北邮通原软件实验报告.doc

《通信原理软件》
实验报告

学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 通信工程
姓 名：
学 号：
班 级：
班级序号：

实验二 时域仿真精度分析

一、 实验目的

1. 了解时域取样对仿真精度的影响
2. 学会提高仿真精度的方法

二、 实验原理

一般来说，任意信号s(t)是定义在时间区间（-∞，+∞）上的连续函数，但所有计算机的CPU都只能按指令周期离散运行，同时计算机也不能处理（-∞，+∞）这样一个时间段。为此将把s(t)按区间[--T/2,+T/2]截短为St(t).按时间间隔△t均匀取样，得到的取样点数为
N=T/△t
仿真时用这个样值集合来表示信号s(t)。△t 反映了仿真系统对信号波形的分辨率，△t越小则仿真的精确度越高。据通信原理所学，信号被取样以后，对应的频谱是频率的周期函数，其重复周期是1/△t。如果信号的最高频率为fH，那么必须有
fH<=1/2△t
才能保证不发生频域混叠失真，这是奈奎斯特抽样定理。设
Bs=1/2△t
则称Bs为仿真系统的系统带宽。如果在仿真程序中设定的采样间隔是△t,那么不能用此仿真程序来研究带宽大于Bs的信号或系统。换句话说，就是当系统带宽 一定的情况下，信号的采样频率最小不得小于 2*Bs，如此便可以保证信号的不失真，在此基础上时域采样频率越高，其时域波形对原信号的还原度也越高，信号波形越平滑。也就是说，要保证信号的通信成功，必须要满足奈奎斯特抽样定理，如果需要观察时域波形的某些特性，那么采样点数越多，可得到越真实的时域信号。

三、 实验内容

将模块按下图连接：

参数设置：

四、 实验结果

修改参数后结果为：

五、 思考题

1. 观察分析两图的区别，解释其原因
可以看出信号2的波形严重失真，这是因为第二次的时钟设置是0.3，第一次的时钟设置是0.01；在第一次的时候，信号的采样频率是f=1/t=1/0.01=100,每秒采样点数为100；第二次的采样频率为f=1/0.3=33.3，每秒采样点数严重减少为33.3个；而由奈奎斯特抽样定理知道，这个采样频率必须满足以下条件：
fH<=1/2△t
此时，根据计算可知，真实fH = 20hz，fH1=50hz，fH 2=0.5*33.3，约为16.6. 故信号失真了。
2. 将示波器的控制时钟的period的参数改为0.5，观察仿真结果，分析其原因
当把周期设置为0.5的时候，得到的结果如下：

可见，此时根本没有信号显示了。此时的的采样频率是，f=1/0.5=20,每秒的采样点变成了原始信号的零点，并且零点连接成了一条直线，故看起来就像没有信号了一样。由此得出的结论就是：
如果信号的最高频率为fH，那么必须有
fH<=1/2△t
才能保证不发生频域混叠失真，奈奎斯特抽样定理得到了验证。

六、 遇到的问题和解决办法

一开始没有设置终止的参数图像没有出来，还是要细心将每个参数都设置正确。

七、 实验总结

第一次实验模块比较简单，主要是对奈奎斯特采样定律加深理解。

实验三 频域仿真精度分析

一、 实验目的

Ø 1、 理解DFT的数学定义及物理含义
Ø 2、学会应用FFT模块进行频谱分析
Ø 3、进一步加深对计算机频域仿真基本原理以及方法的学习掌握。

二、 实验原理

在通信系统仿真中，经常要用有限长序列来模拟实际的连续信号，用有限长序列的DFT来近似实际信号的频谱。DFT 只适用于有限长序列，在进行信号的频谱分析时，它的处理结果会含有一定的偏差。DFT对信号频谱分析的影响如下图所示：

如上图，基于上述方法所得到的结果只是对原信号频谱Xa(jΩ)的一种近似，也就是说，X(k)同Xa(jΩ)之间存在着幅度偏差，而造成这一偏差的原因主要体现在如下两个方面：
（1） 时域混叠与频域混叠
由取样定理可知，在对xa(t)进行时域采样的过程中，如果信号不具备限带的特点，或者取样频率fs不能满足奈圭斯特条件，那么其采样信号xa(nT)在频域中将存在混叠；在对X(ejw)在频域做频率间隔处理时，若其频率间隔即DFT的频率分辨率△f没有足够小，那么对应在时域做周期延拓处理的信号会发生时域混叠现象。
时频域的混叠必然会导致X(k)和Xa(jΩ)之间的偏差，由于在实际的应用中所遇到的信号往往是非限带的信号，因此在利用DFT进行信号的频谱分析时，混叠现象难以避免，也就是说，由混叠所导致的偏差总是存在的，有必要对这一偏差进行抑制。常见的做法包括：①在时域取样前对信号进行滤波；②选取恰当的取样频率以降低混叠程度；③通过补零增大X(ejw)采样点的个数N，降低DFT的频率分辨率。滤波器的设计以及取样频率的确定由信号特点和性能指标要求决定。
（2） 频谱泄露
由于窗函数在时域上的长度是有限的，因而其频谱中包含了较为丰富的高频分量，所以即使错误!未找到引用源。为限带信号且取样频率满足奈圭斯特条件，如公式(4)中序列x (n )的频谱X(ejw)，也会出现一定的高频分量；或者说，X(ejw)不仅在取值上有别于错误!未找到引用源。，而且其频带也被延展了，称此现象为频谱泄露。可见，频谱泄露是由时域加窗处理所导致的一个必然结果。
由上述分析不难看出，为了减少频谱泄露带来的误差，需要降低Wm(ejw)中的高频分量，这可以通过调整窗函数的形状较为有效的达到这一目的。
由于DFT自身的局限性（即DFT是针对有限长序列所定义的一种变换），分析结果的准确程度会受到频谱泄露、频域混叠、时域混叠等诸多因素的影响，因此需要采用滤波、调整取样频率、补零、变换窗函数的形状及长度等一系列的措施来改进该方法的性能。

FFT是DFT的快速计算方法，它是N为2的整次幂时离散序列的DFT运算。通过进行FFT运算得到的频谱即为有限长序列的DFT结果。

三、 实验内容

将模块按下图连接：

四、 实验结果

修改参数为：

结果为：

修改为窗3后：

五、 思考题

1. 对于同一正弦信号，观察前两图所示频谱图的不同，分析其原因。
答：这个主要是因为FFT size的不同引起的，窗口宽度加宽的时候，就不会有更多的谐波分量被滤掉，导致频谱高频谐波分量的增加。

2. 观察后两图所示频谱图的不同，解释其原因。
答：由于窗1是矩形窗，窗3是汉明窗，汉明窗的性能要更好一些，所以频谱泄漏现象要小一点。
3. 将FFT模块中的参数Type of window改成2和4，观察仿真结果的变化，解释其原因。
改为窗二后：

改为窗4：

答：由于窗2 是三角窗，窗4是汉宁窗，三角窗的性能不是很好，谐波分量较大，而汉宁窗的性能比较好，对于谐波的抑制能力较强。

六、 遇到的问题和解决办法

一开始没有办法出来图像，结果发现是其中一个模块选错了，虽然长得很像但不是FFT.

七、 实验总结

本次实验主要是加深对FFT采样点和采样间隔大小对频谱影响的理解，比较顺利。

实验五 采样与重建

一、实验目的

1、了解取样定理的原理，取样后的信号如何恢复原信号。
2、了解取样时钟的选取。

二、实验原理

数字信号是通过对模拟信号进行采样、量化和编码得到的，模拟信号是时间和幅度都连续的信号，记作x(t)。采样的结果是产生幅度连续而时间离散的信号，这样的信号常被称为采样数据信号。

采样定理可以通过对图5.2的观察得到。为了在采样x (nTs)中包含时间连续信号x(t)的所有信息，以便在采样过程中不损失信息，进行的采样必须保证可以通过采样点x (nTs)无差错的重构信号x(t)。我们将看到，通过使用低通滤波器在n=0附近提取Xs(f)的频谱，可以完成从xs(t)到x(t)的重构。同时，要完成无差错的信号恢复，要求 Xs(f)在f=+-fs附近的频谱（(11中n=+-1）与在f=0处的频谱没有重叠。换句话说，频谱必须是分离的，即必须满足fs--fh>fh或fs>2fh，从而证明了低通信号采样定理。
对于一个频带限制在（0,fh）Hz内的时间连续信号x(t)，如果以1/(2fh) Hz的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。

图5.3所示的抽样结果会产生如图5.4所示输出，即由虚线所示的正弦波抽样所得的信号。
在满足采样定理条件的情况下，初始输入信号可以从这些抽样值中恢复出来。

三、实验内容

模块按下图连接：

四、实验结果

取样信号功率谱放大部分：

重建信号的功率谱密度：

修改参数后结果为：

五、思考题

1. 分析两个取样信号功率谱图有何区别，并解释其原因。
答：由于在PULSE GENERATER的参数time in high state 的值不同，导致第一次试验中的采样时间很短，相当于脉冲抽样，而第二次实验中抽样时间很长，相当于矩形脉冲抽样。在时域抽样相当于在频域进行周期延拓，脉冲进行傅里叶变换后还是脉冲，矩形进行傅里叶变换后是sa函数，相当于许多个SA函数的周期延拓，根据sa函数的形状，所以后面的幅度会有所降低。

2. 观察信号时域采样后，其对应的频谱周期延拓现象，其周期是多少？
答：周期是4Hz.

3. 观察并对照两组参数设置下出现的不同仿真现象，结合信号与系统相关理论分析不同采样函数占空比对信号频谱的影响。
答：采样函数占空比越大,频谱越易发生混叠。

六、 遇到的问题和解决办法

本次实验在第二个实验把time in high state修改之后，出现的频谱图不正确，后来发现是参数存在问题，修改之后恢复正常。

七、 实验总结

本次实验中主要是对信号的抽样和恢复加深理解，我之前对于抽样点维持时间理解不够，这次加深了理解。

实验七 SSB调制与解调（模块实现）

一、 实验目的

1．了解产生SSB调制的基本原理。
2．了解SCICOS中的超级模块。
3. 了解利用相干解调法解调幅度调制信号的方法。

二、 实验原理

SSB调制
SSB AM产生方法一：

SSB信号的产生可以通过先产生双边带抑制载波调幅信号（DSB-SC）,然后再将它通过边带滤波器实现，如图5.43。由于DSB-SC信号的特点是上下边带携带相同的信息，所以可以利用滤波器滤去一半带宽信号的方法无失真的传输信号。
SSB AM产生方法二：
单边带调制信号表达式为：

“-”号对应着上边带调制；“+”号对应着下边带调制。
实验中利用对源信号进行希尔伯特变换，和对载波进行移相的方法来产生单边带信号，其原理框图如下：

SSB 解调
用相干解调或同步解调来还原幅度调制信号。其解调框图如下：

以 SSB 上边带调幅信号为例进行说明

如图5.45所示，载波应该提取自输入信号，通过平方环法或COSTAS环方法提取。由于这次实验是验证解调方法，假定已经获得了解调所用的载波的频率，所以直接使用调制端正弦波发生器产生的载波信号充当解调载波。

三、 实验内容

将模块按下图连接：

SSB调制：

SSB解调：

四、 实验结果

SSB调制（m（t）频率为20Hz）

改为10Hz后

改为20Hz后：

求和模块由加变减时：

Clk1变成1024点的时候

SSB解调结果

五、 思考题

1．SSB信号的波形和频谱特点是什么？
答：只有上边带或只有下边带，最窄的传输带宽，信道利用率最高

2. 实验步骤（5）的参数之间有什么关系？
答：时钟①的值要远大于时钟②的值，否则如上图将时钟①的周期设为1/1024时，SSB的调制图像出现了失真。
六、假设基带信号为，载波频率为，仿真出SSB信号，观察已调信号的波形及频谱。（编程实现）
clear all;
exec t2f.sci;
exec f2t.sci;
fs=800;
T=200;
N=T*fs;
dt=1/fs;
t=[-T/2:dt:T/2-dt];
df=1/T;
f=[-fs/2:df:fs/2-df];
fm=1;
fc=20;

m=sin((2*%pi)*fm*t)+2*cos(%pi*fm*t);
M=t2f(m,fs);
MH=-%i*sign(f).*M;
mh=real(f2t(MH,fs));

s=m.*cos((2*%pi)*fc*t)-mh.*sin((2*%pi)*fc*t);
S=t2f(s,fs);

xset("window",1)
plot(t,s)
xlabel("t(ms)")
ylabel("s(t)(V)")
mtlb_axis([0,6,-3,+3])
xset("window",2)
plot(f,abs(S))
xlabel("f(kHz)")
ylabel("|S(f)|(V\Hz)")
mtlb_axis([-25,25,0,max(abs(S))])

六、 遇到问题及解决办法
本次实验的难度主要是在编程上，由于之前学过MATLAB，这两种软件编程的语言很相似，书的前面也有编程的例子，所以首先编出来一次，但是图像不是很理想，后来改了N的值图像变得很好。

七、 实验总结

本次实验让我了解到了SSB的调制和解调，以及使用SCILAB软件的编程功能，说明SCILAB这款软件还是很强大的。还有一个比较奇怪的现象是，求和符号变成一个加一个减时，出来的图是下边带。

实验十二 ASK调制与解调

一、 实验目的

了解幅度键控（ASK）调制与解调的基本组成和原理。

二、 实验原理

用数字基带信号去控制正弦型载波的幅度称为振幅键控（ASK）。2ASK 是指二进制振幅键控又名OOK，它以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。其产生框图如图所示：

图5.1 OOK信号的产生框图

图5.2 ASK调制信号

图5.3 二进制信源以及ASK调制信号的功率谱图
在加性高斯白噪声信道条件下，OOK信号的解调方法有相干解调和非相干解调。两种解调方法的原理框图，如图所示。

三、 实验内容

将模块按下图连接：
ASK调制：

ASK解调：（方法1）

ASK解调：（方法2）

四、 实验结果
ASK调制：

ASK解调（方法1）：

ASK解调（方法2）：

五、 思考题

1. 从时域和频域分析rectifier、analog low pass filter两个模块的作用
整流器和模拟低通滤波器的作用是：
整流器的作用是将ASK的调制信号的时域的＜0的部分翻到Y轴的上方，使时域的ASK的SIN信号变为全正。
模拟低通滤波器是为了滤除掉整流带来了高频和不光滑的部分。
2. MASK调制解调模块如何构建？
把两个二电平的合成四电平。

六、 遇到问题及解决办法

由于本次实验的模块比较复杂，还是用了很多时间连接模块和设置参数的，

七、 实验总结

设计类实验二 线路码型HDB3编码

一、 实验目的

（1） 了解几种常用线路码型及其编码规则
（2） 掌握HDB3码的编码原理及其SCILAB实现
（3） 学会使用HDB3码编码模块及其调试

二、 实验原理

常用线路码型有：单极性非归零（NRZ）码、双极性非归零（NRZ）码、单极性归零（RZ）码、双极性归零（RZ）码、差分码、AMI码、HDB3码、Manchester码、CMI码、多进制码等。下面介绍AMI码和HDB3码的编码规则。
八、 AMI码称为传号交替反转码。其编码规则为代码中的0仍为传输码0，而把代码中1交替地变化为传输码的+1-1+1-1，、、、AMI码的特点： 
（1）在“1”、“0”码不等概情况下，也 无直流成分，且零频附近低频分量很小，因而在信道传输中不易造成信号失真。 
（2） 若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确判决。
（3） 编码电路简单，便于观察误码状况。 
不过，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。为了克服其缺点，人们提出了很多种类的改进码，HDB3码就是广泛为人们所接受的一种高密度双极性码。
 HDB3码的编码规则： 
（1） 将消息代码变换成AMI码； 
（2） 检查AMI码中的连0情况，当无4个以上的连0传时，则保持AMI的形式不变；若出现4个或4个以上连0时，则将1后的第4个0变为与前一非0符号（+1或-1）同极性的符号，用V表示（+1记为+V，-1记为-V （3） 检查相邻V符号间的非0符号的个数是否为偶数，若为偶数，则再将当前的V符号的前一非0符号后的第1个0变为+B或-B符号，且B的极性与前一非0符号的极性相反，并使后面的非0符号从V符号开始再交替变化。  
举例如下： 
代码        1  0   1  0   1   1  0  0  0  0  0   1  1   0  0  0  0   1      
HDB3  +10  -1  0  +1 -1   0  0  0 -1  0  +1 -1 +1  0  0  +1 -1                                     -V          +B         +V  
HDB3码的特点如下： 
基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分；
 连0串符号最多只有3个，利于定时信息的提取； 
 不受信源统计特性的影响。
虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。HDB3是CCITT推荐使用的码型之一。

三、 实验内容

方案思路：
设计过程中，由于HDB3是由AMI码衍生而来，故可以将模块分为AMI编码和B/V码编码两部分，然后再由超级模块将两部分进行组合即可。最后按照“模块性能测试”中提供的测试例程对模块进行测试。成功运行后，将结果与测试例程的结果进行对比，然后进行调试和优化等后续工作。
模块搭建如图：

三、 实验结果

四、 思考题

1、 观察HDB3码的频谱图，分析其与原码频谱的不同。
原码是单极性不归零码，而HDB3码属于双极性的归零码。
原码的频谱中应该有脉冲成分，而HDB3码中应该没有。而且HDB3的频谱图的主瓣宽度应该是原码的两倍。

2、 线路码在数字通信系统中起什么作用？除了HDB3码，还有哪些线路码？
线路码型所针对的是“线缆连接”这样的场合，例如交换机到卫星传输设备，网卡与 Hub，路由器到传输设备。连接距离一般在几米到几公里。在这些场合中，噪声不是特别需要考虑的因素。与此很不同的场合是：无线传输或者有线的长距离传输。
在线缆连接的应用中，我们期望数字信号有如下特性：
(1)它可以被隔直流（在 0频附近的功率非常小）；
(2)它有利于时钟恢复；
(3)如果可能，带宽尽量要小（线缆传输时，信号带宽越宽，则传输距离越小）；
(4)如果这种信号设计能支持诸如电缆连接是否正常、是否有误码将更好。
达到这些目标的方法可以很多，线路码型是一种简便的方法。其做法是：脉冲波形仍然采用简单的NRZ或RZ矩形脉冲，通过一些简单的编码来使 PAM的幅度序列具有某种特征，从而达到上述目的。

线路码型还有：
有AMI码,CMI码,数字双向码等。

五、 遇到问题及解决办法

HDB3的解码模块知道原理但是没有办法设计出来。可能还是对软件的了解不够。

六、实验总结

本次实验让我对HDB3这种线路码有了更深的了解，HDB3码不会出现很多个连零，有利于时钟信号的恢复，而且正负交替也不会出现直流分量。这种码在实践中有很多应用。

综合类实验一 数字基带（编程、模块）

一、实验目的

1. 了解在理想限带及加性白噪声信道条件下数字基带系统的基本原理和设计方法，完成在仿真平台上的系统搭建与仿真。
2. 进一步熟悉SICIOS下的复杂系统设计
3．运用工具库现有的通信工具模块搭建系统，利用其功能全面且封装性强的特点，针对数字基带系统进行横向功能分解，是系统设计更加精炼、准确。
4、深入学习数字基带系统核心传输节点的性能，并掌握眼图示波器的用法，观察接受滤波器输出的眼图和功率谱密度，判断系统传输的正确性和精确性，调试已达到最佳传输效果。

二、 实验原理

在理想限带信道情况下，既要使接收端抽样时刻的抽样值无码间干扰，又要使得在抽样时刻抽样值的信噪比最大，则

数字基带PAM信号通过限带信道，并受到加性噪声干扰的情况下，在限带信道为理想低通条件下，最佳基带传输的发送及接收滤波的设计原则为：总的收发系统的传递函数要符合无码间干扰基带传输的传输特性；且又要考虑在抽样时刻信噪比最大的手法滤波器共轭匹配的条件。
系统框图如下：

三、 实验内容

将模块按下图连接：
方法1：

参数设置如下：

方法2：

四、 实验结果

方法二的结果为：

五、 思考题

1. 接收滤波器眼图和功率谱密度，观测当前系统的带宽及眼图的清晰程度，分析α大小的变化对系统带宽和误码性能的影响。
由于系统带宽B=Rb*(1+α)/2,则α越大，系统带宽越宽,频带的利用率越低。
α越大则眼图越清晰系统误码性能越好。

2. 两个设计方案那个更好？为什么？
方案二比较好，因为方案二的眼图效果更好。

3. 分析方案二UpSample、Sample and hold两个模块的作用，并对这两种抽样判决方案进行性能比较。
如果有这两个模块先进行抽样，再将抽样结果再恢复成信号波形，可以减小噪声造成的干扰，如果没有这两步，原信号可能在信道中传输的过程中出现失真，使得原信号不能完全恢复。

六、 遇到问题及解决办法

本次实验中涉及到超级模块的组合，一开始遇到问题就是先加上输入和输出引脚之后就没办法生成了，后来先生成再点开将输入输出引脚加上才可以。

七、 实验总结

这是一个扩展实验，让我了解到了ASK调制与解调，解调的第二种方法使用根号升余弦的效果更好，目的是为了在限带的情况下达到最大的信噪比。