四川大学现代电子技术实验非理想信道matlab仿真实验

四川大学电子信息专业实验报告课程现代电子技术专业实验实验课题非理想信道传输实验组员姓名电子信息学院实验六非理想信道传输实验一、实验目的1、仿真非理想信道传输时的数据传输过程2、仿真并说明非理想信道中各个参数的影响二、实验内容1.未设置任何参数时程序的分析：未设置任何参数时（即默认参数：除了输入信道噪声增益为0.5外，其余影响均为0），实验的运行结果：从第一幅图可以看出，输入的数据经过编码之后产生的基带信号的频谱集中在零频附近。第二幅图是信道传输的信号经过低通滤波之后的波形第三幅图是经过卷积滤波之后的波形，第四幅图是抽样后的信号的波形。实验的流程为：1)发送器：产生原始信号sendmesage,并用4个范围为{-1,+1，-3，+3}的数编码每个字符，得到编码信息m。加入定时偏移so，使用汉明窗产生原始基带信号mup。之后使用载频为20的fc对基带信号进行调制，生成发送信号r；2)信道：设置并加入多径干扰，得到信号dv，使用高斯噪声对信号加噪，得到加噪信号nv，设置发送信号延时toper，得到信号rnv。3)接收器：设置输入采样延时，生成混频信号，并与信号rnv相乘，通过一个低通滤波器之后得到信号x3，通过卷积滤波之后得到信号y，对y进行采样得到信号z，对z进行量化之后得到输出信号mprime，之后对其进行解码之后得到输出信号reconstructed_message。三、实验问题解答1.根据程序说明每一个设置参数所代表的物理意义。输入参数共6个：信道噪声增益cng、多径干扰cdi、发射频偏fo、发射机的相位频偏po、输入采样延迟toper和接收机符号的定时偏移。1)信道噪声增益cng（默认值0.5）：nv=dv+cng*(randn(size(dv)));其中，dv是加入多径干扰后的信号,randn(size(dv))产生一个与dv大小一致的一个噪声数组，nv为输出的加噪信号。cng的物理意义是信号中噪声的最大值。2)多径干扰cdi（默认值0）：ifcdi0.5,mc=[100];elseifcdi1.5,mc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,2.3*M)0.11];elsemc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,1.8*M)0.44];endmc=mc/(sqrt(mc*mc'));dv=filter(mc,1,r);多径指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。该程序中，设置了3个级别：一个是无多径干扰，一个是中等多径干扰，一个是严重的多径干扰。设置的依据是将信号经过不同程度的延时，再将不同的信号叠加得到最终的接收信号。3)发射频偏fo（默认值0）及发射机的相位频偏po（默认值0）：c=cos(2*pi*(fc*(1+0.01*fo))*t+po);fc是载波频率，c是载波。fc的改变会导致载波的频率变化，po的变化会导致载波的初始相位的变化。4)输入采样延迟toper（默认值0）：to=floor(0.01*toper*M);rnv=nv(1+to:end);rt=(1+to)/M:1/M:length(nv)/M;toper是一个符号周期的延时百分比，nv是加噪之后的信号，rnv是经过延时后得到的信号。toper的意义是在采样之前加入延时，也就意味着输入信号的一部分会因为采样延时的缘故而丢失。5)接收机符号的定时偏移so（默认值0）：M=100-so;mup=zeros(1,N*M);mup(1:M:end)=m;m为编码信号，mup为基带信号，接收机的符号误差的定时频偏的意义是发送和接收之间存在着固定时间的符号错位，会导致类似于载波频偏的现象。2.改变噪声增益，观察噪声对信号的影响，分析噪声增益超过多大时误码率明显上升，原因是什么？修改源程序，设置出信道噪声增益以外的其他值为默认值0。主要程序如下：ratio=10;pc=zeros(1,1000);forn=1:1000cng=n/ratio;…pc(n)=100*sum(abs(sign(mprime-m(1:lmp))))/lmp;endn=1:1000;n=n/ratio;plot(n,pc);xlabel('信道增益取值');ylabel('误码率百分比%');运行结果：当设置ratio=100时（即cng范围为0~10）：当设置噪声增益超过2时，误码率明显上升。因为码元数据是由{-3,-1,1,3}这个数组组成的，相邻差值为2，当噪声增益超过2时，每个码元都有可能被噪声影响变成不同的码元，在解码时，这种误差一旦产生，只能通过相邻码元之间的联系来消除。但每个码元都有错误的可能，因此这种消除的方法并不能完全消除误码。当增益小于1时，无论哪个码元受到了噪声的影响，都不可能与另外的码元有交集，因此不可能有误码。当增益大于1时，通过进一步的仿真实验可以看出，最先的误码在增益为1.25左右。3.分析第2个图和第3个图的异同，解析其中的原因？左边为第二幅图，右边为第三幅图，生成这两幅图的代码为：rp=hamming(rM);y=filter(fliplr(rp)/(pow(rp)*rM),1,x3);figure(2),ul1=floor((length(x3)-124)/(4*rM));plot(reshape(x3(125:ul1*4*rM+124),4*rM,ul1));figure(3),ul=floor((length(y)-124)/(4*rM));plot(reshape(y(125:ul*4*rM+124),4*rM,ul));可以看出，左图是由x3的数据生成的曲线图，右图是由y的数据生成的曲线图。x3是接收机处经过低通滤波之后的信号，y是x3经过卷积滤波之后的信号。绘制时，将信号先截断，然后分段显示，便于观察。经过低通滤波之后的x3的曲线图在的每条曲线均不是很光滑，存在的高频分量较多。空间卷积滤波相当于频域的乘积，相当于在频域做低通滤波。使用下列式子可以观察x3和y在频谱上的区别：plotspec(x3,1/25200)figureplotspec(y,1/25200)绘制结果如下图：可以明显看到，经过频域滤波之后，频谱中的高频分量被滤除。y中低频分量少，所以图像显得更为光滑。4.分析三种多径干扰的异同和带来的影响。设置多径干扰cdi为1时，报错：更改源程序中46~52行如下：ifcdi0.5,mc=[100];elseifcdi1.5,mc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,floor(2.3*M))0.11];elsemc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,floor(1.8*M))0.44];end1)设置多径干扰为0,其余参数保持默认，得到如下运行结果：cluster_variance=0.0137percentage_symbol_errors=02)设置多径干扰为1，其余参数保持默认，得到如下运行结果：cluster_variance=0.0660percentage_symbol_errors=03)设置多径干扰为1，其余参数保持默认，得到如下运行结果：cluster_variance=0.3233percentage_symbol_errors=13.9442设置多径干扰的程序为：mc=mc/(sqrt(mc*mc'));dv=filter(mc,1,r);可以看出，设置多径干扰都是通过设置滤波器参数，对原始信号进行过滤，产生对原始信号进行不同程度的延时，并将延时信号与原始信号相叠加而形成的。随着多径干扰程度的加重，集群方差和符号误差也在随之上升。而最终的抽样序列的图表中可以看到，随着多径干扰的增加，原本集中在{-3,-1,1,3}的抽样点开始扩散，到多径干扰为2时，已经不能分辨出不同抽样点间的区别，误码率也上升到13.9%。5.利用通信原理的知识分析相位误差对接收信号的影响，取相位偏移分别为0.7和𝜋/2，观察误码率的变化。1)其他参数保持默认，设置相位偏移为0.7：cluster_variance=0.2743percentage_symbol_errors=0.3984sendmesage=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=123Communicationtesdfornon-idealchannel,lalala~~~4567892)其他参数保持默认，设置相位偏移为𝜋/2：cluster_variance=0.8385percentage_symbol_errors=74.1036sendmesage=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=YY™Uªf¥™Ufj©fZ™™fVfU©©VfVUi©ª™¦™U™ªi¥j™™™™YU¦f™VfZª™ª¦™U™ªU™¥™3)其他参数保持不变，设置相位偏移从0~𝜋/2变化，得到误码率的曲线图：可以看到，在相位误差超过pi/4（约为0.79）时，误码率急剧上升设phi为相位偏移，m(t)为基带信号，cos(wt+phi)为发射载频，cos(wt)为接收载频。可以得到发射信号f(t)的表达式：f(t)=m(t)*cos(wt+phi)忽略信道的影响，接收端先将发射信号与接收载频相乘，即：y(t)=f(t)∗cos(wt)=m(t)∗cos(wt+phi)∗cos(wt)=m(t)∗cos(wt)∗cos(wt)∗cos(phi)−m(t)∗sin(wt)∗cos(wt)∗sin(phi)=1/2∗m(t)∗cos(phi)+1/2∗cos(2wt)−1/2∗m(t)∗sin(2wt)∗sin(phi)经过低通滤波之后：y2(t)=1/2∗m(t)∗cos(phi)当phipi/4时，接收信号抽样后的幅度相比于发射信号的幅度有了较大衰减，如让phi=pi/2时，抽样序列的峰峰值才为0.6左右，与正常的峰峰值8有了很大的差距。也就是，当相位从0到pi/2时，接收时的抽样信号会随着相位的增加而减少，导致在判决时绝对值大的信号很有可能被判决为绝对值稍小的信号，绝对值稍小的信号受到的影响较小，码元有{-3,-1,1,3},绝对值有1、3，当出现相位偏移时，绝对值为3的被判决为绝对值为1的码元，因此其误码率约为50%，也就是图中较为平坦的部分，抽样信号图像向y=0处压缩。6.利用通信原理的知识分析频偏对接收信号的影响，使用参数为0.01%的频偏，根据图和输出解码结果分析其原因。其他参数默认，设置频偏为0.01%，程序运行结果为：figure2,3为低通滤波和卷积滤波之后的信号波形figure4为最后抽样的波形cluster_variance=0.2461percentage_symbol_errors=60.5578sendmesage=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=123Communicatioj%eefeefjfejjZYVª™Z™™™™™™™™™™Ú™™™™™™™™™ßËÊÉÈÇÆ从figure4和解码出来的数据可以看出，频率偏移即使只有0.01%的时候，误码率也会达到61%。由通信原理的知识可得：设dt为频率偏移，m(t)为基带信号，cos(wt+dt)为发射载频，cos(wt)为接收载频。可以得到发射信号f(t)的表达式：f(t)=m(t)*cos(wt+dt)忽略信道的影响，接收端先将发射信号与接收载频相乘，即：y(t)=f(t)∗cos(wt)=m(t)∗cos(wt+dt)∗cos(wt)=m(t)∗cos(wt)∗cos(wt)∗cos(dt)−m(t)∗sin(wt)∗cos(wt)∗sin(dt)=1/2∗m(t)∗c