北京邮电大学通信原理软件实验报告

北京邮电大学实验报告题目：基于SYSTEMVIEW通信原理实验报告实验一：验证抽样定理一、实验目的1、掌握抽样定理2.通过时域频域波形分析系统性能二、实验原理低通滤波器频率与m（t）相同三、实验步骤1.要求三个基带信号相加后抽样，然后通过低通滤波器恢复出原信号。2.连接各模块完成系统，同时在必要输出端设置观察窗。3.设置各模块参数。三个基带信号的频率从上到下分别设置为10hz、12hz、14hz。抽样信号频率设置为28hz，即2*14hz。（由抽样定理知，）将低通滤波器频率设置为14hz，则将恢复第三个信号（其频率为14hz）进行系统定时设置，起始时间设为0，终止时间设为1s.抽样率设为1khz。3.观察基带信号、抽样后的信号、最终恢复的信号波形四、实验结果最上面的图为原基带信号波形，中间图为最终恢复的信号波形，最下面的图为抽样后的信号波形。五、实验讨论从实验结果可以看出，正如前面实验原理所述，满足抽样定理的理想抽样应该使抽样后的波形图如同冲激信号，且其包络图形为原基带信号波形图。抽样后的信号通过低通滤波器后，恢复出的信号波形与原基带信号相同。由此可知，如果每秒对基带模拟信号均匀抽样不少于2次，则所得样值序列含有原基带信号的全部信息，从该样值序列可以无失真地恢复成原来的基带信号。讨论：若抽样速率少于每秒2次，会出现什么情况？答：会产生失真，这种失真被称为混叠失真。六、实验建议、意见增加改变抽样率的步骤，观察是否产生失真。实验二:奈奎斯特第一准则一、实验目的（1）理解无码间干扰数字基带信号的传输；（2）掌握升余弦滚降滤波器的特性；（3）通过时域、频域波形分析系统性能。二、实验原理在现代通信系统中，码元是按照一定的间隔发送的，接收端只要能够正确地恢复出幅度序列，就能够无误地恢复传送的信号。因此，只需要研究如何使波形在特定的时刻无失真，而不必追求整个波形不变。奈奎斯特准则提出：只要信号经过整形后能够在抽样点保持不变，即使其波形已经发生了变化，也能够在抽样判决后恢复原始的信号，因为信息完全恢复携带在抽样点幅度上。奈奎斯特准则要求在波形成形输入到接收端的滤波器输出的整个传送过程传递函数满足：,其充分必要条件是x(t)的傅氏变换X(f)必须满足奈奎斯特准则还指出了信道带宽与码速率的基本关系。即RB=1/TB=2ƒN=2BN。式中Rb为传码率，单位为比特/每秒（bps）。fN和BN分别为理想信道的低通截止频率和奈奎斯特带宽。上式说明了理想信道的频带利用率为RB/BN=2。在实际应用中，理想低通滤波器是不可能实现的，升余弦滤波器是在实际中满足无码间干扰传输的充要条件，已获得广泛应用的滤波器。升余弦滤波器的带宽为：。其中，α为滚降系数，0≤α≤1，三、实验步骤1.根据奈奎斯特准则，设计实现验证奈奎斯特第一准则的仿真系统，同时在必要输出端设置观察窗。设计图如下2.设置各模块参数：3.图形编号功能参数Token2基带信号-PN序列幅度Amp=1v；信息速率Rate=10Hz维数Levels=2；相位Phase=0degToken3延时器延时Delay=0.460secToken4升余弦滤波器带宽SymbolRate=100Hz升余弦系数Roll-OffFactor=0Token9LowPassFIR理想信道带宽Fc=5Hz；（是基带信号频率10hz的一半，正是传输信号的奈奎斯特带宽。）Token14高斯噪声方差StdDev=0v；均值Mean=0v；Token10采样采样速率Rate=1KHzToken11判决GateDelay=0sec，Threshold=0V，TRUEOUTPUT=1V,FALSEOUTPUT=-1V4.在信道带宽一定的条件下，首先在无噪声的情况下，分别观察输入信号与输出信号特性。5.在信道带宽一定的条件下，逐渐加入噪声，观察输入信号、输出信号波形；6.在信道带宽一定的条件下，将输入信号的传输速率增大一倍，为20hz，观察输入信号、输出信号波形；7.将滚降系数改为1，观察输入信号、输出信号波形四、实验结果以下各图黄线为输入信号，绿线为输出信号1.在信道带宽一定的条件下，首先在无噪声的情况下，分别观察输入信号与输出信号特性。发现输入信号与输出信号波形基本一致，验证了奈奎斯特第一准则。2.在信道带宽一定的条件下，逐渐加入噪声，观察输入信号、输出信号波形；1)噪声标准差为1v时2)噪声标准差为2v3)噪声标准差为3v4)噪声标准差为5v由以上各图可知，加入噪声幅度较小时，仍能正常传输。当加入噪声幅度较大时，可观察到明显的码间干扰，输出波形与输入波形不一致。3.在信道带宽一定的条件下，将输入信号的传输速率增大一倍，为20hz，观察输入信号、输出信号波形；此时信道带宽不满足奈奎斯特带宽，输出波形与输入波形明显不一致4.将滚降系数改为1，观察输入信号、输出信号波形输出波形变化不大，与输入波形仍然基本一致。五、实验讨论改变滚降系数对输出波形的影响？答：当α＝0时，就是理想奈奎斯特滤波器，此时的传输带宽是理想奈奎斯特滤波器的最小带宽，但当α0时，系统传输带宽就超过了奈奎斯特最小带宽，这时码率速率Rs就小于2倍带宽，如果解调器在每个码元间隔内仅做一次采样，那么会因为采样点太少而不能可靠恢复模拟波形，产生失真。但是数字通信系统不需要恢复模拟波形，只需要在取样时刻无码间串扰就行，而升余弦系列滤波器在取样时刻具有无码间串扰特性。因此，仍符合奈奎斯特第一准则，（即实验中改变滚降系数对波形影响不大），它所实现的频谱效率要比理论最高效率下降一个滚降系数α倍。六、实验建议、意见在改变滚降系数的情况下，增加对改变噪声、改变信号传输速率情况的检验。实验三：16QAM调制与解调一、实验目的1掌握正交幅度调制的基本原理；2掌握正交幅度相干解调的原理3通过时域、频域波形以及信号的星座图分析系统性能。二、实验原理1．MQAM的调制原理输入的二进制序列经过串并变换器，输出为速率减半的两路并行序列，再分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号，再分别对同相载波和正交相乘，最后将两路信号相加，得到MQAM信号2.MQAM信号的解调原理MQAM信号采用正交相干解调方法。解调器的输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经低通滤波器输出两路多电平基带信号。多电平判决器对多电平基带信号进行判决，再经并串变换器输出。MQAM的解调原理框图，如图。三、实验步骤1.设计仿真系统2.设置各模块参数信号源参数设置：基带信号码元速率设为10Hz，这里省去了2-4电平转换电路，载频设为100Hz。图形编号功能参数Token0Token1基带信号-PN序列幅度Amp=1v；信息速率Rate=10Hz维数Levels=4；相位Phase=0degToken3Token15载波幅度Amp=1v(0-p)；频率Freq=100Hz；相位Phase=0deg，Token11、12ButterworthLowpassIIR;相干解调带宽Fc=10Hz;Token5高斯噪声方差StdDev=0v；均值Mean=0v；Token10采样采样速率Rate=1KHzToken11判决GateDelay=0sec，Threshold=0V，TRUEOUTPUT=1V,FALSEOUTPUT=-1V3.仿真，观察波形信号、16QAM星座图、眼图4.无噪声情况下增加低通滤波器的带宽，观察波形信号、16QAM星座图、眼图5.将高斯噪声标准差增大为1v，然后逐渐增大低通滤波器带宽，观察波形信号、16QAM星座图、眼图四、实验结果1.16QAM星座图从上图可以清晰地看到16个点。眼图2.无噪声情况下增加低通滤波器的带宽⑴带宽增大为原来的2倍，为20hz16QAM星座图眼图⑵无噪声，带宽为原来的5倍，为50hz16QAM星座图眼图对比以上无噪声时不同带宽情况下的星座图，可以发现当滤波器带宽增大时，各个点之间的分界会变得比较模糊，即码间干扰增大。带从眼图的对比中也能发现，随着滤波器带宽的增大，眼睛闭合地越严重，说明码间干扰增大。3.将高斯噪声标准差增大为1v，然后逐渐增大低通滤波器带宽⑴带宽不变16QAM星座图与没有噪声时对比，星座图稍有模糊，但是十六个点的位置仍很明确。眼图⑶带宽增大为原来的2倍，为20hz16QAM星座图眼图⑷带宽增大为原来的5倍，为50hz16QAM星座图眼图从以上图的对比可知，同等带宽下，增大噪声时，带宽越大星座图变化的越明显。同等噪声下，增大带宽时，带宽越接近基带信号速率，抗噪性越好。五、实验讨论为什么低通滤波器带宽要设成跟基带信号速率相近？答：这样可以滤除噪声，只允许信号的主瓣通过六、实验建议、意见应增加对不同噪声下星座图变化的检测。实验四：二进制移相键控一、实验目的（1）掌握BPSK调制的基本原理；（2）掌握BPSK解调的方法、基本原理；（3）掌握载波同步的原理；（4）通过时域、频域波形分析系统性能。二、实验原理二进制移相键控（2PSK）是利用载波的相位来携带二进制信息的调制方式，通常用和分别代表0和1。（1）调制原理时域表达式为：其中{}为双极性二进制数字序列，{+1,−1};为二进制符合间隔；为基带发送成形滤波器的冲激响应，设A=1。2PSK信号的产生框图（2）解调原理2PSK信号的幅度是恒定的，已调信号中含有相位信息，因此需要采用相干解调。其解调原理框图如图（3）载波同步2PSK信号的功率谱中没有离散的载波分量，所以在2PSK相干解调恢复载波时，不能直接用窄带滤波器来提取载波，需要将2PSK信号经过非线性变换来产生离散的载波分量。科斯塔斯环法如图。三、实验步骤1.根据调制解调原理，设计实现二进制移相键控调制解调通信系统。框图如下：2.设定符号0二进制仿真信源：source:PNSeq幅度1V，频率10Hz；3.设定符号1载波信号：source:Sinusoid幅度1V，频率50Hz；4.连接各模块完成调制系统，同时在必要输出端设置观察窗；5.SystemView仿真系统的系统定时设置：起始时间（StartTime）、终止时间（StopTime）、采样间隔（TimeSpacing）、采样数目（No.ofSamples）、频率分辨率（Freq.Res.）等。（注意设置合理的采样频率）；6.观察基带信号、载波和调制信号的时域、频域波形。7.在解调时，设计载波提取电路，这里采用科斯塔斯环法，设定符号4，VCOFreq=50Hz,，ModGain=2Hz/v，环路滤波器1+as+bs2a=1,b=08.接收端低通滤波器，符号5采用butterworthLowpassIIR，截止频率根据实验具体设定；9.符号6为抽样保持电路，设定比较控制电平；符号7为比较器用于判决输出。10.观察基带信号、调制信号和解调信号的时域、频域波形。11.在信道传输过程中，信道中可能会存在一定的干扰，因此在实验中分别观察没有噪声时、小噪声和大噪声时，系统基带信号，已调信号和解调信号的时域、频域波形的变化以及误比特率的分析。四、实验结果1.按照最初设定的参数进行仿真，波形图如下：其中输入、输出信号复合图如下：（黄线为输入信号，绿线为最终输出信号）有延迟，但除去延迟的影响外，输入输出信号波形是一致的。2.调整科斯塔斯环的频率，增大为51hz此图的上面部分为输出信号波形，下面部分为输入信号波形，可以明显看出，虽然科斯塔斯环的频率只增大了一点点，输出信号已失真。3.科斯塔频率不变，增大相位⑴相位为输出信号与输入信号波形基本一致，变化不明显⑵相位改变为4.科斯塔斯环频率、相位为初始值，逐渐增加噪声⑴噪声标准差为2v输出信号无明显变化⑵噪声标准差为3v输出信号明显失真五、实验讨论1.改变科斯塔斯环的相位为什么会使输出信号失真？答：科斯塔斯环法原理如下所示经过环路滤波器后所得到的控制电压.当很小时，才有.所以，科斯塔斯环整个锁相环的设计，应该使锁相环的稳态相位误差θ很小。2.恢复载波为何会出现相位模糊问题？答：科斯塔斯环的鉴相特性如图由图可知，(n为任意整数)的各点均为锁相环的稳定平衡点，锁相环在工作时可能锁定在任意稳