北邮通信原理实验-基于SYSTEMVIEW通信原理实验报告-

北京邮电大学实验报告题目:基于SYSTEMVIEW通信原理实验报告班级:2013211124专业:信息工程姓名:曹爽成绩:目录实验一:抽样定理(3一、实验目的(3二、实验要求(3三、实验原理(3四、实验步骤和结果(3五、实验总结和讨论(9实验二:验证奈奎斯特第一准则(10一、实验目的(10二、实验要求(10三、实验原理(10四、实验步骤和结果(10五、实验总结和讨论(19实验三:16QAM的调制与解调(20一、实验目的(20二、实验要求(20三、实验原理(20四、实验步骤和结果(21五、实验总结和讨论(33心得体会和实验建议(34实验一: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、实验要求改变抽样速率观察信号波形的变化。三、实验原理一个频率限制在0f的时间连续信号(mt,如果以012STf的间隔进行等间隔均匀抽样,则(mt将被所得到的抽样值完全还原确定。四、实验步骤和结果1.按照图1.4.1所示连接电路,其中三个信号源设置频率值分别为10Hz、15Hz、20Hz,如图1.4.2所示。图1.4.1连接框图图1.4.2信号源设置,其余两个频率值设置分别为15和202.由于三个信号源最高频率为20Hz,根据奈奎斯特抽样定理,最低抽样频率应为40Hz,才能恢复出原信号,所以设置抽样脉冲为40Hz,如图1.4.3。图1.4.3抽样脉冲设置3.之后设置低通滤波器,设置数字低通滤波器为巴特沃斯滤波器(其他类型的低通滤波器也可以,影响不大,截止频率设置为信号源最高频率值20Hz,如图1.4.4。图1.4.4滤波器设置4.为了仿真效果明显,设置系统时间如图1.4.5所示。图1.4.5系统时间设置5.之后开始仿真,此时选择抽样速率恰好等于奈奎斯特抽样频率,仿真结果如图1.4.6所示,图中最上面的Sink4是相加后的输入信号波形,中间的Sink8是输入信号乘以抽样脉冲之后的波形,最下面的Sink9是低通滤波恢复后的波形。图1.4.6抽样频率为40Hz时的仿真波形图从图中可以看出,在奈奎斯特抽样速率条件下,恢复出来的波形和输入信号波形比较一致。由于是数字系统仿真,所以存在一定的精度问题是可以接受的。由此可以证明,在奈奎斯特抽样速率下,该系统可以恢复原信号波形。6.当设置抽样频率小于奈奎斯特抽样频率时,比如设置为30Hz,如图1.4.7。此时仿真波形如图1.4.8所示。可以看出,恢复出来的波形有明显失真,因为此时频域上发生混叠,导致时域无法恢复波形。这说明低于奈奎斯特抽样频率,系统无法无失真恢复原信号波形。图1.4.7抽样脉冲设置图1.4.8抽样频率为30Hz时的仿真波形图7.当设置抽样频率大于奈奎斯特抽样频率时,比如设置为60Hz,如图1.4.9。此时仿真波形如图1.4.10所示。可以看出,抽样频率大于奈奎斯特抽样频率时,,频域不发生混叠,系统可以恢复原信号波形,且效果比40Hz时更好。图1.4.9抽样脉冲设置图1.4.10抽样频率为60Hz时的仿真波形图8.如果继续加大抽样频率,比如设置为200Hz,则采样值更多,恢复波形的效果更好,如图1.4.11所示。由此说明,采样频率越高,恢复出来的波形与原信号波形越相似。图1.4.11抽样频率为200Hz时的仿真波形图五、实验总结和讨论从实验可以看出,抽样脉冲的频率小于奈奎斯特抽样频率(信号源最高频率的二倍时,由于频域发生混叠,时域上没法通过低通滤波的方法恢复出原信号;当抽样频率等于奈奎斯特抽样频率时,恰好不发生频域混叠,可以恢复出原信号;当抽样频率大于奈奎斯特抽样频率时,可以恢复出原信号,且抽样频率越高,恢复出的信号与原信号越相似,恢复效果越好。实验二:验证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、实验要求1.在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,分别观察输入与输出信号的波形。2.在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,提高信源速率观察输入与输出信号波形变化。3.在信道B一定的条件下(无码间干扰,逐渐加入噪声,观察输入、输出信号波形变化。4.分别观察前面三种情况的解调信号的眼图(选作。三、实验原理奈奎斯特第一准则是说,理想低通信道下的最高码元传输速率为理想低通信道带宽的二倍,即2bRW,单位是Baud。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。同时说明了理想信道的频带利用率为2。但是在实际中,理想低通滤波器是不可能实现的,一般采用升余弦滾降的方式,即利用升余弦滤波器做到无码间干扰传输。四、实验步骤和结果1.按照图2.4.1所示连接电路。图2.4.1连接框图2.设置码元速率为60Hz,如图2.4.2所示。图2.4.2设置码元速率为603.首先设置噪声的均值和方差为0,即不加噪声,如图2.4.3所示。图2.4.3设置噪声(目前为04.设置滤波器数据如图2.4.4所示。图2.4.4设置滤波器5.通过多次测试,设置合适的延时τ,得到在信道带宽B一定的条件下,无噪声时,输入与输出信号的波形图如图2.4.5所示。图2.4.5输入输出波形图从图中可以看出,噪声为0时,输入的随机序列码可以准确输出,也就是说,在满足奈奎斯特第一准则的条件下,没有噪声干扰时,经过抽样判决能恢复出原来的信号。调大仿真时间,得到无噪声无码间干扰时的眼图如图2.4.6所示。6.之后设置码元速率为100Hz,此时正好等于二倍带宽,如图2.4.7所示。仿真结果如图2.4.8所示,此时仍然能恢复出原信号。图2.4.7设置码元速率为100图2.4.8输入输出波形图7.最后设置码元速率为200Hz,如图2.4.9。此时已经远大于二倍带宽,从输入输出波形图(图2.4.10可以看出,此时译码会出现错误,也就是不能准确恢复处原信号。这就证明了奈奎斯特第一准则,理想低通新倒下的最高码元传输速率为理想低通信道带宽的二倍。此时的眼图如图2.4.11所示。图2.4.9设置码元速率为200图2.4.10输入输出波形图图2.4.11眼图8.比较完速率的影响后,我们再比较噪声的影响。先设置一个小一点的噪声,均值为0,方差为0.1,如图2.4.12所示。此时输入输出波形如图2.4.13所示。图2.4.12设置噪声图2.4.13输入输出波形从波形图可以看出,整个图中只发生了一次误判。可见加入噪声较小时,对判决结果的影响较小。9.这次我们增大噪声,加入均值为0,方差为0.5的噪声,如图2.4.14所示。此时输入输出波形如图2.4.15所示。图2.4.14设置噪声图2.4.15输入输出波形从波形图可以看出,整个图中共发生了7次误判。可见加入增大输入噪声,会增大误判率,从而使判决结果变得不准确。10.我们继续增大噪声的方差为1,如图2.4.16。此时输入输出波形如图2.4.17所示。此时图中共发生10次误判。由此可以证明,增大噪声会导致误判率的增大,从而使输出波形失真。图2.4.16设置噪声图2.4.17输入输出波形五、实验总结和讨论在满足奈奎斯特第一准则的条件下,无噪声输入时,判决后的输出和输入完全一致,说明不加噪声时,满足奈奎斯特第一准则的系统可以无失真传输数据。但是,当提高信源速率时,如果大于二倍带宽,此时不满足奈奎斯特第一准则,则会出现输出波形失真,即出现误码。此外,加入噪声也会使判决产生误码,且噪声功率越大,误码率越大。通过眼图可以很方便地观察码间干扰,当眼图“睁大”时,干扰较小;当眼图模糊不清甚至“闭合”时,说明干扰较大。实验三:16QAM的调制与解调一、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、实验要求1.观察无噪声时,16QAM信号波形及星座图。2.分别通过眼图和星座图观察噪声对16QAM信号的影响。3.改变带宽时,通过眼图和星座图观察噪声对16QAM信号的影响。三、实验原理16QAM调制框图如图3.3.1所示。此时L=4,输出为四电平调制信号。图3.3.116QAM调制框图16QAM解调框图如图3.3.2所示。信号乘以载波之后再通过低通滤波,最后判决恢复原来的二进制序列。图3.3.216QAM解调框图四、实验步骤和结果1.按照图3.4.1所示连接电路。其中设置两个信号源的码率为10,设置个电平值,正弦型载波的频率为100Hz,如图3.4.2和图3.4.3所示。图3.4.1连接框图图3.4.2设置信号源图3.4.3设置正弦型载波2.首先不加噪声,即设置噪声的均值和方差为0,如图3.4.4所示。图3.4.4设置噪声(此时为03.设置滤波器截止频率为10Hz,如图3.4.5所示。图3.4.5设置滤波器4.设置合适的系统时间,如图3.4.6。图3.4.6设置系统时间5.仿真波形图如图3.4.7所示,其中最上面的Sink7为四电平基带调制信号,Sink13和Sink14为同相分量和正交分量波形图。图3.4.7设置系统时间无噪声时的眼图和星座图如图3.4.8和图3.4.9所示。图3.4.8无噪声时的眼图图3.4.9无噪声时的星座图从波形图可以看出,调制之后的确由二电平变成了四电平;从眼图中可以看出,眼图中“眼睛”睁开较大,说明码间干扰很小;从星座图中可以看出,星座图较为完整,能清晰地看出这16个点,说明误码率相对较低。6.之后考虑加入噪声。首先加入均值为0,方差为0.3的噪声,如图3.4.10所示。此时的眼图和星座图如图3.4.11和3.4.12所示。图3.4.10设置噪声图3.4.11眼图图3.4.12星座图从图中可以看出,加入小噪声后,眼图中“眼睛”睁开的幅度减小,说明出现了码间干扰;星座图中的16个点也开始变得有些模糊,说明误码率有所增加。7.继续增大噪声的方差到1,如图3.4.13所示。此时眼图和星座图如图3.4.14和3.4.15所示。图3.4.13设置噪声图3.4.14眼图图3.4.15星座图从图中可以看出,加入较大噪声后,眼图开始变得混乱无规律,“眼睛”睁开的幅度更小,说明码间干扰更严重;星座图变得杂乱无章,已经看不出规则的16个点,说明误码率很大。8.最后考虑带宽的影响。将滤波器带宽调小为5,如图3.4.16所示。这时信号不能完全通过。此时的眼图和星座图如图3.4.17和3.4.18所示。图3.4.16设置滤波器图3.4.17眼图图3.4.18星座图从图中可以看出,带宽减小后,眼图中“眼睛”睁开的幅度变小,且较为杂乱,说明出现了码间更严重;星座图能依稀辨别16个点,但较为混乱,说明误码率较大。9.在无噪声时,增大带宽到50Hz,如图3.4.19。此时眼图和星座图如图3.4.20和3.4.21所示。图3.4.19设置滤波器图3.4.20眼图图3.4.21星座图通过观察可以发现，在没有噪声时，滤波器只要能让10Hz信号通过即可，也就是滤波器的截止频率大于10Hz即可，因为大于10Hz的部分也没有噪声，对信号没有影响。10.在加入噪声后（比如设置噪声的功率为1），依然采用刚才截止频率为50Hz的滤波器，此时会有噪声进入，眼图和星座图如图3.4.22和3.4.23所示。图3.4.22眼图31图3.4.23星座图如果我们降低滤波器的截止频率，在保证信号通过的前提下尽可能多地滤掉噪声，则最好的截止频率为10Hz，即保证滤波器的截止频率和信号的码率一致为最佳。此时的眼图和星座图如图3.4.24和3.4.25所示。图3.4.24眼图32图3.4.25星座图对比图3.4.19到图3.4.25可以看出，没有噪声时，由于没有噪声加入，滤波器只要能让信号通过即可；但是当有噪声加入时，滤波器既要保证信号能完整通过，又要尽可能不让噪声通过，此时最佳截止频率即为信号码率。五、实验总结和讨论在无噪声的情况下，眼图中“眼睛”睁开较大，说明码间干扰很小；星座图中能明显看出较为规则的16个点，连线比较直，误码率很低。加入噪声后，随着加入噪声功率的增大，眼图中的“眼睛”睁开的幅度逐渐减小，码间干扰逐渐增大；