通信系統(tǒng)建模與仿真實驗報告

1、課程名稱通信系統(tǒng)建模與仿真實驗項目名稱通信系統(tǒng)建模與仿真軟件實驗實驗類型實驗學時班級20110822學號2011082227姓名楊俊良指導教師何忠秋實驗室名稱實驗時間實驗成績預習部分實驗過程表現(xiàn)實驗報告部分總成績教師簽字日期哈爾濱工程大學教務處制實驗一：低通采樣定理和內(nèi)插與抽取實現(xiàn)一、實驗目的用Matlab編程實現(xiàn)自然采樣與平頂采樣過程，根據(jù)實驗結(jié)果給出二者的結(jié)論；掌握利用MATLAB實現(xiàn)連續(xù)信號采樣、頻譜分析和采樣信號恢復的方法。二、實驗原理1抽樣定理若f(t)是帶限信號，帶寬為,f(t)經(jīng)采樣后的頻譜F(o)就是將f(t)的ms頻譜F(o)在頻率軸上以采樣頻率o為間隔進行周期延拓。因此，當

2、oossm時，不會發(fā)生頻率混疊；而當oo時將發(fā)生頻率混疊。sm2信號重建經(jīng)采樣后得到信號f(t)經(jīng)理想低通h(t)則可得到重建信號f(t)，即：f(t)=sf(t)*h(t)so其中：f(t)=f(t)心(t-nT)=區(qū)f(nT)5(t-nT)，h(t)=Ts擊Sa(C)TOC o 1-5 h zssssgg所以：f(t)=f(t)*h(t)=f(nT)5(t-nT)*T巳Sa(ot)ssss兀c-g=T區(qū)f(nT)Sao(t-nT)s兀scs-g上式表明，連續(xù)信號可以展開成抽樣函數(shù)的無窮級數(shù)。利用MATLAB中的sinc(t)=翌來表示Sa(t)，有Sa(t)=sinc()，所以可兀t兀以得

3、到在MATLAB中信號由f(nT)重建f(t)的表達式如下：sogof(t)=T乙f(nT)sinc(t-nT)s兀s兀s-g我們選取信號f(t)=Sa(t)作為被采樣信號，當采樣頻率o=2o時，稱為臨sm界采樣。我們?nèi)±硐氲屯ǖ慕刂诡l率=。下面程序?qū)崿F(xiàn)對信號f(t)=Sa(t)的cm采樣及由該采樣信號恢復重建Sa(t):三、實驗內(nèi)容已知信號x(t)=9(m+l)cos(2兀(100m+50)t)，試以以下采樣頻率對信號采樣：m=0(a)f=20000Hz；(b)f=10000Hz；(c)f=30000Hz，sss求x(t)信號原信號和采樣信號頻譜，及用采樣信號重建原信號x(t)時序圖。假定重

4、構(gòu)濾波器為fs/2的理想低通濾波器，具有帶通增益為Ts=1/fs.四、實驗步驟1設(shè)置采樣時間間隔ts=l/fs，以及時間范圍。輸入已知信號。對原始信號進行傅里葉變換。4畫出原信號的頻譜。利用firpmord,firpm以及freqz,conv函數(shù)求出采樣重建信號。fp=fs/2-500;fs1=fs/2;n,f0,m0,w=firpmord(fpfs1,10,0.00010.001,fs);b=firpm(n,f0,m0,w);figure(4)freqz(b,1,1024,fs)y=conv(x,b);對重建信號進行傅里葉變換。畫出重建信號的波形及頻譜。參數(shù)設(shè)置Fs:采樣頻率ts：采樣間隔T

5、:截取時間df：頻域間隔fs分別為20000Hz10000Hz;30000Hz;ts二;T=0.05;df=;t=0:ts:T-ts；x=0；form=0:99x=x+(m+1)*cos(2*Pi*(100*m+50)*t)；使用firpmord構(gòu)造重建濾波器信號重建對原始信號進行FFT變換并畫出時域頻域波形結(jié)束流程圖五、實驗結(jié)果分析結(jié)論Figure4FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp芒劇赴削零最虜打凰|日覺l|口10002000300040005000600070008000900010000Frequen-cy(Hz)LO60100020003

6、00040005000600070008000900010000Frequen-cy(Hz)-10000-16000量B豈CD曇CLQFigure6FileEditVie-wInsertToolsDesktopWindowHelp%丸的毀銘廠迥；口EQmepn-E芝_40111111111aSOO100015002000250030003500400045005000Frequency(HzFrequen-cy(Hz)40002000-20U0-4000a025日寸冋t(gp)apnlc嚳“4Frequency(Hz)FrequencyHz)藍CDSE上aFileEditViewInseirt

7、ToolsQeEktopWindowHelpDE俗I獨企黔跟於7貝/口目二：口3UUOOHZ重建頻譜3iiUUUk2_-1-06x10心得體會：本次實驗要用到采樣定理，信號內(nèi)插和重建的一些知識，學會了如dyadup命令等一些新的指令和思考方法，感覺到受益匪淺。附程序：clearallclcfs=20000;ts=1/fs;T=0.05;df=1/T;t=0:ts:T-ts;x=0;form=0:99x=x+(m+1)*cos(2*pi*(100*m+50)*t);endfigure(1)subplot(211)plot(t,x)title(原始信號波形);xlabel(時間t);ylabel(

8、幅度);y=dyadup(x,0);y=dyadup(y,0);X,f=fftseq(y,ts);subplot(212)plot(f,fftshift(abs(X);title(原始頻譜),xlabel(f),ylabel(X)fs1=10000;ts1=1/fs1;T1=0.05;df1=1/T1;t1=0:ts1:T1-ts1;x1=0;form=0:99x1=x1+(m+1)*cos(2*pi*(100*m+50)*t1);endfigure(2)subplot(211)plot(t1,x1)title(10000Hz扌由樣波形);xlabel(時間t);ylabel(幅度);y1=d

9、yadup(x1,0);y1=dyadup(y1,0);X1,f1=fftseq(y1,ts1);subplot(212)plot(f1,fftshift(abs(X1);title(以10000Hz采樣頻譜),xlabel(f),ylabel(X)fs3=30000;%由樣頻率ts3=1/fs3;T3=0.05;df3=1/T3;t3=0:ts3:T3-ts3;x3=0;form=0:99x3=x3+(m+1)*cos(2*pi*(100*m+50)*t3);endfigure(3)subplot(211)plot(t3,x3)title(30000Hz扌由樣波形);xlabel(時間t);

10、ylabel(幅度);y3=dyadup(x3,0);y3=dyadup(y3,0);X3,f3=fftseq(y3,ts3);subplot(212)plot(f3,fftshift(abs(X3);title(以30000Hz采樣頻譜),xlabel(f),ylabel(X)fp=fs/2-500;fs1=fs/2;n,f0,m0,w=firpmord(fpfs1,10,0.00010.001,fs);b=firpm(n,f0,m0,w);figure(4)freqz(b,1,1024,fs)y=conv(x,b);figure(5)subplot(211)plot(t,y(n:lengt

11、h(y)-1);title(重建原始信號時域);xlabel(時間t);ylabel(幅度);y=dyadup(x,0);y=dyadup(y,0);X,f=fftseq(y(n:length(y)-1),ts);subplot(212)plot(f,fftshift(abs(X)title(重建原始信號頻譜);xlabel(f);ylabel(PSD);fp1=fs1/2-500;fs11=fs1/2;n1,f01,m01,w1=firpmord(fp1fs11,10,0.00010.001,fs1);b1=firpm(n1,f01,m01,w1);figure(6)freqz(b1,1,1

12、024,fs1)y1=conv(x1,b1);figure(7)subplot(211)plot(t1,y1(n1:length(y1)-1);title(10000Hz重建);xlabel(時間t);ylabel(幅度);y1=dyadup(x1,0);y1=dyadup(y1,0);X1,f1=fftseq(y1(n1:length(y1)-1),ts1);subplot(212)plot(f1,fftshift(abs(X1)title(10000Hz重建頻譜);xlabel(f);ylabel(PSD);fp3=fs3/2-500;fs13=fs3/2;n3,f03,m03,w3=fi

13、rpmord(fp3fs13,10,0.00010.001,fs3);b3=firpm(n3,f03,m03,w3);figure(8)freqz(b3,1,1024,fs3)y3=conv(x3,b3);figure(9)subplot(211)plot(t3,y3(n3:length(y3)-1);title(30000Hz重建);xlabel(時間t);ylabel(幅度);y3=dyadup(x3,0);y3=dyadup(y3,0);X3,f3=fftseq(y3(n3:length(y3)-1),ts3);subplot(212)plot(f3,fftshift(abs(X3)ti

14、tle(30000Hz重建頻譜);xlabel(f);ylabel(PSD);實驗二：帶通信號的低通等效和隨機信號的頻帶轉(zhuǎn)換一、實驗目的根據(jù)內(nèi)插與抽取原理，用Matlab編程實現(xiàn)等效低通信號與頻帶信號的采樣過程，比較二者采樣率大小。掌握利用MATLAB實現(xiàn)連續(xù)信號采樣、頻譜分析和采樣信號恢復的方法。二、實驗原理x(t)oX(f)x(t)=Hx(t)=x(t)*丄=丄J+X(t)dr兀t兀ptrz(t)=x(t)+jx(t),x(t)oj-X(f)sgn(f)xZ(f)=X(f)+sgn(f)=X(f)+X(f)sgn(f)xZ(f)=2X(f)u(f),2u(f)=1+sgn(f)xx(t)=

15、A(t)cos2兀ft+0(t)0 x(t)=A(t)cos0(t)cos2兀ftA(t)sin0(t)sin2兀ft00=x(t)cos2兀ftx(t)sin2兀ftc0s0其中x(t)=A(t)cos0(t),x(t)=A(t)sin0(t)csx(t)=Rex(t)exp(j2兀ft),x(t)=A(t)exp(j0(t)ox(t)=A(t)cos0(t)+jA(t)sin0(t)x(t)0(t)=arctanx(t)c=x(t)+jx(t)csA(t)=Jx2(t)+jx2(t),X(f)=X(f)+jX(f)csX(f)=；X(ff)+X*(ff)200帶通信號的等效低通信號，就是其

16、正頻域的等效時域信號進行頻移。（帶通信號，首先消除負頻部分，為了保證功率不變，相當于正頻部分功率*2,然后將正頻部分移到基帶。此基帶信號對應的就是復包絡(luò)。）一個帶通信號的復包絡(luò)實際上就是它的等效低通信號。帶通信號s（t），中心頻率f0，做hilbert變換，得到s（t）.解析信號為s（t）=s（t）+js（t）;（正頻域的等效時域信號)解析信號可以表示成s(t)=s，(t)exp(j*2*pi*f0*t)則s是一個復信號，叫做s的復包絡(luò)。s，(t)還能表示成s，(t)exp(j*theta);s，是實信號，叫做s的包絡(luò)，theta為s的相位。s為實值帶通信號時，由于經(jīng)過了hilbert變換，s

17、，通常為復值信號。三、實驗內(nèi)容對帶通信號x(t)=2Sinc(20t)cos2兀x100t+Sinc(5t).(1)畫出該信號和它的幅度譜。(2)求出該信號的解析信號，并畫出它的幅度譜;(3)求出并畫出該信號的包絡(luò)。(4)分別假設(shè)f0=100Hz和f0=50Hz，求該信號的低通等效，并畫出它的幅度譜。若對該低通等效信號進行抽取，試設(shè)計取樣頻率，并重畫抽取之后低通等效信號的頻譜。(5)取該帶通信號的低通等效部分：x(t)=2Sinc(20t)ejSinc(5t試設(shè)計它的取樣頻率，并畫出它的時域波形和它的幅度譜。四、實驗步驟設(shè)置采樣時間間隔。ts=0.002。因載波頻率為100Hz,故采樣時間間隔

18、ts=0.002.設(shè)置采樣頻率。fs=1/ts。t=-1:ts:1DFT的分辨率：df=fs/length(t);生成頻率矢量：f=-250:df:250-df輸入帶通信號x求信號頻譜，因為原始信號是模擬信號，根據(jù)采樣定理，需要在計算出的fft后除以fs才能得到x的傅里葉變換X二fft(x)/fs;求x的解析信號xa。求xa頻譜分別按照要求畫出前四問的圖形Theoriginalsignalwaveformintimedomain22itedu00.1A-2-2-101time/sAnalyticsignalamplitudespectrum0.20.05Theoriginalsignalspe

19、ctrum0.10-400-2000200400Frequency/HzAnalyticsignalamplitudewaveinthetime4220-2-101time/s0-400-2000200400Frequency/HzAnalyticsignalamplitudespectrumf=1OOHAnalyticsignalamplitudespectrum?f=50Hz)0.20.2w/DS0010.0o20-002004w/DSo20-002004Frequency/HzFrequency/Hz流程圖：開始參數(shù)設(shè)置fs；ts；df求原始信號的頻譜fO=1OOHz時利用解析信號求原始

20、信號的低通等效信號求其頻譜并畫圖使用hilbert求原始信號的解析信號xa，求其頻譜并畫圖f0=50Hz時利用解析信號求原始信號的低通等效信號求其頻譜并畫圖對低通等效信號采樣，求采樣后的頻譜并畫圖畫低通等效部分的波形及頻譜結(jié)束第五問的程序：wm=12.5;%低通等效信號帶寬wc=wm;%濾波器截止頻率Ts=pi/wm;%周期臨界采樣fs=1/Ts;%采樣頻率ws=2*pi/Ts;%采樣角頻率t1=-Ts*(length(t)-1)/2:Ts:Ts*(length(t)-1)/2;%f1=-fs*(length(f)-1)/2:fs:fs*(length(f)-1)/2;%n=-100:100;

21、nTs=n*Ts;%時域采樣點xln=xa.*exp(-j*2*pi*f01*tl);%采樣信號Xln=fft(xln);figure(5)subplot(2,l,l);stem(tl,xln);axis(-30,30,-2,2);title(低通等效信號采樣后信號);xlabel(n);subplot(2,1,2);plot(f1,fftshift(abs(Xln);title(低通等效信號采樣后信號幅度譜);xlabel(f);ts=0.025;fs=1/ts;%采樣頻率t=-1:ts:1;df=fs/length(t);%DFI的分辨率f=-31.25:df:31.25-df;%生成頻率

22、矢量xx=2*sinc(20*t).*exp(j*sinc(5*t);figure(6)subplot(2,l,l);plot(t,xx);grid;title(低通等效部分波形);xlabel(時間t);XX,f=fftseq(xx,ts);subplot(212)plot(f,fftshift(abs(XX);title(低通等效部分頻譜),xlabel(f),ylabel(X)五、實驗結(jié)果分析結(jié)論低通等效信號采樣后的信號210-1-20-100102030-30f16QAM調(diào)制解調(diào)實驗步驟：參數(shù)設(shè)置Fs，ts，F(xiàn)s100，ts100，N,fc產(chǎn)生N個16進制碼元進行QAM調(diào)制100點采樣

23、求I、Q分量并做圖求原信號并畫出其時域、頻域波形drIIThepassbandsignalIwaveformintimedomainiTiffl.11.ijin.1.實驗結(jié)果：-500.10.20.30.40.50.60.70.80.91time/sx10-3ThepassbandsignalQwaveformintimedomain匕im0.20.30.40.50.60.70.8time/sThepassbandsignalwaveformintimedomain0.91x10-30.20.30.40.50.60.70.80.91time/sx10-3Frequency/Hzx107上課實驗

24、程序：clearall;clc;Fs=1e6;ts=1/Fs;Fs100=100*Fs;ts100=1/Fs100;N=1000;t=0:ts100:N*ts-ts100;fc=1e7;t_c=cos(2*pi*fc*t);t_s=sin(2*pi*fc*t);M=15x=randi(M,1,N);h=modem.qammod(16)y=modulate(h,x);I=100y100(1:N*I)=0;fork=1:Nendendyc=real(y100).*t_c;ys=imag(y100).*t_s;figure(1);subplot(3,1,1)plot(t,yc,r);title(Th

25、epassbandsignalIwaveformintimedomain);xlabel(time/s);ylabel(Amplitude);subplot(3,1,2)plot(t,ys,k);title(ThepassbandsignalQwaveformintimedomain);xlabel(time/s);fori=1:Iy100(I*k-I+i)=y(k);ylabel(Amplitude);yy=yc-ys;2subplot(3,1,3)plot(t,yy);title(Thepassbandsignalwaveformintimedomain);xlabel(time/s);y

26、label(Amplitude);figure(2);X,f=fftseq(yy,ts100);plot(f,fftshift(abs(X);title(Theoriginalsignalspectrum);xlabel(Frequency/Hz);ylabel(PSD/w);實驗三升余弦滾降和根升余弦滾降濾波器設(shè)計一、實驗目的1掌握升余弦滾降濾波器設(shè)計原理和設(shè)計方法；2掌握根升余弦滾降濾波器設(shè)計原理和設(shè)計方法二、實驗原理定義h(t)為升余弦脈沖成型函數(shù)。h(t)升余弦函數(shù)定義如下./兀tsm()h(t)=Tc兀t、cos(t)14a2T2c對應的頻譜為：1a0IfI2Tc1a1+a7T|f|

27、2Tc2.定義h(t)為根升余弦脈沖成型函數(shù)。h(t)根升余弦函數(shù)定義如下rrsin(n*(1a)+4a*cos(兀十(1+a)h(t)=rTcTnTc(1+cos(c(IfI2a井)cct22c對應的頻譜為：H(f)rc1X2tifi1+X2T1(X0ifi2*k7、第11個數(shù)為1k=108、in與h卷積開始參數(shù)設(shè)置：如左步驟：k,m,alfa據(jù)公式生成（根）升余弦滾降濾波器對設(shè)計的濾波器進行抽樣畫圖結(jié)束五、實驗分析當a=1時候，眼圖睜開最大，峰值失真最小。但由圖可見它的主瓣最寬，頻帶利用率最低,這是它所付出的代價。當a=0.05時候,頻帶利用率高，但眼圖最不明顯，碼間干擾最大，同時對抽樣時

28、間定時要求特別嚴格，這使得他在物理上比較難實現(xiàn)。當a=0.5時候，雖然兩個性能都不是最優(yōu)，但綜合兩因素，它還是不錯，因此實際中，常采用此系統(tǒng)。為此，后面的實驗考慮到直觀性，沒有考慮帶寬限制，均取a=1。六、程序設(shè)計clearclcfs=3000;Tc=0.001;%fc=1000;%k=20;m=4;alfa=0.3;fors=1:200n=s-1;ifn=80h1(s)=1;elseh1(s)=sin(pi*(n/k-m)*cos(pi*alfa*(n/k-m)/pi/(n/k-m)/(1-4*alfa*alfa*(n/k-m)*(n/k-m);%raisedcosinefilter%h(s

29、)=(sin(pi*(n/k-m+eps)*(1-alfa)+4*alfa*(n/k-m+eps)*cos(pi*(n/k-m)*(1+alfa)./pi./(n/k-m+eps)./(1-4*4*alfa*alfa*(n/k-m)*(n/k-m);%root-raisedcosinefilterendendfors=1:200n=s-1;ifn=100%n=k*mh2(s)=1;elseh2(s)=sin(pi*(n/k-m-1)*cos(pi*alfa*(n/k-m-1)/pi/(n/k-m-1)/(1-4*alfa*alfa*(n/k-m-1)*(n/k-m-1);%raisedcosi

30、nefilter%h2(s)=(sin(pi*(n/k-m+eps-1)*(1-alfa)+4*alfa*(n/k-m+eps-1)*cos(pi*(n/k-m-1)*(1+alfa)./pi./(n/k-m+eps-1)./(1-4*4*alfa*alfa*(n/k-m-1)*(n/k-m-1);%root-raisedcosinefilterendendin=zeros(1,200);%1012*kin(21)=1;%k=10out1=conv(in,h1);%out2=conv(in,h2);t=0:0.1:20;figure(1)stem(t,out1(1:201),k.);%out(

31、1:k1)holdon;stem(t,out2(1:201),r*);holdoff;gridxlabel(時間)ylabel(幅度)legend(h(t),h(t-Tc),Location,northeast)實驗四QPSK調(diào)制信號經(jīng)瑞利衰落信道性能一、實驗目的學會用MATLAB實現(xiàn)QPSK調(diào)制信號在瑞利衰落信道下系統(tǒng)性能仿真分析。二、實驗原理在陸地移動通信中，移動臺往往受到各種障礙物和其他移動體的影響，以致到達移動臺的信號是來自不同傳播路徑的信號之和。而描述這樣一種信道的常用信道模型便是瑞利衰落信道。瑞利衰落信道(Rayleighfadingchannel)是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模

32、型。這種模型假設(shè)信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，表現(xiàn)為“衰落”特性，并且多徑衰落的信號包絡(luò)服從瑞利分布。由此，這種多徑衰落也稱為瑞利衰落。這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。瑞利衰落只適用于從發(fā)射機到接收機不存在直射信號的情況，否則應使用萊斯衰落信道作為信道模型。假設(shè)經(jīng)反射(或散射)到達接收天線的信號為N個幅值和相位均隨機的且統(tǒng)計獨立的信號之和。信號振幅為r,相位為0，則其包絡(luò)概率密度函數(shù)為r-r2P(r)二e26,r0(r0)b2相位概率密度函數(shù)為：P(0)=12兀，(0W0W2兀)三、上機實驗內(nèi)容1.驗證實驗原理中所述的相關(guān)程序，CLARK(ex2.m),Jakes(Rayleigh.m)信道模型。驗證QPSK調(diào)制信號經(jīng)根生余弦滾降成形濾波之后在瑞利衰落信道下系統(tǒng)誤比特和誤符號性能，實現(xiàn)參考程序ex11main.m，ex11.mdl。四、結(jié)果分析實驗步驟：1、驗證CLARK(ex2.m)信道模型開始參數(shù)