Matlab和Simulink通信与系统仿真实验指导书

通信与系统仿真实验指导书昆明理工大学信息工程与自动化学院通信工程系邵玉斌撰实验一题目：SIMULINK基本模块的使用预习指导：实验目的：学习SIMULINK基本模块的使用和仿真参数设置。实验要求：学会使用SIMULINK的基本模块：信号发生器，数学模块，示波器，应用这些模块构建基本的通信系统模型，并进行仿真验证。实验内容：（1）用信号发生器产生1MHz，幅度为15mV的正弦波和方波信号，并通过示波器观察波形。注意设置仿真参数和示波器的扫描参数和幅度显示参数。使得示波器能够显示10个正弦波周期。如图：（2）通过示波器观察1MHz，幅度为15mV的正弦波和100KHz，幅度为5mV的正弦波相乘的结果。写出数学表达式。通过使用三踪示波器同时观察1MHz、100KHz正弦波以及相乘的结果。注意设置仿真参数和示波器的扫描参数和幅度显示参数。请调整参数得出下图波形。（3）将50Hz，有效值为220V的正弦交流电信号通过全波整流（绝对值）模块，观察输出波形。注意，有效值为220V的正弦信号的振幅是多少？（4）通过m语言编程来得到（2）、（3）的波形，用plot语句作出波形图。给出程序。（5）学有余力的同学，可自行对两信号的相加，相减以及其它数学运算模块进行实验。实验报告内容和要求：1.对（1）～（4）作出实验记录，特别是遇到的问题和解决办法。（20分）2.画出（1）的仿真模型方框图，说明参数设置情况，画出所得到的波形示意图。（20分）3.画出（2）的仿真模型方框图，说明参数设置情况，画出所得到的波形示意图。（20分）4.画出（3）的仿真模型方框图，说明参数设置情况，画出所得到的波形示意图。（10分）5.给出（4）的程序代码和运行结果。（20分）6.完成思考题。（10分）7.实验报告必须使用实验报告用纸，必须手写。实验报告请在实验完成后一周内提交。思考题：1.你认为SIMULINK仿真和m语言编程仿真的各自特点和优点是那些？（参考课本2.2和2.3节部分论述以及internet查询）2.叙述计算机仿真的基本步骤。（参考课本1.2.2节论述）实验二题目：构建SIMULINK子系统和模块的封装预习指导：实验目的：学习构建SIMULINK子系统，模块的封装。传递函数模块的应用。实验要求：学会构建SIMULINK的子系统：学习自建模块的封装，帮助文档编写，模型空间与Matlab命令空间的交互。实验内容：（1）学习信号与系统中的传递函数的应用：拉氏变换和Z变换。a.通过仿真求出H(s)=5/(2s+1)的阶跃响应和冲激响应。构建模型得出波形。对比采用默认仿真参数以及采用仿真步长为1/1000秒两种情况的波形。你能够解释吗？b.将200Hz的锯齿波通过1000次每秒的采样保持器之后得到时间离散信号，观察采样保持器前后的波形变化，解释为什么。然后将时间离散信号通过传递函数H(z)=4/(z+0.3)的系统，求出响应波形。仿真步长为1/1000秒。需要设置所有模块的参数，特别是采样率一定要设置为1/1000秒。（2）学习构建SIMULINK子系统：构建一个子系统，使得它具有将输入信号m(t)（如一个100Hz的正弦波）和一个常数C相加后再和一个1000Hz的幅度为A的正弦波相乘的功能。即输出信号：事实上，这就是是个幅度调制子系统。y(t)=A(m(t)+C)sin(2*pi*f*t)其中f=1000Hz。参数A,C,f要求在Matlab命令空间中用语句进行设置。例如：A=2;C=1;f=1000;（3）对子系统进行封装：请对（2）所建立所子系统进行封装（Mask），编写参数输入对话框和帮助文档。并将模块放在一个自己的库中。例如（4）应用自己封装的库模块构建一个系统，和标准的SIMULINK库模块进行对比提示：使用通信工具箱中的模拟幅度调制模块“DSBAMModulatorPassband”。（5）用sim指令在命令空间启动模型进行仿真：对（4）中的模型采样命令open打开，采用sim指令进行仿真。请给出指令语句。实验报告内容和要求：1.对（1）～（5）作出实验记录，特别是遇到的问题和解决办法。（20分）2.画出（1）的仿真模型方框图，说明参数设置情况，画出所得到的波形示意图。（20分）3.画出（2）的仿真模型方框图，说明参数设置情况，画出所得到的波形示意图。（20分）4.画出（3）的仿真模型方框图，说明参数设置情况，画出所得到的波形示意图。（10分）5.给出（5）的程序代码和运行结果描述。（20分）6.完成思考题。（10分）7.实验报告必须使用实验报告用纸，必须手写。实验报告请在实验完成后一周内提交。思考题：1.谈谈用sim指令进行仿真和在SIMULINK中用菜单进行仿真这两种方式各自特点和优点？2.利用信号与系统的知识计算H(s)=5/(2s+1)的冲激响应h(t)。是否符合（1）a中的仿真结果？3.说明封装子系统的过程。实验三2006年4月3日题目：信号物理参数的测量实验目的：学习确定信号和随机信号的物理参数：振幅，功率，交直流分量和频率的测量原理和方法。实验要求：学会测量（1）正弦信号的昀大值，昀小值、振幅、功率、和频率。（2）随机信号的产生和统计参数的测量：均值和方差，随机信号的昀大值，昀小值，中值等等。噪声与信号混合之后测试信噪比。（3）学习使用频谱仪，测量正弦信号的功率频谱。实验内容：（1）产生一个550Hz，振幅为2.5V的正弦波，用Simulink模块来测试其昀大值，昀小值、振幅、功率，并利用频率计的工作原理构造一个频率计，测量其频率。仿真步进可设定为1/10000秒。这里学习使用DSP工具箱中的Statisitics工具箱。Statisitics工具箱如下图，分别有求离散信号昀小值、昀大值、平均值，标准差、方差、均方根植（RMS）、自相关、互相关、中值（Median），直方图、排序等等功能模块。我们学习使用昀小值、昀大值、平均值和方差模块来求信号的昀小值、昀大值、直流分量（平均值）和交流功率（方差）。建立模型时需要注意将连续信号用零阶保持模块离散化，然后才能使用DSP工具箱中的模块。理论上正弦波的功率计算是：P=(A/sqrt(2))^2=(2.5/1.414)^2=3.1259W。通过如下仿真可以看出，模块输出的结果是动态变化的随机量，数值上逼近理论结果。频率计的原理：频率计实质上是一个按照固定时间清零的计数器，例如在一秒内对波形脉冲的计数就是该波形的基波频率。频率计的组成是：时间闸门，计数器，计数完毕时的输出使能（用触发子系统建模）以及频率显示模块，如下图。建模时请根据原理自行设计仿真模块的参数。（2）产生一个高斯随机信号：方差为2，均值为1，用（1）中的统计模块测量出其均值和方差。仿真步长1/10000秒。如下图，可见仿真计算结果和理论结果之间的细微差别。在实验报告中解释这种差别。设计建模一个1000Hz的正弦波，要求功率是10W。混合了一个零均值的高斯随机噪声，噪声功率为0.1W，测量出：信号和噪声的信噪比，用dB显示。测量出混合信号（相加）的总功率，你能够得出什么结论？建模之前首先解决：功率是10W的正弦波的振幅是多少？噪声功率为0.1W的随机噪声其方差是多少？测量出的信噪比和理论信噪比分别是多少，有区别吗？下图是仿真模型和结果。（3）请用simulink模型实现课本p252程序6-21的建模和计算。比较编程和图形建模的各自特点。（4）使用频谱仪测量正弦信号的功率频谱。分别测量800Hz，振幅为1V的正弦信号和方波信号的频谱，比较两者的区别。频谱仪模块在DSP工具箱中的sinks中。注意设置频谱仪的FFT长度为2048（可设其它长度试试）。显示特性设置为幅度显示，而不要设置为分贝方式。（5）学有余力的同学，可设计一个系统观察双边带调制输出信号的波形和频谱。实验报告内容和要求：（！！注意每部分得分情况！！）1.对（1）～（4）作出实验记录，说明参数设置情况、特别是遇到的问题和解决办法。（30分）2.简述频率计的工作原理，设计一个能够精确到0.1Hz的频率计。（20分）3.给出（3）中建立的模型和参数设置以及仿真结果。（20分）3.完成思考题。（30分）4.实验报告必须使用实验报告用纸，必须手写。实验报告请在实验完成后一周内提交。思考题：1.如何测量信噪比？（15分）2.说明FFT长度和频谱计算精度的关系。提示：参考数字信号处理或课本6.4、6.4.2节内容。（15分）实验四2006年4月10日题目：频分复用和调幅收音机的建模与仿真实现实验目的：通过建模和仿真验证频分复用的原理，仿真验证超外差接收机原理和模型，观察信道噪声以及检波参数对解调信号的影响。实验要求：学会应用模拟调制和解调的原理来构建一个调幅收发信系统。理解混频和超外差接收的原理，检波原理，并以此构建出超外差接收机模型。对调幅发信机（电台），信道以及接收机进行封装，对频分复用FDMA原理进行验证。实验内容：（1）仿真参数设计要求：a.仿真步长：固定，1e-7秒。b.调幅发射机参数：音频信号：正弦波，幅度0~1V，频率50Hz～3000Hz可调（可设置）。表达式为：cos201503000AFtAFp载波：正弦波，幅度为1V，频率535KHz～1605KHz可设置。表达式为：cos2,5350001605000ccftfp。调幅输出波形表达式为：()1cos2cos2cftAFtftc.信道：加性高斯噪声，方差（噪声功率）可调。d.接收机：混频器为理想乘法器，中频频率465KHz，本振频率可调，接收频率范围是中波频段（535KHz～1605KHz），有1级中频放大器，信号幅度增益为10dB。采用半波检波器。中频变压器（中周，即中频带通滤波器：中心频率465KHz，带宽6KHz，滤波器阶数为2阶）。（2）仿真结果要求：a.得出调幅发射机的发送波形图。b.接收机检波前后的波形对比图。c.将3个不同载波频率的发射机发送的信号叠加起来，再用3个接收机分别接收其中的一个信号，验证频分复用的原理。当两个发信机的载波频率靠得较近，例如相差4KHz，会产生什么现象？试解释之。实验报告内容和要求：（！！注意每部分得分情况！！）1.建立和封装（1）参数所要求的模型。特别是遇到的问题和解决办法。（30分）2.用（1）中的模型建立FDMA系统，仿真得出（2）所要求的波形。（40分）3.完成思考题。（30分）4.实验报告必须使用实验报告用纸，必须手写。实验报告请在实验完成后一周内提交。思考题：1.为什么接收机要采用混频原理？混频的目的是什么？2.普通收音机采用了一个混频器的外差技术，但一些高级的收音机，通信中的手机，卫星电视接收机等等都采用了有多个混频器的多次变频技术，查阅资料对2次变频技术作出阐述。3.在实验步骤（1）中，仿真步长确定固定的1e-7秒。说明原因。当仿真步长定为1e-10秒，你认为会出现什么现象？实验五2006年4月17日题目：线性系统的多种建模和仿真方法实验目的：通过MATLAB和SIMULINK中的多种建模和仿真方法构建线性系统，了解系统建模的灵活性，锻炼创造性建模的思维和能力。实验要求：对一个电路线性系统进行数学分析并建模，用MATLAB编程，传递函数的建模，信号流图的建模，状态方程的建模以及S函数的建模等等多种建模和仿真方法来仿真系统，对各种建模和仿真结果进行对比。实验内容：（1）线性代数方程组的SIMULINK求解任务：求解方程组：121121151020254vvvvvv122122410202104vvvvvv首先根据方程画出信号流程：学习利用反馈支路建立等式的方法。方框图其实就是方程的另外一种表示。当然，可以将方程化简以后再建立信号流程。这里故意演示复杂方程的建模流程。由于方程是代数方程，所以建模模型中含有代数环，simulink仿真时会出现告警。但不影响结果的正确性。IC模块用来设置初解，可不用。建模例如：运行求解得出：V1＝10VV2＝6V（2）线性微分方程组的信