湘潭大學(xué)通信原理實驗第一次

1、湘潭大學(xué)通信原理實驗報告書課程名稱： 通信原理 題目： 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真模擬信號幅度調(diào)制仿真實驗學(xué)生姓名： 唐緒泉 學(xué)號： 2010964530 班級： 2010級通信工程班 指導(dǎo)教師： 王仕果 2012年12 月實驗一 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真一 、實驗?zāi)康模?、熟悉和掌握常用的用于通信原理時域仿真分析的MATLAB函數(shù)； 2、掌握連續(xù)時間和離散時間信號的MATLAB產(chǎn)生； 3、牢固掌握沖激函數(shù)和階躍函數(shù)等函數(shù)的概念，掌握卷積表達(dá)式及其物理意義，掌握卷積的計算方法、卷積的基本性質(zhì)； 4、掌握利用MATLAB計算卷積的編程方法，并利用所編寫的MATLAB程序驗證卷積

2、的常用基本性質(zhì)； 5、掌握MATLAB描述通信系統(tǒng)中不同波形的常用方法及有關(guān)函數(shù)，并學(xué)會利用MATLAB求解系統(tǒng)功率譜，繪制相應(yīng)曲線。 二 、實驗內(nèi)容 1、編寫MATLAB程序產(chǎn)生離散隨機(jī)信號 2、編寫MATLAB程序生成連續(xù)時間信號 3、編寫MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)常見特殊信號三 、實驗原理：從通信的角度來看，通信的過程就是消息的交換和傳遞的過程。而從數(shù)學(xué)的角度來看，信息從一地傳送到另一地的整個過程或者各個環(huán)節(jié)不外乎是一些碼或信號的交換過程。例如信源壓縮編碼、糾錯編碼、AMI編碼、擾碼等屬于碼層次上的變換，而基帶成形、濾波、調(diào)制等則是信號層次上的處理。碼的變換是易于用軟件來仿真的。要仿真信號的變

3、換，必須解決信號與信號系統(tǒng)在軟件中表示的問題。3.1 信號及系統(tǒng)在計算機(jī)中的表示 時域取樣及頻域取樣 一般來說，任意信號s(t)是定義在時間區(qū)間（-，+）上的連續(xù)函數(shù)，但所有計算機(jī)的CPU都只能按指令周期離散運行，同時計算機(jī)也不能處理（-，+）這樣一個時間段。為此將把s(t)按區(qū)間,22TT截短為sT(t)，再對sT(t)按時間間隔t均勻取樣，得到取樣點數(shù)為： TNtt= (3-1) 仿真時用這個樣值集合來表示信號s(t)。顯然t反映了仿真系統(tǒng)對信號波形的分辨率，t越小，則仿真的精確度越高。據(jù)通信原理所學(xué)，信號被取樣以后，對應(yīng)的頻譜時頻率的周期函數(shù)，其重復(fù)周期是1t。如果信號的最高頻率為fH，

4、那么必須有fH12t，才能保證不發(fā)生頻域混疊失真。 頻域分析為了方便仿真，我們利用 MATLAB 提供的函數(shù)編寫了兩個函數(shù) t2f 和 f2t。t2f 的功能是做傅立葉變換，f2t 的功能是做傅立葉反變換，它們的引用格式分別為 X=t2f(x)及 x=f2t(X)，其中 x 是時域信號 x(t)j截短并采樣所得的取樣值矢量， X是對x(t)的傅立葉變換X(f)截短并采樣所得的取樣值矢量。任意信號 s(t)的功率譜的定義是3.2 與隨機(jī)信號產(chǎn)生相關(guān)的指令 高斯噪聲的產(chǎn)生由于函數(shù)randn(1,N)產(chǎn)生N個互不相關(guān)的、均值為零、方差為 1 的高斯隨機(jī)數(shù)，所以可用它來產(chǎn)生高斯白噪聲。3.2.2 隨機(jī)

5、碼序列的產(chǎn)生 語句 round(rand(1,M)產(chǎn)生 M 個取值 1、0 等概的隨機(jī)碼。函數(shù) round 表示四舍五入。函數(shù) rand 產(chǎn)生均勻分布于區(qū)間0，1的隨機(jī)數(shù)。 語句 sign(rand(1,M)產(chǎn)生M 個取值1 等概的隨機(jī)碼。函數(shù) sign(x)對矢量 x的元素取正負(fù)號，而高斯數(shù) randn 取正負(fù)數(shù)的概率是相等的。 產(chǎn)生數(shù)字隨機(jī)信號的一般方法3.3 信號的仿真 連續(xù)時間信號的仿真在通信原理課程中，單位階躍信號u(t) 和單位沖激信號(t) 是二個非常有用的信號。它們的定義如下：這里分別給出相應(yīng)的簡單的產(chǎn)生單位沖激信號和單位階躍信號的擴(kuò)展函數(shù)。 四、實驗步驟 (1)分析程序 pr

6、ogram1_1 每條指令的作用，運行該程序，將結(jié)果保存，貼在下面的空白處。然后修改程序，將 dt 改為 0.2，并執(zhí)行修改后的程序，保存圖形，看看所得圖形的效果怎樣。程序如下：clear, close all; /清除，關(guān)閉所有窗口dt=0.01; /取點間隔為0.01t=-2:dt:2; /取點范圍為-22x= sin(2*pi*t);plot(t,x) /畫出X的波形圖title(唐緒泉羅力瑞)xlabel(Time t(sec)dt=0.01 時的信號波形 -2-1.5-1-0.500.511.52-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81唐緒泉羅力瑞Time t

7、 (sec)dt=0.2 時的信號波形-2-1.5-1-0.500.511.52-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81唐緒泉羅力瑞Time t (sec)請問：上述的兩幅圖形有什么區(qū)別，哪一副圖形看起來更接近于實際信號波形？為什么會有這種區(qū)別？ 答： 第一幅圖看起來比較圓滑，與實際圖形更加接近。(2)修改program1_1,，存盤程序名為Q1_2，生成實指數(shù)信號x(t)=。要求在圖形中加上網(wǎng)格線，并使用函數(shù)axis()控制圖形的時間范圍在02秒之間。然后執(zhí)行該程序，保存所的圖形。 修改Program1_1后得到的程序Q1_2如下： %program1_1% This

8、 program is used to generate a sinusoidal signal and draw its plot clear, % Clear all variables close all, % Close all figure windows dt = 0.01; % Specify the step of time variable t = 0:dt:2;% Specify the interval of time x = exp(-2*t); % Generate the signal plot(t,x) % Open a figure window and dra

9、w the plot of x(t) title(唐緒泉羅力瑞) xlabel(Time t (sec)grid on; 圖形結(jié)果如下：00.20.40.60.811.21.41.61.8200.10.20.30.40.50.60.70.80.91唐緒泉羅力瑞Time t (sec)(3)將前文中所給的單位沖激信號和單位階躍信號的函數(shù)文件在 MATLAB 文件編輯器中編寫好，并分別以文件名 delta和u 存入 work文件夾中以便于使用。 抄寫函數(shù)文件 delta 如下： 抄寫函數(shù)文件u 如下：% delta function % Unit step functionfunction y =

10、 delta(t) function y = u(t)dt = 0.01; y = (t=0); % y = 1 for t 0, else y = 0y = (u(t)-u(t-dt)/dt; (4) 修改程序Program1_4，并以Q1_4為文件名存盤，利用axis()函數(shù)，將圖形窗口的橫坐標(biāo)范圍改為-2n5，縱坐標(biāo)范圍改為-1.5 x 1.5。 修改Program1_4后得到的程序Q1_4如下： % Program1_4 % This program is used to generate a discrete-time sinusoidal signal % and draw its

11、 plot clear, % Clear all variables close all, % Close all figure windows n = -5:5; % Specify the interval of time x = zeros(1,4), 0.1, 1.1, -1.2, 0, 1.3, zeros(1,2); % Generate the sequence title(唐緒泉羅力瑞)stem(n,x,filled,r) % Open a figure window and draw the plot of xn grid on,信號波形圖如下： -5-4-3-2-10123

12、45-1.5-1-0.500.511.5唐緒泉羅力瑞 修改過后的圖形如下：-2-1012345-1.5-1-0.500.511.5唐緒泉羅力瑞(5)根據(jù)示例程序的編寫方法，編寫一個MATLAB程序，以Q1_5文件名存盤，給給定信號 x(t) = u(t) ,求信號y(t)=x(1.5t+3)，并繪制出x(t)和y(t)的圖形。 編寫的程序 Q1_5 如下： % Program1_5% This program is used to implement the time-shift operation% on a continuous-time signal and to obtain its

13、time-shifted versions% and to draw their plots.clear,close all,t = -5:0.01:5;x =exp(-0.5*t).*u(t); % Generate the original signal x(t)x1 =exp(-0.75*t+3).*u(1.5*t+3); % Shift x(t) to the left by 2 second to get x1(t)subplot(311)plot(t,x) % Plot x(t)grid on,title (唐緒泉羅力瑞)subplot (312)plot (t,x1) % Plo

14、t x1(t)grid on,title (唐緒泉羅力瑞)-5-4-3-2-101234500.51唐緒泉羅力瑞-5-4-3-2-1012345050100唐緒泉羅力瑞實驗二 模擬信號幅度調(diào)制仿真實驗一、實驗?zāi)康?1. 加深對模擬線性調(diào)制的原理與實現(xiàn)方法的理解； 2. 掌握 AM、DSB、SSB 功率譜密度函數(shù)的特點，并進(jìn)行對比； 3. 掌握 MATLAB基本指令的使用； 4. 掌握 MATLAB中 M 文件的調(diào)試以及子函數(shù)調(diào)用的方法。 二、實驗內(nèi)容 1. 復(fù)習(xí) AM、DSB 和SSB 調(diào)制的相關(guān)原理2. 編寫 MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn) AM 調(diào)制； 3. 編寫 MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn) DSB調(diào)

15、制； 4. 編寫 MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn) SSB 調(diào)制。三、實驗原理調(diào)制是一個將信號變換成適于在信道傳輸?shù)倪^程。由于信源的特性與信道的特性可能不匹配，直接傳輸可能嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。模擬調(diào)制針對的信源為模擬信號，常用的模擬調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻。本次實驗進(jìn)行的是模擬信號的幅度調(diào)制。 幅度調(diào)制是由調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號做線性變化的過程。由于已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律呈正比地變化，這一特點反映在頻譜結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)為已調(diào)信號的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移。所以，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。幅度調(diào)制包括AM、DSB和SSB調(diào)制。 調(diào)幅(AM)是標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅，也就是常規(guī)雙邊

16、帶調(diào)制。假設(shè)調(diào)制信號m(t)的平均值為0，將其外加一個直流偏量A0后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號。其時域表達(dá)式為： 抑制載波的雙邊帶調(diào)制(DSB)是一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式，其時域表達(dá)式為： 3.1 AM調(diào)制 假定基帶信號為一個頻率為1Hz、功率為1的余弦信源m(t)，載波是頻率為10Hz，幅值A(chǔ)=2的余弦信號，在用信源對載波進(jìn)行常規(guī)調(diào)幅的過程中，我們應(yīng)該做以下工作： % 信源 close all; clear all; dt=0.001;fm=1；fc=10; T=5; t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t); 2. 產(chǎn)生給定的載波信號 如何產(chǎn)生題目要求的頻率

17、為10Hz，幅值A(chǔ)=2的余弦信號，基于與基帶信號產(chǎn)生同樣的思路，這個問題很容易解決。相關(guān)的定義請參照1自行定義。 3. 依據(jù)調(diào)制原理進(jìn)行AM調(diào)制。 根據(jù)通信原理相關(guān)章節(jié)的學(xué)習(xí)，我們知道AM調(diào)制后的已調(diào)信號可表示為： SAM(t)=A0+m(t)cosct 4. 求已調(diào)信號的功率譜密度 根據(jù)確知信號功率譜求解的方法，我們知道確知信號m(t)的功率譜密度可由如下的公式求解： 也就是說，先求出信號的傅立葉變換，再求出傅立葉變換函數(shù)的模的平方，即可得信號的功率譜密度。 3.2 DSB調(diào)制 假定基帶信號仍然是一個頻率為1Hz、功率為1的余弦信源m(t)，載波是頻率為10Hz，幅值A(chǔ)=2的余弦信號，用該基

18、帶信號對載波進(jìn)行DSB調(diào)制的過程可概括為以下幾步： 1. 產(chǎn)生給定的基帶信號 2. 產(chǎn)生給定的載波信號 題目要求的頻率為10Hz，幅值A(chǔ)=2的余弦信號的產(chǎn)生方法參見1。 3. 依據(jù)調(diào)制原理進(jìn)行DSB調(diào)制。 根據(jù)通信原理相關(guān)章節(jié)的學(xué)習(xí)，我們知道DSB調(diào)制后的已調(diào)信號可表示為： 也就是將步驟1產(chǎn)生的基帶信號與步驟2定義的余弦信號直接相乘。 4. 求已調(diào)信號的功率譜密度 根據(jù)確知信號功率譜求解的方法，我們知道確知信號m(t)的功率譜可由如下的公式求解：也就是說，先求出信號的傅立葉變換，再求出傅立葉變換函數(shù)的模的平方，即可得信號的功率譜密度。 3.3 SSB調(diào)制 假定基帶信號仍然是一個頻率為1Hz、功

19、率為1的余弦信源m(t)，載波是頻率為10Hz，幅值A(chǔ)=2的余弦信號，用該基帶信號對載波進(jìn)行SSB調(diào)制的過程可概括為以下幾步： 1. 產(chǎn)生給定的基帶信號 2. 產(chǎn)生給定的載波信號 題目要求的頻率為10Hz，幅值A(chǔ)=2的余弦信號的產(chǎn)生方法參見1。 3. 用相移法產(chǎn)生SSB信號 用相移法產(chǎn)生SSB信號，可用以下的表達(dá)式表示： 也就是說將基帶信號m(t)本身乘以余弦信號本身，對基帶信號進(jìn)行希爾伯特變換后與正弦信號相乘，最后將兩個乘積相加即可。在MATLAB程序設(shè)計時，先設(shè)計出希爾伯特變換函數(shù)，再按以上步驟實施，就得到了SSB調(diào)制的程序。當(dāng)然若是不熟悉希爾伯特函數(shù)hilbert的使用，可直接將基帶信號

20、相移2，得到正弦信號，直接帶入計算也是可以實現(xiàn)的。相關(guān)的程序如上被注釋的程序所示： %s_ssb=mt.*cos(2*pi*fc*t)/2+sqrt(2)*sin(2*pi*fm*t).*sin(2*pi*fc*t)/2; 4. 用濾波法進(jìn)行SSB調(diào)制。 將生成的DSB信號送入理想低通濾波器或者理想帶通濾波器，就可得到相應(yīng)的下邊帶和上邊帶SSB信號。 設(shè)計理想低通或者理想帶通濾波器生成的MATLAB程序，并利用3.2中得到的DSB調(diào)制信號，將濾波器的傳輸函數(shù)h(t)與SAM(t)卷積，就得到了用濾波法生成的SSB信號。 5. 求已調(diào)信號的功率譜密度 根據(jù)確知信號功率譜求解的方法，我們知道確知信

21、號m(t)的功率譜可由如下的公式求解： 也就是說，先求出信號的傅立葉變換，再求出傅立葉變換函數(shù)的模的平方，即可得信號的功率譜密度。 四、實驗步驟 (1)按照 3.1 所提供的 AM 調(diào)制的思路，運行提供的范例程序，存檔為 Q2_1，并將所得的結(jié)果存盤，貼在下面空格處。 close all;clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5; t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm;figure(1)subplot(211);plot(t,s_am);hold on;plo

22、t(t,A+mt,r-);title(AM調(diào)制信號及其包絡(luò)唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);原圖形如下：A=2時波形圖如下：00.511.522.533.544.55-4-2024AM調(diào)制信號及其包絡(luò)唐緒泉羅力瑞t（2）程序 1 中定義加入的直流分量為A0=2，請在A0的值分別改為 1 和 10，看得到的調(diào)制波形會有什么變化？ A0=1 的調(diào)制波形 00.511.522.533.544.55-4-2024AM調(diào)制信號及其包絡(luò)唐緒泉羅力瑞tA0=10 時的調(diào)制波形 00.511.522.533.544.55-20-1001020AM調(diào)制信號及其包絡(luò)唐緒泉羅力瑞t請問，調(diào)制波形為什么會有這種變化

23、，這種變化會造成什么影響？答：因為AM信號調(diào)制的是幅度，當(dāng)幅度較低時，是可以正常的。但一旦超過了最高范圍時，就會發(fā)生失真。信號越強(qiáng)，那么位于信號中最高的輸出時間就越長，這種情況就叫信號的阻塞。（3）按照 3.2 所提供的DSB 調(diào)制的思路，運行提供的范例程序，存檔為 Q2_2，并將所得的結(jié)果存盤，貼在下面空格處。 范例程序如下：close all;clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm;figure(1);subplot(211);p

24、lot(t,s_dsb);hold on;plot(t,mt,r-);title(DSB調(diào)制信號唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);DSB調(diào)制波形圖如下：00.511.522.533.544.55-2-1012DSB調(diào)制信號唐緒泉羅力瑞t（4） 按照3.3所提供的相移法進(jìn)行SSB調(diào)制的思路，運行提供的范例程序， 存檔為Q2_3，并將所得的結(jié)果存盤，貼在下面空格處。范例程序如下： close all;clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2).*cos(2*pi*fm*t);%SSB modulation A=2;s_ssb=rea

25、l(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);%s_ssb=mt.*cos(2*pi*fc*t)/2+sqrt(2)*sin(2*pi*fm*t).*sin(2*pi*fc*t)/2;B=fm;figure(1);plot(t,s_ssb);hold on ;plot(t,mt,r-);title(SSB調(diào)制信號及其包絡(luò)唐緒泉羅力瑞);xlabel(t); axis(0 2 -1.5 1.5);SSB調(diào)制信號波形如下：00.20.40.60.811.21.41.61.82-1.5-1-0.500.511.5唐緒泉羅力瑞t（5）按照 3.3 所提供的濾波法進(jìn)行 SSB 調(diào)制的思

26、路，編寫用濾波法實現(xiàn) SSB 調(diào)制的程序，存檔為 Q2_4，并將所得的結(jié)果存盤，貼在下面空格處。 （提示：使用 LPF 函數(shù)實現(xiàn)濾波） LPF函數(shù)為：function t st=lpf(f,sf,B)%用低通濾波器實現(xiàn)濾波%輸入: f: 頻率% sf: 光譜樣本輸入數(shù)據(jù)% B: 低通濾波器的帶寬%輸出: t: 時間參數(shù)% st: 樣本輸出數(shù)據(jù)的時間df = f(2)-f(1);T = 1/df;hf = zeros(1,length(f);bf = -floor( B/df ): floor( B/df ) + floor( length(f)/2 );hf(bf)=1;yf=hf.*sf;t

27、,st=F2T(f,yf); /傅里葉逆變換函數(shù)st = real(st); /取st的實部此程序中調(diào)用的F2T函數(shù)程序如下：function t,st=F2T(f,sf) % This function calculate the time signal using ifft function for the input % signals spectrum df=f(2)-f(1); Fmx=(f(end)-f(1)+df); dt=1/Fmx; N=length(sf); T=dt*N; %t=-T/2:dt:T/2-dt; t=0:dt:T-dt; sff=fftshift(sf);

28、st=Fmx*ifft(sff);主程序：close all;clear all; dt=0.001; fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); /產(chǎn)生DSB信號B=2*fm;figure(1);subplot(311);plot(t,s_dsb); /顯示DSB信號波形在最上面的子圖hold on; /保持波形plot(t,mt,r-);title(DSB調(diào)制信號唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);f_dsb=fft(s_dsb); /DSB信號進(jìn)行傅里葉變換，由時域轉(zhuǎn)變到頻域tem

29、p=f_dsb;temp(50:4953)=0; /將DSB頻域信號低頻區(qū)濾除s_ssb=ifft(temp); /濾波后進(jìn)行傅里葉逆變換，得到上邊帶信號subplot(312);plot(t,s_ssb);hold on;plot(t,mt,r-);title(SSB上邊帶唐緒泉羅力瑞);xlabel(t);temp=f_dsb;temp(1:49)=0;temp(4953:end)=0; /濾除高頻區(qū)和低頻區(qū)，得到帶通的DSB頻域信號s_ssb=ifft(temp); /傅里葉逆變換得到SSB下邊帶信號subplot(313);plot(t,s_ssb);hold on;plot(t,mt

30、,r-);title(SSB下邊帶唐緒泉羅力瑞);xlabel(t); 實驗結(jié)果：00.511.522.533.544.55-202DSB調(diào)制信號唐緒泉羅力瑞t00.511.522.533.544.55-202SSB上邊帶唐緒泉羅力瑞t00.511.522.533.544.55-202SS下邊帶唐緒泉羅力瑞t（6）按照實驗原理中介紹的功率譜的計算公式，在同一圖形的四個子圖中，分別畫出基帶信號、AM 調(diào)制信號、DSB 調(diào)制信號和 SSB 調(diào)制信號的功率譜，要求寫出響應(yīng)的程序，畫出圖形，并在圖中標(biāo)出相應(yīng)的標(biāo)題和坐標(biāo)軸。 程序為： close all; clear all;dt=0.001;fm=1;fc=10;T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); /AM調(diào)制信號s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); /DSB調(diào)制信號s_ssb=real(hilbert(mt).*