通信工程MATLAB上机实验指导书.docx

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1、MATLAB 试验指导书张 龙河北工程大学信电学院通信工程系2022 年 12 月10试验目的试验一 生疏 MATLAB 环境1. 生疏 MATLAB 主界面，学会常用的窗口的操作2. 学会简洁的矩阵输入3. 生疏 MATLAB 根本语句的使用、矩阵与向量的根本运算试验原理1. 用户第一次使用 MATLAB 时，可通过 demo 命令，启动 MATLAB 的演试程序，领会MATLAB 所供给的强大的运算与绘图功能。也可以键入help 进展进一步了解。2. MATLAB 是以矩阵作为根本编程单元的一种程序设计语言。它供给了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。在 MATLAB 中输入矩阵最便

2、利的的方式是直接输入矩阵的元素，其方法为：1） 用中括号 把全部矩阵元素括起来；2） 同一行的不同数据元素之间用空格或逗号间隔；3） 用分号；指定一行完毕；4） 也可以分成几行进展输入，用回车符代替分号；5） 矩阵元素可以是任何matlab 表达式 系统将自动计算结果，可以是实数，也可以是复数，复数可用特别函数 i，j 输入。3. MATLAB 语言最根本的赋值语句构造为：变量=表达式。表达式由操作符或其它字符，函数和变量名组成，表达式的结果为一个矩阵，显示在屏幕上，同时输送到一个变量(ans 为默认)中并存放于 workspace 工作空间中以备调用。试验内容11用空格或逗号输入矩阵A=1

3、2 3；4 5 6；7 8 9 B=9，8，7；6，5，4；3，2，1；C=4，5，6；7，8，9；1，2，3；或A=1,2,3;4,5,6;7,8,92试用回车代替 A 中的分号，观看输出结果。要求：总结矩阵的输入2. 用edit或选择File|new菜单中的M-file进入编辑器，输入:Base=9,8,7;6,5,4;3,2,1;Base_info=Base+1保存为 Base.m 文件，并通过Debug 中的 run 命令或F5运行之，观看有何特别现象。要求：解释特别现象的缘由。3. 翻开 Workspace 窗口，学习 save 及 load 命令的使用（1） 用 save 命令将上

4、述输入的 A、B、C 三个变量存入 data 或 data.mat 文件；(2) 通过 Current Directory 查找 data;（2） 然后使用 clc 及 clear 命令；（3） 最终通过 load data(或 data.mat)命令可通过向上的方向键找到上条save 命令再修改成 load 命令的方法将变量 A、B、C 调入 Workspce;(4) 执行命令 A+B+C要求：（1） 观看使用上述命令后 Workspce 的变化;（2） 使用命令 save data_new A B -ascii(或 ASCII),转变存储格式，重复上述过程(第 2 步查找 data_new

5、,第 3 步 load data_new, 第 4 步改为 A+B), 观看Workspce 显示结果的不同;(3) 查看 data_new，在 data_new 中取出 A 的值。试验报告要求针对试验内容中的各项要求，做出总结，给出试验报告。试验目的试验二 MATLAB 数值运算及绘图功能1. 把握 MATLAB 特别函数创立矩阵及利用已有矩阵创立矩阵的方法2. 把握矩阵的操作，矩阵之间的运算方法3. 学会使用常用的几种矩阵函数进展简洁的问题求解4. 把握 plot 根本绘图语句的使用试验原理一、利用 MATLAB 特别函数创立矩阵x=a:b；x=linspace(a,b,n)； zeros

6、(m,n)；ones(m,n)； eye(m,n)等randint(m,n)：mn 0,1 等概率随机阵rand(m,n)：mn (0,1) 间均匀分布随机阵randn(m,n)：mn 均值为 0，方差为 1 的标准正态分布随机阵二、矩阵的操作1. 矩阵中元素的表示：一是用两个下标来表示矩阵元素 A(i,j)，二是承受矩阵元素的索引值来引用矩阵元素A(index)称序号索引表示法。2. 矩阵中元素的提取和修改（1） 矩阵元素的提取矩阵 A 的第 r 行：Ar，：矩阵 A 的第 r 列：A：，r取矩阵 A 的第 i1i2 行、第 j1j2 列，构成矩阵：A(i1:i2, j1:j2) A 的第

7、i1i2 行，构成矩阵：A(i1:i2，：)删除 A 的第 j1j2 列，构成矩阵: A(：，j1:j2)= 将矩阵 A 和 B 拼接成矩阵：AB；A；B（2） 矩阵元素的修改可以利用下标对矩阵元素进展修改, 可用 find 函数修改3.矩阵中元素的数学运算元素取整函数：round(A)% 四舍五入取整fix(A)%将矩阵 A 中元素按离 0 近的方向取整floor(x)%向负无穷方向取整,即取缺乏整数ceil(x)%向正无穷方向取整,即取过剩整数4.矩阵的一些特别操作旋转与变形 矩阵的变维a=1:12;b=reshape(a,3,4)c=zeros(3,4);c(:)=a(:) 矩阵的变向r

8、ot90:旋转; fliplr:左右翻; flipud:上下翻 矩阵的抽取diag(D)% 取 D 矩阵的主对角元素X=diag(v)%以向量 v 为主对角线元素，其余元素为 0 构成矩阵 X a1=diag(A,1)%取 A 阵第一上对角线的元素A1=diag(a1,-1)%产生以 a1 数组元素为第一下对角线元素的二维数组 矩阵的扩展repmat(D,1,3)%在水平方向铺放三个 D 阵三、矩阵之间的运算1. 矩阵乘法：A*B，只有当前一矩阵的列数和后一矩阵的行数一样或者其中一个为标量时才能进展。2. 矩阵除法：运算符有两种 左除和/右除，两矩阵相除，主要用于方程组求解。 A*x=B 的解

9、为 x=AB；x*A=B 的解为 x=B/A。3x + 2 y - z = 10 32-1 x 10 -x + 3y + 2z = 5A = -132 X = y B = 5 z-1x - y - z = -1 1-1-1要解上述的联立方程式，可利用矩阵左除 做运算，即：X=AB， 左除时要求 A、B 的行数相等。四、常用的几个矩阵函数n=numel(A) %计算矩阵 A 中元素的个n= length(a) %计算向量中元素的个数m,n=size(A) %返回矩阵的行列数size(A,1)%返回矩阵的行数；size(A,2)%返回矩阵的列数max、min 各列最大、最小值，如： Y,I=max

10、(A) %返回各列最大值 Y 及最大值在各列的位置mean 各列平均值；sum 各列求和；std 各列标准差；var 各列方差；sort 各列递增排序试验内容1. 写出以下命令的运算结果，然后验证：1A=eye(2); 5:5:113a=1 2 4 5;b=(a=-2 & a4)6m=7 6 5 8 10 4; m(find(m=7)=2. 生疏矩阵的根本运算(1) 矩阵的根本数学运算键入矩阵 a，b a=1 2;0 3b=3 4+3i;8+i 10作如下运算，并记录结果。V1=a+b V2=sum(a) V3=sum(b) V4=a V5=a. V6=bV7=b.比较 V4 和 V5 有什么

11、不同， V6 和 V7 有什么不同 V8=a*bV9=a.*b比较 V8 和 V9 有什么不同 V10=a2V11=a/b(矩阵右除，常规除)V12=ab(矩阵左除，比较左除与右除的结果有什么不同)3. 利用randn函数建立33的矩阵：(a) 使用函数sum, 分别求此矩阵第一列的和、第三行的和(b) 使用函数max, 找出此矩阵中, 最大的元素4. 按如下要求，绘制两条曲线，一条是余弦曲线 x (t )= cos(2p 20t )，另一条是按 100Hz 抽样频率对余弦曲线进展抽样得到的离散序列。设 t 的时长为 0.1s。要求：（1） 在同一窗口中使用hold on 命令绘出上述两条曲线

12、，并设置图形属性如下： 连续曲线：黑色，实线抽样序列：红色，虚线, 宽为 3 个象素图题为 连续余弦曲线及其抽样序列 ，并加图例;（2） 使用 subplot 命令绘出上述两条曲线;（3） 交互式绘图方式将图题改为“余弦曲线”。5. MATLAB 的绘图修饰（1） 颜色、线型和数据点标志x=0:pi/50:2*pi; y=cos(x);plot(x,y,”-.mo”)%用品红色、点划线和数据标记点符号“o”来绘图plot(x,y,”-g*”)%用绿色、虚线和数据标记点符号“*”来绘图（2） 坐标轴的掌握x=0:0.02:5;y=x.2; plot(x,y,”-g*”)axis(-1,11,-2

13、,30);%比较用此命令前后图形的区分（3） 坐标网格在(2)命令的根底上，参加命令：grid on可看到图形上的网格线。（4） 图形的标注和图例x=linspace(0, pi,20); y=sin(x);z=cos(x);w=x-0.5;plot(x,y,”b:”,x,z,”r-”,x,w,”-.b*”);%绘图xlabel(”X axis”);% x 轴的标注ylabel(”function y,z and w”);%y,z,w 轴的标注title(”Three Function”);%图形的标题grid ontext(2,1,”y=sinx”)%在点(6,-0.5)处标注text(2,

14、0. 3,”z=cosx”)gtext(”w=x-0.5”)legend(”y=sinx”,”z=cosx”,”w=x-0.5”)%制作图例说明盒试验报告要求1. 写出每一试验的设计过程及试验结果2. 总结试验，写出上机收获与体会试验三 MATLAB 程序设计根底试验目的1. 生疏 MATLAB 的数据构造2. 生疏流程掌握语句的使用，搞清 MATLAB 中循环体与 C 语言的不同3. 把握脚本与函数文件的编程方法4. 进一步把握绘图语句的使用试验原理一、MATLAB 的数据类型在 MATLAB 中有六种常用根本数据类型： double(双精度数值char(字符 sparse稀疏数据)：一般用

15、于处理稀疏矩阵storage存储型：只用于内存的有效存储cell单元数组： struct构造：一般只在大型程序中使用在 MATLAB 中，全部的数都用double 浮点双精度类型来存储和运算。因而省略了定义类型的语句，编程时无需去思考区分，也削减了错误。固然对于那些原来要用一两个字节来表示的变量来说，这种做法铺张内存，又降低了运算速度。但用牺牲存储空间和运算时间来换取人机交互友善性的战略被证明是有效的，它形成了科学计算语言的特色，使人们不在编程的细节上花精力，而把留意力集中到科学计算的方法和建模合理性等大问题上去。二、MATLAB 的流程掌握语句与 C 语言类似，MATLAB 程序的掌握构造也

16、有挨次构造、选择构造和循环构造三种，另外还有一种摸索构造。由于 MATLAB 以矩阵为运算单位，所以在 for 和 while 循环构造及分支构造的使用上与 C 略有不同，这是特别要留意的，期望通过本次试验加以理解。1. for 循环的格式for 循环可承受有效维数的数组作为循环变量for x=arrayendcommands ;For 循环语句的执行过程：当循环变量为矩阵时，其执行过程是从矩阵的第一列开头，依次将矩阵的各列之值赋值给变量，然后执行语句组中的语句，直到最终一列。2. switch 分支构造的格式switch switth_expr 分支条件(数值或字符串) case数值(或字符

17、串)常量表达式 1case数值(或字符串 )常量表达式 case_expr2，数值(或字符串 )常量表达式case_expr3case数值(或字符串)常量表达式 N otherwiseend三、MATLAB 的 m 文件m 文件是由 MATLAB 语句构成的 ASCII 码文件，用户可以用一般的文本编辑把一系列 MATLAB 语句写进一个文件里，给定文件名，确定文件的扩展名为.m，并存储。m 文件可分为两种：1. 脚本文件Scripts：也称命令文件，是由用户为解决特定的问题而编制的；2. 函数文件(Function)：子程序，可由用户编写，但它必需由其它 m 文件来调用试验内容1. 按要求给

18、出结果（1） 假设有s=input( Please input a=); 给出运行时错误的输入方式：A) 2B) JohnC) 1 2 3 4D) John（2） A=dec2bin(7,4)(3) xf=4 3 0 0;for k=0:2 xshift(k+1,:)=zeros(1,k),xf(1:end-k); endxshift2. 使用switch 语句编写 DTMFDual-Tone Multi-Frequency拨号音编码时域波形仿真程序。说明：（1） 一个双音多频 机可以对 12 个按键编码，每个码都是两个单频正弦信号之和，例如：按键“5”由两个频率分别为 770Hz 和 133

19、6Hz 的正弦信号组成； 按键“#”分别由两个频率为 941Hz 和 1447Hz 的正弦信号组成。这两个单频正弦信号分别来自两个频率组，即列频率组或称低频群与行频率组或称高频群，它们与每个按键的对应关系如以下图所示：Hz120913361477697123A770456B852789C9410D图 1 按键式拨号盘的配置（2） DTMF 信号的指标是：在传送过程中每个按键数字占用 100ms，其中 DTMF必需存在至少 40ms，且不得多于 55ms，100ms 里的其余时间是静声无信号。要求：（1） 每输入一个数字给出相应的波形key=input(”please input key val

20、uve ,09 or # or *:”,”s”);（2） fl表示低频率；fh表示高频率（3） 依据所拨数字用switch给定fl及fh的值（4） 主要参数如下： fs=8000; %语音信号采样值dt=1/fs;t=0:dt:0.05; %按要求给出DTMF信号的时长x=0.9*cos(2*pi*fl*t)+cos(2*pi*fh*t); sound(x,8000) %按时长仿真发出的拨号音plot(t,x)zoom xon, grid on3. 创立一个函数文件, 建立如下函数x 2 + y 2f (x, y) = x 2 - y 2x + y 0x + y 0给x,y 由键盘赋值,承受调

21、用方法计算f 值,试编写程序(M 文件),并以x=6,y=-3及 x=-6,y=3 二种状况运行,写出运行结果。键盘赋值指令为:x=input( x=?) ,该指令功能是由键盘结 x 赋值 ,运行该指令时, 计算机暂停下来输出提示:x=?,用户从键盘键入值后按回车键,即可将从键盘键入值赋给变量 x)4. 分别使用 while 和 for 编写命令文件，用循环语句编程计算 s 值:s = 10n=2(n3 - n2 )试验报告要求1. 写出每一试验的设计过程2. 总结试验，写出相应的体会3. 总结程序调试常用技巧试验五 线性系统分析、simulink 仿真一、试验目的1. 把握离散时间信号的MA

22、TLAB表示2. 把握线性系统描述方法, 线性系统的时间响应分析和频响分析;3. 把握线性时不变系统的各种描述方式，线性时不变系统的响应。4. 把握线性时不变系统的频响。5. 把握IIR 数字滤波器的设计方法及MATLAB 实现3. 应用simulink 建立线性系统仿真模型,把握仿真步骤.二、试验原理1. 线性系统描述系统的传递函数描述Y (s)num(s)aH (s) =U (s)den(s)bm-1sm-1 + am-2sm-2 + . + a0sn-1 + bsn-2 + . + bn-1n-20在 matlab 中用二个向量num 和 den 表示该系统num=am-1, am-2,

23、 a0den=bn-1, bn-2, b02. 线性系统的时间响应分析阶跃响应y=step(a,b,c,d,iu,T)T 为等间隔的时间向量.3. 线性系统的频响分析Bode(波特)图(1) bode(num,den,w)% 直接得到bode 图(2) m,p= bode(num,den,w)% 得到幅值m,相角p, w为频率(rad/sec).4. simulinksimulink 是 matlab 软件中的数字仿真工具.是一个用来对动态系统进展建模、仿真和分析的集成环境.模型的建立:(1) 在 matlab 命令窗口中:File/New/model 建立一个名为untitled 的模型窗口

24、.等建好系统模型后,再由用户命名保存.(2) 将功能模块由模块库中拖出(复制)到模型窗口,对模块进展连接，从而构成需要的系统模型.(3) 设置功能模块参数,设置仿真参数. (4)仿真运行.三、 试验内容教材 p183 页，习题 8， 10 等题。四、试验要求1. 预习试验原理.2. 对试验内容编程或建模,上机运行,记录运行结果(图或曲线或数据).3. 写出试验报告试验五 MATLAB 在通信系统仿真中的应用试验目的1. 把握信源随机二进制信号的产生方法2. 了解数字信号复数映射的方法3. 了解信道编码的仿真方法4. 了解噪声信道和多径信道的仿真方法5. 生疏利用 MATLAB 仿真通信系统的根

25、本过程试验原理一、数字通信系统根本组成常用的数字通信系统基带传输模型如图 5-1 所示：5-1 数字通信系统基带传输模型二、数字通信系统根本传输的仿真依据上述模型需完成以下仿真过程：1. 随机二进制 0、1 信源信号的产生随机信号常常用来模拟噪声、错误或信号源。除了 MATLAB 的内置函数 rand和 randn，通信工具箱还供给 randint 函数。格式如下：out=randint(m,n)功能说明：产生 mn 的矩阵，其元素相互独立，取值范围为 1 或 0，取值是等概的。2. 信道的仿真方法（1） 高斯白噪声信道高斯过程又称正态随机过程，它是一种普遍存在和重要的随机过程，在通信信道中的

26、噪声，通常是一种高斯过程，故又称为高斯噪声。利用 awgn 函数可为信号叠加高斯白噪声,其常见的使用格式说明如下：y = awgn(x,snr)%adds white Gaussian noise to the vector signal x. The scalar snr specifies the signal-to-noise ratio per sample, in dB. If x is complex, then awgn adds complex noise. This syntax assumes that the power of x is 0 dBW.y = awgn(x,

27、snr,”measured”)%It is the same as y = awgn(x,snr), except that awgn measures the power of x before adding noise本次试验承受其次种方法。（2） 多径衰落信道在仿真过程中，假设以抽样的序列来表示信号，多径的影响可以表示如下：y(n) = x(n - i) * a(i)其中a(i) 是第 i 条路径的衰落值，可以用一个信道向量表示为a, a , a, a，其中ai表示延迟i 个码元信道的平均衰落。012N举例说明，用信道向量1 0 0 0 0 0.5来表示莱斯多径，它意味着电磁波通过一个没

28、有延迟，没有衰落的信道；和一个延迟为5 个码元，衰落系数为 0.5 的信道。在这样的两径信道里，接收信号为：y(n) = 1* x(n) + 0.5 * x(n - 5)在仿真噪声及多径对信号的影响，可先对信号加噪，再做多径处理，表示为：y(n) = x”(n) * af(n) = x(n) + z(n)* af(n)其中 af(n) 是信道向量打算的滤波器。 在 MATLAB中可使用函数filter(Multipath,1,BaseSignal)给信号 BaseSignal 按 Multipath 所代表的多径向量加多径。3. 数字信号的调制映射数字信号的调制映射的根本思想是将二进制序列，分

29、成长度为 n=1、2、4 的组，分别对应BPSK、QPSK、16QAM。然后再把这些二进制序列组分别映射为星座图中对应点的复数表示，其映射承受如图 5-2 所示的星座映射图。由图5-2可得知，BPSK调制将0和1映射为2个点；正交振幅调制16QAM 是将每四位比特流映射映射成星座坐标图中的16个点中的一个；QPSK将每两位比特流映射成星座坐标图中的4个点中的一个，其中有GRAY mapping 和 Natural mapping。Gray mpping表示按格雷码方式映射，Natural mapping 表示按自然码方式映射。图 5-2BPSK、QPSK、16QAM 比特编码映射图在星座图中，

30、每个点的横坐标对应于该点的实部，纵坐标对应当点的虚部， 这样通过星座映射将 0，1 比特流转换成了复数信号流。如假设对 011 比特流进展BPSK 调制映射，则变成 10j，-1+0j，-1+0j。试验内容1. 编写随机解交织 derandperm_inter 和行列式解交织函数 delincol_inter,其格式如下：Data_out=delincolinter(Data_in,alpha);% delincolinter行列解交织函数% 待解交织的序列Data_in% alpha表示发送端行列序列号的交织向量% 解交织后的序列Data_out2. 编写函数mappingBPSK 完成BP

31、SK 映射及demappingBPSK 函数完成逆映射,格式如下：BPSKCode = mappingBPSK(Xframe)%mappingBPSK完成BPSK编码映射% Xframe 待编码映射的序列% BPSKCode编码映射后的序列deBPSKCode = demappingBPSK(PskCode)% demappingBPSK 完成 BPSK 编码逆映射3. 利用 randint(1,data)产生 0，1 等概的二进制信源信息，然后调用BPSK 映射mappingBPSK 及逆映射 demappingBPSK 函数,并通过信号分析函数 biterr，检验所编的映射和逆映射函数的正

32、确性。注：biterr格式：Error = biterr(data_in,data_out)功能：biterr 计算 data_in,data_out 之间的误比特数 Error。4. 依据图 5-1 所示数字通信系统基带传输模型的信号流程，在下述条件下完成以下两项内容：（1） 比较随机交织抗噪及抗多径性能用 SNR-BER 关系图来表示；（2） 比较随机交织与行列式交织的抗噪性能用 SNR-BER 关系图来表示。Xframe_Len=256;%帧长SNRdB0:10；%分贝表示的信噪比行列交织：行 m=16,列 n=17 的方式读入并按列读出Nframe100 %测试 100 帧信号总的误比特率试验报告要求写出每一试验的设计过程，并总结试验