matlab与通信仿真实验指导书(下)

《Matlab与通信仿真》实验指导书(下)

刘毓 杨辉 徐健 和煦 黄庆东 吉利萍编著

上课时间： 学年第 学期 系 部： 班 级： 姓 名： 班内序号： 指导教师：

实验课程成绩：

通信与信息工程学院

2011-1

目 录

实验一 MATLAB基础实验.......................................................... 1

实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八

实验一成绩

绘图和确知信号分析实验 ................................................ 8

实验二成绩

随机信号与数字基带实验 .............................................. 15

实验三成绩

模拟调制实验 .................................................................. 24

实验四成绩

模拟信号数字传输实验（一）...................................... 32

实验五成绩

模拟信号数字传输实验（二）...................................... 39

实验六成绩

数字频带传输系统实验 .................................................. 45

实验七成绩

通信系统仿真综合实验 .................................................. 57

实验八成绩

Matlab与通信仿真 实验一 MATLAB基础实验

一、实验目的

 了解MATLAB 程序设计语言的基本特点，熟悉MATLAB软件运行环境  掌握创建、保存、打开m文件及函数的方法

 掌握变量等有关概念，具备初步的将一般数学问题转化为对应的计算机模型并进行处理 的能力

二、实验内容及步骤

1.在Command Window里面计算

①(358)510； ②sin(3)9/5；

123789③A456，B456，计算：CAB,DAB,A\\C,C/B； 78912331.24④A7.56.63.1，求A,A1,A； 5.43.46.112i34i⑤Z，输入复数矩阵；

56i78i12232.建立.m文件，用for循环语句生成50×50的矩阵A：50515051,将A矩阵进行水99平和垂直翻转得到矩阵B和C。将A矩阵的前10行，10列变成0并赋值给D。

3.建立.m文件，随机产生一个50×50的矩阵，元素值为从0到255，要求用0和255对该矩阵进行标记，元素值大于128的标记为255，元素值小于128的标记为0。

4.产生一个均值为2.4方差为0.2大小为3×4的随机矩阵。

5.（选做）编写函数使用0.618搜索法（近似黄金分割法）求给定函数的极值：搜索法求解

min(t)的基本过程：给出[a,b]，使得t在[a,b]中。[a,b]称为搜索区间。迭代缩短[a,b]的长

t0度。当[a,b]的长度小于某个预设的值，或者导数的绝对值小于某个预设的正数，则迭代终止。

1

Matlab与通信仿真

以函数min(t)t2t1，作为处理对象，其中搜索区间定为[0,3],精度定为0.5。

t03三、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

2

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Matlab与通信仿真 四、实验报告：（调试好的程序，实验结果及分析） 5

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Matlab与通信仿真 实验二 绘图和确知信号分析实验

一、实验目的

 掌握二维平面图形的绘制方法，能够使用这些方法进行常用的数据可视化处理  理解周期信号的傅里叶级数展开的物理意义  掌握信号的傅里叶变换及其反变换

二、实验原理

1.周期信号的傅里叶级数

若一周期信号

ftftkT，其中k为整数，T成为信号的周期。若周期信号在

一个周期内可积，则可通过傅里叶级数对该信号进行展开。其傅里叶展开式如下：

ftnFenj2nfst1T/2ftej2nfstdt ，FnTT/2其中，T为信号最小周期；

fs1/T为信号的基波；Fn为傅里叶展开系数，其物理意义为

频率分量nfs的幅度和相位。 2.信号的傅里叶变换及其反变换

对于非周期信号st，满足绝对可积的条件下，可利用傅里叶变换对其进行频域分析。

j2ftSfste其中，Sf称为信号sdt，stSfej2ftdf

t傅里叶变换，表示了该信号的频谱特性。

2Mn)，并N三、实验内容

1．假设N=12。对于M=4，5，7，10，在0≤n≤2N-1区间上画出xM[n]sin(添上适当标注。用plot和stem分别绘制该信号，并比较。

1,0tT/22．设周期信号一个周期[0，T]的波形为st，其中

0，T/2tT考察其对st的逼近程度，考察其物理意义。

T=1。求该信号

傅里叶级数展开式，并用MATLAB画出傅里叶级数展开后的波形，并通过展开式项数的变化

1,0t1/23．设非周期信号st，求该信号的傅里叶变换，MATLAB

0，1/2t1叶变换后的频谱，并对频谱进行反变换，画出s

8

画出傅里

t的波形。

Matlab与通信仿真 四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序） 9

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Matlab与通信仿真 五、实验报告：（调试好的程序，实验结果及分析） 12

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Matlab与通信仿真 实验三 随机信号与数字基带实验

一、实验目的

 掌握库函数产生随机数方法  基带信号波形生成和其功率谱密度  理解采用蒙特卡罗算法仿真的思想

二、实验原理

（一）.库函数产生随机数

① 均匀分布的随机数

利用MATLAB库函数rand产生。rand函数产生（0，1）内均匀分布的随机数，使用方法如下：

1）x=rand(m)；产生一个m×m的矩阵，所含元素取值均为在（0，1）内均匀分布的随机数。

2）x=rand(m，n)；产生一个m×n的矩阵，所含元素取值均为在（0，1）内均匀分布的随机数。

3）x=rand；产生一个随机数。

4）调用rand(1,N)给出均值为0.5，功率为1/12=0.083的白噪声。 5）调用rand(1,N)给出均值为0.5，功率为n率为0.01。

② 高斯分布的随机数

randn函数产生均值为0，方差为1的高斯分布的随机数，使用方法如下：

1）x=randn(m)；产生一个m×m的矩阵，所含元素都是均值为0，方差为1的高斯分布的随机数。

2）x=randn(m，n)；产生一个m×n的矩阵，所含元素都是均值为0，方差为1的高斯分布的随机数。

3）x=randn；产生一个均值为0，方差为1的高斯分布的随机数。

4）调用randn，生成均值为0，方差为1，服从高斯分布的白噪声信号u(n)。

20.083的白噪声，现在要均值为0，功

（二）.基带信号波形生成和信号的功率谱密度

1).要画出完整的基带信号波形，每一个码元要采 n个样值。 2）信号f(t)的功率谱密度为：P()limFT()T2T。

（三）.蒙特卡罗算法

蒙特卡罗估计是指通过随机实验估计系统参数值的过程。蒙特卡罗算法的基本思想：由概率论可知，随机实验中实验的结果是无法预测的，只能用统计的方法来描述。故需进行大量的随机实验，如果实验次数为N，以NA表示事件A发生的次数。若将A发生的概率近似

15

Matlab与通信仿真 为相对频率，定义为NAN。这样，在相对频率的意义下，事件A发生的概率可以通过重复无限多次随机实验来求得，即：PANA limNN

在二进制数字通信系统中，若N是发送端发送的总码元数，NA是差错发生的次数，则

总误码率可通过蒙特卡罗算法计算。

三、实验内容

1．产生随机数。

利用rand函数产生5×4的（0，2）内均匀分布的随机数；

利用randn函数产生5×4的均值为0，方差为2的高斯分布的随机数。

2．利用随机数产生单极性基带信号，每一个码元要采 8个样值，并画出其波形和功率谱密。 3．利用蒙特卡罗算法仿真二进制双极性基带通信系统的误码率。

假定通信系统满足以下条件：

① 信源输出的数据符号是相互独立和等概的双极性基带信号 ② 发送端没有发送滤波器，接收端没有接收滤波器 ③ 信道是加性高斯白噪声信道

数字基带信号传输系统模型如图1所示：

发送滤波器噪声图1 数字基带信号传输系统模型

接收滤波器抽样判决器

当P1P012时：最佳判决门限：Vd0，误码率：

A1r11Peerfcerfc，利用Q(x)22222n可得Q(x)xet2/2dt，erfc(x)2xedt，

t21xerfc()，故可用Q函数表示误码率PeQ(r)。抽样判决器输入信噪比：22r1An1，发1rA 抽样判决器输入信号为：

r0An，发0222nA为判决器输入有用信号电压，n1，n2为信道输入的均值为0，方差为n2高斯噪声。

通信系统的蒙特卡罗仿真模型如图2所示。编程实现二进制基带通信系统的误码率的蒙特卡罗仿真，并和理论误码率比较。

16

Matlab与通信仿真 均匀随机数发生器高斯随机数发生器二进制数据源+比较判决器差错计数器 图2 通信系统的蒙特卡罗仿真模型

四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

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Matlab与通信仿真 五、实验报告：（调试好的程序，实验结果及分析） 20

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Matlab与通信仿真 实验四 模拟调制实验

一、实验目的

 掌握线性模拟调制信号的波形及产生方法  掌握线性模拟调制信号的频谱特点  掌握线性模拟调制信号的解调方法

 掌握线性模拟调制系统的MATLAB仿真实现

二、实验原理

1. AM调制

AM信号的时域表示式：

sAM(t)[A0m(t)]cosctA0cosctm(t)cosct

频谱： 1S()A[()()][M(c)M(c)]AM0cc

2调制器模型如图1所示：

smt mt A0cosct

图1 AM调制器模型

AM的时域波形和频谱如图2所示：

时域 频域

图2 AM调制时、频域波形

2. DSB-SC调制

DSB信号的时域表示式

24

Matlab与通信仿真

sDSB(t)m(t)cosct

频谱：

1SDSB()[M(c)M(c)]

2

DSB的时域波形和频谱如图3所示：

sDSB t

tMHtHSDSBtc0c时域 频域

图3 DSB调制时、频域波形

DSB的相干解调模型如图4所示：：

图4 DSB调制器模型

3. SSB调制

SSB信号的时域表示式 1sSSB(t)Amcosmtcosct 2频谱：分为上边带和下边带，均为双边带的一半。

1Amsinmtsinct2三、实验内容（任选一）

1.用matlab产生一个频率为1Hz，振幅为1的余弦信源，设载波频率为10Hz，A=2。 ①AM系统中，当相干解调器输入信噪比为15dB时，系统各点的波形及其频谱，并对调制信号和解调信号进行比较分析。 ②分析比较不同信噪比下的解调信号。

2.用matlab产生一个频率为1Hz，振幅为1的余弦信源，设载波频率为10Hz。

①DSB-SC系统中，当相干解调器输入信噪比为15dB时，系统各点的波形及其频谱，并对调制信号和解调信号进行比较分析。

25

Matlab与通信仿真 ②分析比较不同信噪比下的解调信号。

3.用matlab产生一个频率为1Hz，振幅为1的余弦信源，设载波频率为10Hz。

①SSB系统中，当相干解调器输入信噪比为15dB时，系统各点的波形及其频谱，并对调制信号和解调信号进行比较分析。 ②分析比较不同信噪比下的解调信号。

四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

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Matlab与通信仿真 实验五 模拟信号数字传输实验（一）

一、实验目的

 掌握低通信号抽样定理

 理解13折线A率逐次比较型PCM编码仿真的思想

二、实验原理

1．低通信号的抽样定理 一频带限制在

0,fH赫内的时间连续信号mt，若以fs2fH速率对mt等间隔

抽样，则mTs1fs12fHt将被所得抽样函数mst完全确定。

2．验证低通信号的抽样定理

抽样的过程是将输入的模拟信号与抽样信号相乘而得，通常抽样信号是一个周期为Ts的周期脉冲信号，抽样后得到的信号称为抽样序列。理想抽样信号定义如下：

T(t)P(tnTs)

n其中，P(t)10t0t0,fs1称为抽样速率。 Ts因此抽样后的信号为

xs(t)x(t)T(t)经带宽为fH低通滤波器后可恢复抽样信号。 3．PCM的基本原理如图1所示：

kx(kT)P(tkT)

ss

图1 PCM的基本原理

抽样是对模拟信号进行周期性的扫描， 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息， 即能无失真地恢复出原模拟信号， 抽样速率的下限由抽样定理确定。

量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。

编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。 4．逐次比较型PCM编码的产生原因：

①均匀量化时其量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因就是均匀量

32

Matlab与通信仿真 化时的量化级间隔Δ为固定值，而量化误差不管输入信号的大小均在(-Δ/2, Δ/2)内变化。故大信号时量化信噪比大，小信号时量化信噪比小。对于语音信号来说，小信号出现的概率要大于大信号出现的概率，这就使平均信噪比下降。同时，为了满足一定的信噪比输出要求，输入信号应有一定范围(即动态范围)， 由于小信号信噪比明显下降，也使输入信号范围减小。要改善小信号量化信噪比，可以采用量化间隔非均匀的方法，即非均匀量化。

②压扩特性曲线用A律压扩特性曲线，工程上使用13折线来近似A律压扩特性曲线，目的是为了使用逐次比较算法来提高运算速度。 5．逐次比较型编码的编码方法 码位安排：

极性码 段落码 段内码 M1 M2M3M4 M5M6M7M8

其中：

① 第一位M1 表示量化值的极性正负。M1=1 代表信号极性为正 M1=0 代表信号极性为负；后面7位分为段落码和段内码两部分,用于表示量化值的绝对值。

② M2M3M4为段落码，分别对应表1段落编码

③M5M6M7M8为段内码，分别对应表1PCM编码的后四位.

三、实验内容

1．利用MATLAB软件验证低通抽样定理，若低通信号为

x(t)0.1cos(0.15t)0.5cos(4t)

①画出该低通信号的波形； ②画出抽样速率为

fs4Hz的抽样序列，画出抽样后的信号波形；

②画出经低通滤波器恢复的波形。

2．设输入一个样值x∈[-2048，+2048]，对x进行A律PCM编码。要求编写成函数，该函数输入变量为样值，输出变量为A律13折线逐次比较的八位PCM编码，设码元宽度为1，画出其波形。

四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

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Matlab与通信仿真 五、实验报告：（调试好的程序，实验结果及分析） 36

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Matlab与通信仿真 实验六 模拟信号数字传输实验（二）

一、实验目的

 掌握13折线A律逐次比较型PCM编，译码原理

二、实验原理

参见实验五模拟信号的数字传输仿真（一）实验原理部分

三、实验内容

输入信号xtsin4t，对该信号进行采样，要求符合低通采样定理，然后将采样信

号进行非均匀量化，对每个样值的量化结果利用模拟信号数字传输的仿真（一）所编写的编码函数进行PCMA律13折线编，译码。

（1） 画出原始模拟信号的波形 （2） 画出编码结果的波形

（3） 试编写程序将编码结果进行译码并通过低通滤波器来恢复模拟信号，对恢复的信

号与原始模拟信号进行比较分析。

四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

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Matlab与通信仿真 五、实验报告：（调试好的程序，实验结果及分析） 42

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Matlab与通信仿真 实验七 数字频带传输系统实验

一、实验目的

 掌握数字频带传输系统调制解调的仿真过程  掌握数字频带传输系统误码率仿真分析方法

二、实验原理

数字频带信号通常也称为数字调制信号，其信号频谱通常是带通型的，适合于在带通型信道中传输。数字调制是将基带数字信号变换成适合带通型信道传输的一种信号处理方式，正如模拟通信一样，可以通过对基带信号的频谱搬移来适应信道特性，也可以采用频率调制、相位调制的方式来达到同样的目的。 1.调制过程 1）2ASK

如果将二进制码元“0”对应信号0，“1”对应信号Acos2fct，则2ASK信号可以写成如下表达式：

sTtangtnTsAcos2fct

n0tTs1 an0,1，gt。

其他0 可以看到，上式是数字基带信号mt框图如图1所示：

agtnT经过DSB调制后形成的信号。其调制

nsnagtnTnsnagtnTAcos2ftnscnAcos2fct

图1 2ASK信号调制框图

A22ASK信号的功率谱密度为：Psf[PmffcPmffc]

42）2FSK

将二进制码元“0”对应载波Acos2f1t，“1”对应载波Acos2f2t，则形成2FSK信号，可以写成如下表达式：

sTtangtnTsAcos2f1tnangtnTsAcos2f2tn

nn45

Matlab与通信仿真 当an0时，对应的传输信号频率为f1；当an1时，对应的传输信号频率为f2。上式中，

n、n是两个频率波的初相。2FSK也可以写成另外的形式如下：

sTtAcos2fct2hangtnTs

n其中，an1,1，fcf1f2/2，gt0tTs1 ，hf2f1为频偏。

其他0 2FSK信号也可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加：

sTts1tcos1t1s2tcos2t2

当这两项不相关时（如载波之间频率差足够大），它的功率谱密度为：

11Psf[Ps1ff1Ps1ff1][Ps2ff1Ps2ff2]

443）2PSK

将二进制码元“0”对应相位为的载波Acos2fct，“1”对应载波相位为0的载波

Acos2fct，则2PSK信号可以写成如下表达式：

sTtangtnTsAcos2fct

n0tTs1 其中an1,1，gt。其实现框图与2ASK相同，只是输入是双极性

其他0 的信号。

2PSK信号的功率谱密度为：

A2Psf[PmffcPmffc]

42．解调过程

数字频带通信系统相干解调基本框图如图2所示。

图2 数字频带通信系统相干解调基本框图

3.抗噪性能分析

二进制数字频带传输系统普通接收机误码率公式如表1所示。其中r为解调器输入端信噪比。

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Matlab与通信仿真

表1二进制数字频带传输系统普通接收机误码率公式 调制方式 2ASK 相干解调 非相干解调 r1 erfc24r1 erfc221-r4e 21-r2e 2 2FSK 2PSK 2DPSK 1erfc2erfcr r 1-re 2三、实验内容

1.用Matlab产生独立等概的二进制信源。

① 画出2ASK调制解调中信号波形及其功率谱变化过程；

② 画出2FSK调制解调中信号波形及其功率谱变化过程；（设f1f2③ 画出2DPSK调制解调中信号波形及其功率谱。

三个题目任选其一，并在不同信噪比下对其进行抗噪声性能分析。

1）； Ts四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

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Matlab与通信仿真 五、实验报告（调试好的程序、实验结果及分析） 51

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Matlab与通信仿真 实验八 通信系统仿真综合实验 一、实验目的

 巩固抽样定理、均匀量化、PCM编码仿真的思想。  巩固二进制数字调制的原理。

 在上述实验的基础上，实现综合的数字通信系统的仿真。

二、实验原理

信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。在日常生活中大部分信号为连续变化的模拟信号，那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即A/D变换；在接收端需进行相反的变换，即D/A变换。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统，下面分别加以说明。 1、数字频带传输通信系统

模拟信息源 模数转换器 加密器 编码器 调制器 解调器 解码器 解密器 数模转换器 受信者 信道 噪声源

2、数字基带传输通信系统

模拟信息源 模数转换器 基带信号形成器 接收滤波器 取样判决 器 数模转换器 受信者 信道 噪声源

三、实验内容

以下两个题目可选做其一。

1、 利用MATLAB完成模拟信号的数字频带传输系统的仿真，设模拟调制信号为

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Matlab与通信仿真 1,0t1m(t)2,1t2,要求：

0,2t3①画出数字频带传输通信系统中除加密解密器外其余各点的波形及其对应的频谱或功率谱，调制方式自选，信噪比自设，编码器输出信号为双极性不归零码；同时画出对应的理想滤波器幅频特性

②分析不同信噪比下的抗噪声性能。

2、 利用MATLAB完成数字基带传输系统的仿真，输入模拟信号见题1。要求：

①画出数字基带传输通信系统中除基带信号形成器及接收滤波器以外，其余各点的波形及其对应的频谱或功率谱；同时画出信道对应的理想低通滤波器的幅频特性。

②分析不同信噪比下的抗噪声性能。

四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

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