2程序流程图83.4.3仿真程序及运行结果83.4.4实验结果分析:103.5题目四:完成PCM编码及解码的仿真113.5.1仿真原理及思路113.5.2程序流
2、程图123.5.3仿真程序及运行结果123.5.4实验结果分析153.6附加题一:最佳基带系统的PeEbNo曲线,升余弦滚降系数a=0.5,取样值的偏差是Ts/4163.6.1仿真原理及思路163.6.2程序流程图163.6.3仿真程序及运行结果163.6.4实验结果分析183.7附加题二:试作出PeEb/No曲线。升余弦滚降系数a0.5,取样时间无偏差,但信道是多径信道,C(f)=|1-0.5-j2pft|,t=Ts/2183.7.1仿真原理及思路183.7.2程序流程图193.7.3仿真程序及运行结果193.7.4实验结果分析21四、实验心得21一、 实验目的n 学会MATLAB软件的最基
3、本运用。MATLAB是一种很实用的数学软件,它易学易用。MATLAB对于许多的通信仿真类问题来说是很合适的。n 了解计算机仿真的基本原理及方法,知道怎样通过仿真的方法去研究通信问题。n 加深对通信原理课程有关内容的理解。二、 实验题目u 必做题:1) 正弦信号波形及频谱;2) 单极性归零(RZ)波形及其功率谱,占空比为50%;3) 升余弦滚降波形的眼图及其功率谱。滚降系数为0.5。发送码元取值为0、2。u 选做题:完成PCM编码及解码的仿真。u 附加题:1) 最佳基带系统的PeEbNo曲线,升余弦滚降系数a=0.5,取样值的偏差是Ts/4;2) 试作出PeEb/No曲线。升余弦滚降系数a0.5
4、,取样时间无偏差,但信道是多径信道,。三、 实验内容3.1 傅里叶变换与傅里叶反变换对于确定信号,其傅里叶变换为: 傅里叶反变换为:在通信原理仿真中,傅里叶变换与傅里叶反变换会经常用到,我们可以利用MATLAB的快速傅里叶变换函数fft与快速傅里叶反变换函数ifft编写傅里叶变换子程序与傅里叶反变换子程序。其程序代码如下:傅里叶变换子程序:%傅里叶变换子程序function X=t2f(x)global dt df N t f T%X=t2f(x)%x为时域的取样值矢量%X为x的傅氏变换%X与x长度相同,并为2的整幂。%本函数需要一个全局变量dt(时域取样间隔)H=fft(x);X=H(N/2
5、+1:N),H(1:N/2).*dt;end傅里叶反变换子程序:%傅里叶反变换子程序function x=f2t(X)global dt df t f T N%x=f2t(X)%x为时域的取样值矢量%X为x的傅氏变换%X与x长度相同并为2的整幂%本函数需要一个全局变量dt(时域取样间隔)X=X(N/2+1:N),X(1:N/2);x=ifft(X)/dt;%x=tmp(N/2+1:N),tmp(1:N/2);end3.2 题目一:正弦信号波形及频谱3.2.1 仿真原理及思路一般来说,任意信号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
6、时间段。为此我们把按区间截短为,再对按时间间隔均匀取样得到个样值。仿真时我们用这个样值集合来表示信号。显然反映了仿真系统对信号波形的分辨率,越小则仿真的精确度越高。据通信原理所学,信号被取样以后的频谱是频率的周期函数,其重复周期是。如果信号的最高频率为,那么必须有才能保证不发生混叠失真。我们称为仿真系统的系统带宽。如果我们的仿真程序中设定的采样间隔是,那么我们不能用此仿真程序来研究带宽大于的信号或系统。此外,信号的频谱通常来说也是定义在频率区间上的连续函数,所以仿真频域特性时,我们也必须把截短并取样。考虑到系统带宽是,我们把频域的截短区间设计为,然后再按间隔均匀取样得到个样值。反映了仿真系统在
7、频域上的分辨率。频域离散的信号对应到时域是一个周期信号,其周期为。类似前面的分析,如果我们的仿真程序中设定的采样间隔是,那么我们就不能仿真截短时间超过的信号。考虑到时域截短时间为T,我们把频域的取样间隔设计为。 这样一来,时域的总取样点数及频域的总取样点数都相等,为。要提高仿真的精度,就必须降低时域取样间隔及频域取样间隔,也就是要加大总取样点数N。这说明仿真的精度与仿真系统的运算量直接有关。为了处理上的方便,我们今后规定采样点数N为2的整幂。首先,设定正弦信号的采样点数为,时域采样间隔为,频域采样间隔为,所以定义一个时域的维矢量,定义一个频域的维矢量;其次,定义一个余弦函数,其中,并对其进行傅
8、里叶变换及傅里叶反变换;最后,画出该余弦函数波形图与频谱图。3.2.2 程序流程图产生余弦信号傅里叶变换画出频谱图傅里叶反变换画出余弦信号波形产生余弦信号及频谱流程图3.2.3 仿真程序及运行结果仿真程序:%实验一:正弦信号波形及其频谱close allclear allglobal dt df N t f T %全局变量N=214; %采样点数dt=0.01; %时域采样间隔df=1/(N*dt);%频域采样间隔T=N*dt; %截短时间Bs=N*df/2; %系统带宽t=linspace(-T/2,T/2,N);f=linspace(-Bs,Bs,N);s=sin(2/3*pi*t);S=
9、t2f(s);a=f2t(S);figure(1)set(1,Position,10,350,600,200)%设定窗口位置及大小 figure(2)set(2,Position,10,50,600,200)%设定窗口位置及大小 figure(1)as=abs(S); %求模plot(f,as)axis(-2,+2, 1.1*min(as), 1.1*max(as)xlabel(f (MHz) ylabel(Ps(f)grid onfigure(2)plot(t,a)axis(-5,5,1.1*min(a),1.1*max(a);xlabel(t) ylabel(s(t)grid on程序运行
10、结果:取样点数=2k,k=14,得到如下波形:3.2.4 实验结果分析由上图可以看出,余弦函数的频谱为两个脉冲信号的叠加,两个脉冲信号分别在和处。3.3 题目二:单极性归零(RZ)波形及其功率谱3.3.1 仿真原理及思路功率信号的平均功率:。该信号的双边功率谱密度为:,其中是截短后的傅氏变换,是的能量谱,是在截短时间内的功率谱。对于仿真系统,若x是时域取样值矢量,X是对应的傅氏变换,那么x的功率谱便为矢量。对于采用归零(RZ)及不归零(NRZ)矩形脉冲波形的数字信号,可以用简单的方法信号矢量s。设a是码元矢量,N是总取样点数,M是总码元数,L是每个码元内的点数,那么NRZ信号可这样获得:s=z
11、eros(1,N);for ii=1:L, s(ii+0:M-1*L)=a; end对于,若Rt是要求的占空比,dt是仿真系统的时域采样间隔,则RZ信号的产生方法是:s=zeros(1,N);for ii=1:Rt/dt, s(ii+0:M-1*L)=a; end首先,利用rand函数产生一个尺寸为1*M的矩阵,其元素按均匀分布随机取值于区间0,1,并用round函数对其四舍五入,得到一个随机产生的0,1序列;其次,利用for循环产生码元长度为L点,码元为0,1,且占空比为50%的单极性归零码,并画出其波形图;最后,计算该RZ的功率谱密度,并画出其波形。3.3.2 程序流程图产生0,1分布的随
12、机序列产生码元为0,1的RZ计算功率谱,并画出波形画出波形RZ波形及其功率谱密度仿真流程图3.3.3 仿真程序及运行结果仿真程序:%实验二:画出单极性归零码及其功率谱close allclear allglobal dt t df NN=214;%采样点数L=64;%每码元的采样点数M=N/L;%码元数Rb=2;%码速率为2Mb/sTs=1/Rb;%码元间隔dt=Ts/L;%时域采样间隔Rt=0.5; %占空比df=1/(N*dt);%频域采样间隔T=N*dt; %截短时间Bs=N*df/2;%系统带宽t=linspace(-T/2,T/2,N);%时域横坐标f=linspace(-Bs,Bs
13、,N);%频域横坐标EP=zeros(1,N);for jj=1:100 a=round(rand(1,M); %产生M个取值0,1等概的随机码 s=zeros(1,N); %产生一个N个元素的零序列 for ii=1:Rt*Ts/dt s(ii+0:M-1*L)=a;%产生单极性归零码 end Q=t2f(s); %付氏变换 P=Q.*conj(Q)/T; %P为单极性归零码的功率 EP=(EP*(jj-1)+P)/jj; %累计平均end aa=30+10*log10(EP+eps);%加eps以避免除以零figure(1)set(1,Position,10,350,600,200)%设定
14、窗口位置及大小 figure(2)set(2,Position,10,50,600,200)%设定窗口位置及大小figure(1)plot(f,aa,g)xlabel(f(MHZ)ylabel(Ps(f)axis(-15,+15, 1.1*min(aa), 1.1*max(aa)grid onfigure(2)plot(t,s,r)xlabel(t(ms)ylabel(s(t)(V)axis(-10,+10,1.1*min(s),1.1*max(s)grid on程序结果:输入取样点数=2k,k=14,得到如下波形:3.3.4 实验结果分析由上图结果可以看单极性归零码序列的功率谱密度不仅含有离
15、散的直流分量及连续谱,而且还包含离散的时钟分量和奇次谐波分量,功率谱主瓣宽度为码元速率2Rb Mb/s。根据数字PAM信号功率谱密度公式得到:功率谱分为两个部分,第一部分是连续谱,形状取决于GT(f);第二部分是离散线谱,相邻线谱频率间隔为1/Ts。若序列的均值ma为零,则第二部分为零,即离散线谱消失,单极性码的均值不为零,故都存在直流分量。3.4 题目三:升余弦滚降波形的眼图及其功率谱3.4.1 仿真原理及思路眼图是数字信号在示波器上重复扫描得到的显示图形。若示波器的扫描范围是Na个码元,那么画眼图的方法是:tt=0:dt:Na*L*dt;hold onfor ii=1:Na*L:N-Na*
16、L plot(tt,s(ii+1:Na*L);end首先,产生一个sinc函数,并定义升余弦滤波器的传递函数为,得到升余弦脉冲为;其次,对升余弦脉冲进行傅里叶变换,画出升余弦信号的频谱图;最后,再对所得函数进行傅里叶反变换并对结果取实数部分,并利用for循环,画出Na个码元宽度的眼图。 3.4.2 程序流程图产生升余弦信号傅氏变换计算功率谱画出图形傅氏逆变换画出眼图升余弦滚降波形的眼图及其功率谱仿真流程图3.4.3 仿真程序及运行结果仿真程序:%实验三:升余弦滚降波形的眼图及其功率谱close allclear allglobal dt t df NN=214; %采样点数L=32; %每码元
17、的采样点数M=N/L; %码元数Rb=2;%码速率是2Mb/sTs=1/Rb; %码元间隔dt=Ts/L; %时域采样间隔df=1/(N*dt); %频域采样间隔T=N*dt; %截短时间Bs=N*df/2; %系统带宽Na=4; %示波器扫描宽度为4个码元alpha=input(滚降系数=0.5); t=-T/2+dt/2:dt:T/2; %时域横坐标f=-Bs+df/2:df:Bs; %频域横坐标g1=sin(pi*t/Ts)./(pi*t/Ts);g2=cos(alpha*pi*t/Ts)./(1-(2*alpha*t/Ts).2);g=g1.*g2; %升余弦脉冲波形G=t2f(g);
18、figure(1)set(1,Position,10,350,600,200)%设定窗口位置及大小 figure(2)set(2,Position,10,50,600,200)%设定窗口位置及大小 hold ongrid onaxis(-3,+3,-50,50)xlabel(t in us)ylabel(s(t) in V)EP=zeros(size(f)+eps;for ii=1:50 a=sign(randn(1,M);a=a+1;imp=zeros(1,N); %产生冲激序列imp(L/2:L:N)=a/dt;S=t2f(imp).*G; %升余弦信号的傅氏变换s=f2t(t2f(imp
19、).*G); %升余弦信号的时域波形s=real(s);P=S.*conj(S)/T; %升余弦信号的功率谱EP=(EP*(ii-1)+P+eps)/ii;endfigure(2)tt=0:dt:Na*L*dt;for jj=1:Na*L:N-Na*L plot(tt,s(jj:jj+Na*L); axis(0,+2,-1,3) grid onend %作眼图figure(1)plot(f,30+10*log10(EP),g);grid onaxis(-3,+3,-50,50)xlabel(f (MHz)ylabel(Ps(f) (dBm/MHz)程序运行结果:输入滚降系数=0.5,得到如下波
20、形:3.4.4 实验结果分析:由上图可以清晰地看出时的眼图,定性的判断此时系统的误码严重程度,可以得到最佳抽样时刻约为0.22us、0.72us、1.22us、1.72us。该程序还可以输入不同的值得到不同滚降系数时的眼图,越接近1,信号成形的波形越好,眼图的质量也越好,而在一定码元速率下随着值的增加,信号占用的带宽就越大,频带利用率下降。3.5 题目四:完成PCM编码及解码的仿真3.5.1 仿真原理及思路在PCM中,对模拟信号进行抽样、量化,将量化的信号电平值转化为对应的二进制码组的过程称为编码,其逆过程称为译码或解码。从理论上看,任何一个可逆的二进制码组均可用于PCM。但是目前最常见的二进
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