北京郵電大學(xué)通信原理軟件實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：基于SYSTEMVIEW通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)一：驗(yàn)證抽樣定理一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握抽樣定理2. 通過(guò)時(shí)域頻域波形分析系統(tǒng)性能二、 實(shí)驗(yàn)原理低通濾波器頻率與m（t）相同三、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 要求三個(gè)基帶信號(hào)相加后抽樣，然后通過(guò)低通濾波器恢復(fù)出原信號(hào)。2. 連接各模塊完成系統(tǒng)，同時(shí)在必要輸出端設(shè)置觀察窗。3. 設(shè)置各模塊參數(shù)。三個(gè)基帶信號(hào)的頻率從上到下分別設(shè)置為10hz、12hz、14hz。抽樣信號(hào)頻率設(shè)置為28hz，即2*14hz。（由抽樣定理知，）將低通濾波器頻率設(shè)置為14hz，則將恢復(fù)第三個(gè)信號(hào)（其頻率為14hz）進(jìn)行系統(tǒng)定時(shí)設(shè)置，起始時(shí)間設(shè)為0，終止時(shí)間設(shè)為1s

2、.抽樣率設(shè)為1khz。3. 觀察基帶信號(hào)、抽樣后的信號(hào)、最終恢復(fù)的信號(hào)波形四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果最上面的圖為原基帶信號(hào)波形，中間圖為最終恢復(fù)的信號(hào)波形，最下面的圖為抽樣后的信號(hào)波形。五、 實(shí)驗(yàn)討論從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，正如前面實(shí)驗(yàn)原理所述，滿足抽樣定理的理想抽樣應(yīng)該使抽樣后的波形圖如同沖激信號(hào)，且其包絡(luò)圖形為原基帶信號(hào)波形圖。抽樣后的信號(hào)通過(guò)低通濾波器后，恢復(fù)出的信號(hào)波形與原基帶信號(hào)相同。由此可知，如果每秒對(duì)基帶模擬信號(hào)均勻抽樣不少于2次，則所得樣值序列含有原基帶信號(hào)的全部信息，從該樣值序列可以無(wú)失真地恢復(fù)成原來(lái)的基帶信號(hào)。討論：若抽樣速率少于每秒2次，會(huì)出現(xiàn)什么情況？答：會(huì)產(chǎn)生失真，這種失真被稱(chēng)為混疊

3、失真。六、 實(shí)驗(yàn)建議、意見(jiàn)增加改變抽樣率的步驟，觀察是否產(chǎn)生失真。實(shí)驗(yàn)二: 奈奎斯特第一準(zhǔn)則一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）理解無(wú)碼間干擾數(shù)字基帶信號(hào)的傳輸；（2）掌握升余弦滾降濾波器的特性；（3）通過(guò)時(shí)域、頻域波形分析系統(tǒng)性能。二、 實(shí)驗(yàn)原理 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，碼元是按照一定的間隔發(fā)送的，接收端只要能夠正確地恢復(fù)出幅度序列，就能夠無(wú)誤地恢復(fù)傳送的信號(hào)。因此，只需要研究如何使波形在特定的時(shí)刻無(wú)失真，而不必追求整個(gè)波形不變。奈奎斯特準(zhǔn)則提出：只要信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后能夠在抽樣點(diǎn)保持不變，即使其波形已經(jīng)發(fā)生了變化，也能夠在抽樣判決后恢復(fù)原始的信號(hào)，因?yàn)樾畔⑼耆謴?fù)攜帶在抽樣點(diǎn)幅度上。 奈奎斯特準(zhǔn)則要求在波形成形輸入

4、到接收端的濾波器輸出的整個(gè)傳送過(guò)程傳遞函數(shù)滿足： ,其充分必要條件是x(t)的傅氏變換X ( f )必須滿足奈奎斯特準(zhǔn)則還指出了信道帶寬與碼速率的基本關(guān)系。即RB=1/TB=2N=2BN。式中Rb為傳碼率，單位為比特/每秒（bps）。fN和BN分別為理想信道的低通截止頻率和奈奎斯特帶寬。上式說(shuō)明了理想信道的頻帶利用率為RB/BN=2。在實(shí)際應(yīng)用中，理想低通濾波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，升余弦濾波器是在實(shí)際中滿足無(wú)碼間干擾傳輸?shù)某湟獥l件，已獲得廣泛應(yīng)用的濾波器。升余弦濾波器的帶寬為：。其中， 為滾降系數(shù)，0 1，三、實(shí)驗(yàn)步驟 1. 根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證奈奎斯特第一準(zhǔn)則的仿真系統(tǒng)，同時(shí)在必要輸出

5、端設(shè)置觀察窗。設(shè)計(jì)圖如下2. 設(shè)置各模塊參數(shù)：3.圖形編號(hào)功能參數(shù)Token2基帶信號(hào) -PN序列幅度Amp = 1 v；信息速率Rate = 10Hz維數(shù)Levels = 2；相位 Phase = 0 deg Token 3延時(shí)器延時(shí)Delay=0.460 secToken4升余弦濾波器帶寬Symbol Rate = 100 Hz升余弦系數(shù)Roll-Off Factor = 0Token9LowPass FIR理想信道帶寬Fc = 5 Hz；（是基帶信號(hào)頻率10hz的一半，正是傳輸信號(hào)的奈奎斯特帶寬。）Token14高斯噪聲方差Std Dev = 0 v；均值 Mean = 0 v；Toke

6、n10采樣采樣速率Rate=1KHzToken11判決Gate Delay=0sec ，Threshold=0V，TRUE OUTPUT=1V,FALSE OUTPUT=-1V 4. 在信道帶寬一定的條件下，首先在無(wú)噪聲的情況下，分別觀察輸入信號(hào)與輸出信號(hào)特性。5. 在信道帶寬一定的條件下，逐漸加入噪聲，觀察輸入信號(hào)、輸出信號(hào)波形；6. 在信道帶寬一定的條件下，將輸入信號(hào)的傳輸速率增大一倍，為20hz，觀察輸入信號(hào)、輸出信號(hào)波形；7. 將滾降系數(shù)改為1，觀察輸入信號(hào)、輸出信號(hào)波形四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 以下各圖黃線為輸入信號(hào)，綠線為輸出信號(hào)1. 在信道帶寬一定的條件下，首先在無(wú)噪聲的情況下，分別觀察輸入

7、信號(hào)與輸出信號(hào)特性。發(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)波形基本一致，驗(yàn)證了奈奎斯特第一準(zhǔn)則。2. 在信道帶寬一定的條件下，逐漸加入噪聲，觀察輸入信號(hào)、輸出信號(hào)波形；1) 噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為1v時(shí)2) 噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為2v3) 噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為3v4) 噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為5v由以上各圖可知，加入噪聲幅度較小時(shí)，仍能正常傳輸。當(dāng)加入噪聲幅度較大時(shí)，可觀察到明顯的碼間干擾，輸出波形與輸入波形不一致。3. 在信道帶寬一定的條件下，將輸入信號(hào)的傳輸速率增大一倍，為20hz，觀察輸入信號(hào)、輸出信號(hào)波形；此時(shí)信道帶寬不滿足奈奎斯特帶寬，輸出波形與輸入波形明顯不一致4. 將滾降系數(shù)改為1，觀察輸入信號(hào)、輸出信號(hào)波形輸出波形變化不大，與輸入波

8、形仍然基本一致。五、實(shí)驗(yàn)討論 改變滾降系數(shù)對(duì)輸出波形的影響？答：當(dāng)0時(shí)，就是理想奈奎斯特濾波器，此時(shí)的傳輸帶寬是理想奈奎斯特濾波器的最小帶寬，但當(dāng)0時(shí)，系統(tǒng)傳輸帶寬就超過(guò)了奈奎斯特最小帶寬，這時(shí)碼率速率Rs就小于2倍帶寬，如果解調(diào)器在每個(gè)碼元間隔內(nèi)僅做一次采樣，那么會(huì)因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)太少而不能可靠恢復(fù)模擬波形，產(chǎn)生失真。但是數(shù)字通信系統(tǒng)不需要恢復(fù)模擬波形，只需要在取樣時(shí)刻無(wú)碼間串?dāng)_就行，而升余弦系列濾波器在取樣時(shí)刻具有無(wú)碼間串?dāng)_特性。因此，仍符合奈奎斯特第一準(zhǔn)則，（即實(shí)驗(yàn)中改變滾降系數(shù)對(duì)波形影響不大），它所實(shí)現(xiàn)的頻譜效率要比理論最高效率下降一個(gè)滾降系數(shù)倍。六、實(shí)驗(yàn)建議、意見(jiàn) 在改變滾降系數(shù)的情況下，

9、增加對(duì)改變?cè)肼?、改變信?hào)傳輸速率情況的檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)三：16QAM調(diào)制與解調(diào)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 掌握正交幅度調(diào)制的基本原理；2 掌握正交幅度相干解調(diào)的原理3 通過(guò)時(shí)域、頻域波形以及信號(hào)的星座圖分析系統(tǒng)性能。二、實(shí)驗(yàn)原理 1MQAM 的調(diào)制原理輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過(guò)串并變換器，輸出為速率減半的兩路并行序列，再分別經(jīng)過(guò)2 電平到L 電平的變換，形成L 電平的基帶信號(hào)，再分別對(duì)同相載波和正交相乘，最后將兩路信號(hào)相加，得到MQAM 信號(hào)2. MQAM 信號(hào)的解調(diào)原理MQAM 信號(hào)采用正交相干解調(diào)方法。解調(diào)器的輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，經(jīng)低通濾波器輸出兩路多電平基帶信號(hào)。多電平判決器對(duì)多電平基帶信

10、號(hào)進(jìn)行判決，再經(jīng)并串變換器輸出。MQAM 的解調(diào)原理框圖，如圖。三、實(shí)驗(yàn)步驟 1. 設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)2. 設(shè)置各模塊參數(shù)信號(hào)源參數(shù)設(shè)置：基帶信號(hào)碼元速率設(shè)為10Hz，這里省去了2-4電平轉(zhuǎn)換電路，載頻設(shè)為100Hz。圖形編號(hào)功能參數(shù)Token0Token1基帶信號(hào) -PN序列幅度Amp = 1 v；信息速率Rate = 10Hz維數(shù)Levels = 4；相位 Phase = 0 deg Token 3Token 15載波幅度Amp = 1 v(0-p)；頻率Freq = 100 Hz；相位Phase = 0 deg，Token11、12Butterworth Lowpass IIR;相干解調(diào)帶寬F

11、c=10Hz;Token5高斯噪聲方差Std Dev = 0 v；均值 Mean = 0 v；Token10采樣采樣速率Rate=1KHzToken11判決Gate Delay=0sec ，Threshold=0V，TRUE OUTPUT=1V,FALSE OUTPUT=-1V3. 仿真，觀察波形信號(hào)、16QAM星座圖、眼圖4. 無(wú)噪聲情況下增加低通濾波器的帶寬，觀察波形信號(hào)、16QAM星座圖、眼圖5. 將高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差增大為1v，然后逐漸增大低通濾波器帶寬，觀察波形信號(hào)、16QAM星座圖、眼圖四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1. 16QAM星座圖從上圖可以清晰地看到16個(gè)點(diǎn)。眼圖2. 無(wú)噪聲情況下增加低通濾波

12、器的帶寬1 帶寬增大為原來(lái)的2倍，為20hz16QAM星座圖眼圖2 無(wú)噪聲，帶寬為原來(lái)的5倍，為50hz16QAM星座圖眼圖對(duì)比以上無(wú)噪聲時(shí)不同帶寬情況下的星座圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)濾波器帶寬增大時(shí)，各個(gè)點(diǎn)之間的分界會(huì)變得比較模糊，即碼間干擾增大。帶從眼圖的對(duì)比中也能發(fā)現(xiàn)，隨著濾波器帶寬的增大，眼睛閉合地越嚴(yán)重，說(shuō)明碼間干擾增大。3. 將高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差增大為1v，然后逐漸增大低通濾波器帶寬帶寬不變16QAM星座圖與沒(méi)有噪聲時(shí)對(duì)比，星座圖稍有模糊，但是十六個(gè)點(diǎn)的位置仍很明確。眼圖3 帶寬增大為原來(lái)的2倍，為20hz16QAM星座圖眼圖4 帶寬增大為原來(lái)的5倍，為50hz16QAM星座圖眼圖從以上圖的對(duì)比

13、可知，同等帶寬下，增大噪聲時(shí)，帶寬越大星座圖變化的越明顯。同等噪聲下，增大帶寬時(shí)，帶寬越接近基帶信號(hào)速率，抗噪性越好。五、實(shí)驗(yàn)討論 為什么低通濾波器帶寬要設(shè)成跟基帶信號(hào)速率相近？答： 這樣可以濾除噪聲，只允許信號(hào)的主瓣通過(guò)六、實(shí)驗(yàn)建議、意見(jiàn) 應(yīng)增加對(duì)不同噪聲下星座圖變化的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)四：二進(jìn)制移相鍵控一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）掌握 BPSK 調(diào)制的基本原理；（2）掌握BPSK 解調(diào)的方法、基本原理；（3）掌握載波同步的原理；（4）通過(guò)時(shí)域、頻域波形分析系統(tǒng)性能。二、實(shí)驗(yàn)原理 二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）是利用載波的相位來(lái)攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式，通常用和分別代表0 和1。（1）調(diào)制原理時(shí)域表達(dá)式為：其

14、中為雙極性二進(jìn)制數(shù)字序列， +1, 1;為二進(jìn)制符合間隔； 為基帶發(fā)送成形濾波器的沖激響應(yīng)，設(shè)A =1。2PSK 信號(hào)的產(chǎn)生框圖（2）解調(diào)原理2PSK 信號(hào)的幅度是恒定的，已調(diào)信號(hào)中含有相位信息，因此需要采用相干解調(diào)。其解調(diào)原理框圖如圖（3）載波同步2PSK 信號(hào)的功率譜中沒(méi)有離散的載波分量，所以在2PSK 相干解調(diào)恢復(fù)載波時(shí)，不能直接用窄帶濾波器來(lái)提取載波，需要將2PSK 信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性變換來(lái)產(chǎn)生離散的載波分量?？扑顾弓h(huán)法如圖。三、實(shí)驗(yàn)步驟 1. 根據(jù)調(diào)制解調(diào)原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移相鍵控調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)。框圖如下：2.設(shè)定符號(hào)0 二進(jìn)制仿真信源：source: PN Seq 幅度1V，頻率

15、10Hz；3. 設(shè)定符號(hào)1 載波信號(hào)：source: Sinusoid 幅度1V，頻率50Hz；4. 連接各模塊完成調(diào)制系統(tǒng)，同時(shí)在必要輸出端設(shè)置觀察窗；5. SystemView 仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)定時(shí)設(shè)置：起始時(shí)間（StartTime）、終止時(shí)間（Stop Time）、采樣間隔（Time Spacing）、采樣數(shù)目（No. of Samples）、頻率分辨率（Freq.Res.）等。（注意設(shè)置合理的采樣頻率）；6. 觀察基帶信號(hào)、載波和調(diào)制信號(hào)的時(shí)域、頻域波形。7. 在解調(diào)時(shí)，設(shè)計(jì)載波提取電路，這里采用科斯塔斯環(huán)法，設(shè)定符號(hào)4，VCO Freq=50Hz,，Mod Gain=2Hz/v，環(huán)路濾

16、波器1+ a s + b s2 a =1,b = 08. 接收端低通濾波器，符號(hào)5 采用butterworth Lowpass IIR，截止頻率根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體設(shè)定；9. 符號(hào)6 為抽樣保持電路，設(shè)定比較控制電平；符號(hào)7 為比較器用于判決輸出。10. 觀察基帶信號(hào)、調(diào)制信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的時(shí)域、頻域波形。11. 在信道傳輸過(guò)程中，信道中可能會(huì)存在一定的干擾，因此在實(shí)驗(yàn)中分別觀察沒(méi)有噪聲時(shí)、小噪聲和大噪聲時(shí)，系統(tǒng)基帶信號(hào)，已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的時(shí)域、頻域波形的變化以及誤比特率的分析。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1. 按照最初設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行仿真，波形圖如下：其中輸入、輸出信號(hào)復(fù)合圖如下：（黃線為輸入信號(hào)，綠線為最終輸出信號(hào)）有延遲，但除去延遲的影響外，輸入輸出信號(hào)波形是一致的。2. 調(diào)整科斯塔斯環(huán)的頻率，增大為51hz此圖的上面部分為輸出信號(hào)波形，下面部分為輸入信號(hào)波形，可以明顯看出，雖然科斯塔斯環(huán)的頻率只增大了一點(diǎn)點(diǎn)，輸出信號(hào)已失真。3. 科斯塔頻率不變，增大相位1 相位為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)波形基本一致，變化不明顯2 相位改變?yōu)?. 科斯塔斯環(huán)頻率、相位為初始值，逐漸增加噪聲1 噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為2v輸出信號(hào)無(wú)明顯變化2 噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為3v輸出信號(hào)明顯失真五