数据通信原理实验指导书.docx
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数据通信原理实验指导书.docx
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数据通信原理实验指导书
实验一编码与译码
一、实验学时:
2学时
二、实验类型:
验证型
三、实验仪器:
安装Matlab软件的PC机一台
四、实验目的:
用MATLAB仿真技术实现信源编译码、差错控制编译码,并计算误码率。
在这个实验中我们将观察到二进制信息是如何进行编码的。
我们将主要了解:
1.目前用于数字通信的基带码型
2.差错控制编译码
五、实验内容:
1.常用基带码型
(1)使用MATLAB函数wave_gen来产生代表二进制序列的波形,函数wave_gen的格式是:
wave_gen(二进制码元,‘码型’,Rb)
此处Rb是二进制码元速率,单位为比特/秒(bps)。
产生如下的二进制序列:
>>b=[101011];
使用Rb=1000bps的单极性不归零码产生代表b的波形且显示波形x,填写图1-1:
>>x=wave_gen(b,‘unipolar_nrz’,1000);
>>waveplot(x)
(2)用如下码型重复步骤
(1)(提示:
可以键入“helpwave_gen”来获取帮助),并做出相应的记录:
a双极性不归零码b单极性归零码
c双极性归零码d曼彻斯特码(manchester)
图1-1单极性不归零码
图1-2双极性不归零码
图1-4双极性归零码
图1-3单极性归零码
2.差错控制编译码
(1)使用MATLAB函数encode来对二进制序列进行差错控制编码,函数encode的格式是:
A.code=encode(msg,n,k,'linear/fmt',genmat)
B.code=encode(msg,n,k,'cyclic/fmt',genpoly)
C.code=encode(msg,n,k,'hamming/fmt',prim_poly)
其中A.用于产生线性分组码,B.用于产生循环码,C.用于产生hamming码,msg为待编码二进制序列,n为码字长度,k为分组msg长度,genmat为生成矩阵,维数为k*n,genpoly为生成多项式,缺省情况下为cyclpoly(n,k)。
其说明参见matlab帮助。
(2)产生如下的二进制序列:
>>b=[101011000101];
使用Rb=1000bps的单极性不归零码产生代表b的波形且显示波形,在图1-6中记录其波形:
>>x=wave_gen(b,‘unipolar_nrz’,1000);
>>waveplot(x)
(3)产生生成矩阵:
>>genmat=[1000;0100;0010;0001;0101;0110;0111]’;
(4)对b进行分组码编码:
>>linear=encode(b,7,4,'linear/binary',genmat);
使用Rb=1000bps的单极性不归零码产生代表linear的波形且显示波形,填写表1-1并在图1-7中记录波形:
>>x=wave_gen(linear,‘unipolar_nrz’,1000);
>>waveplot(x)
(5)对生成的线性码译码,并使用Rb=1000bps的单极性不归零码产生和显示译码后的波形,填写表1-1并在图1-8中记录波形:
>>code=decode(linear,7,4,'cyclic/binary',genmat)
>>x=wave_gen(code,‘unipolar_nrz’,1000);
>>waveplot(x)
(6)参考以上步骤验证循环码的编译码原理,并做出相应的实验记录。
表1-1差错控制编译码
b
[101011000101]
线性分组码编码
线性分组码译码
循环码编码
循环码译码
图1-6b波形
图1-7线性分组码编码后波形
图1-8线性分组码译码后波形
图1-9循环码编码后波形
图1-10循环码译码后波形
实验二随机信道噪声仿真实验
一、实验学时:
2学时
二、实验类型:
验证型
三、实验仪器:
安装Matlab软件的PC机一台
四、实验目的:
了解信道概念及常见的随机信道,用MATLAB仿真噪声信号,了解噪声的概念及对信道的影响,用MATLAB仿真产生噪声信号,分析其数字特征、分布特性和功率谱密度。
五、实验内容:
代表信道响应的MATLAB函数是channel,形式如下(提示:
我们可以键入helpchannel来获取channel函数的帮助):
channel(输入,增益,噪声功率,带宽)
(1)创建一个有10个抽样值的二进制序列b且用双极性不归零信号格式产生代表b的波形,其中Rb=1kbps。
>>b=binary(10);
>>x=wave_gen(b,’polar_nrz’,1000);
根据系统参数设置确定x的传输带宽BT:
BT=__________Hz.
(2)考虑一个具有归一化增益和加性白高斯噪声(AWGN)的基带数字传输信道(噪声功率为0.01w,信道带宽为4.9KHZ),在此信道上传输波形x,并显示输入和输出波形并记录在图2-1和图2-2中:
>>y=channel(x,1,0.01,4900);
>>subplot(211),waveplot(x);
>>subplot(212),waveplot(y);
根据显示的输出波形估计b:
b=_____________________________________________________
把你的估计和原序列b比较。
图2-1输入波形
图2-2通过信道后的输出波形
(3)信道噪声对传输波形的影响。
逐渐地增加信道噪声功率,并保持信道带宽不变,观察信道输出的变化:
>>subplot(212),waveplot(channel(x,1,sigma,4900));
sigma取0.1,0.5,1,2,5等值,在下列图中记录其波形。
在噪声功率为多少时,传输的信号将淹没在噪声之中?
图2-3sigm=0.1时的输出波形时
图2-4sigm=0.5时的输出波形
图2-5sigm=1时的输出波形
图2-6sigm=2时的输出波形
图2-7sigm=5时的输出波形
(4)通过看信道输出的功率谱密度来观察增加信道噪声功率的影响:
>>b=binary(1000);
>>x=wave_gen(b,‘polar_nrz’,1000);
>>clf,subplot(121),psd(x),a=axis;
>>subplot(122),psd(channel(x,1,0.01,4900));
>>axis(a),holdon
>>psd(channel(x,1,1,4900));
>>psd(channel(x,1,5,4900));
分别在下图中记录功率谱密度波形
(5)产生高斯白噪声信号,噪声功率为0dBW:
>>awgn_noise=wgn(100000,1,0);
>>plot(awgn_noise);
(6)计算噪声信号awgn_noise的数字特征(均值、自相关函数、功率谱密度)
>>mean(awgn_noise);
>>acf(awgn_noise);
>>psd(awgn_noise);
噪声信号awgn_noise均值为__________,分别在图2-11和图2-12中记录噪声信号awgn_noise的自相关函数和功率谱密度波形。
图2-11awgn_noise的自相关函数波形图2-12awgn_noise的功率谱密度波形
(7)计算awgn_noise概率密度函数,打印出该概率密度函数波形并记录在图2-13中:
>>pdf(awgn_noise);
图2-13awgn_noise概率密度函数波形
实验三数字调制与解调
一、实验学时:
4学时
二、实验类型:
综合型
三、实验仪器:
安装Matlab软件的PC机一台
四、实验目的:
用MATLAB仿真技术实现数字调制与解调、基带数字调制与解调。
掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系;掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法;了解2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。
在该实验中你将对数字信号的频带传输进行研究,你可以学习到:
1.数字调制波形的产生;
2.相干和非相干(包络检测)接收机;
3.在强噪声下系统的性能分析。
五、实验内容:
1.ASK(振幅键控)的产生
(1)产生初始5比特信息为[10010]的二进制序列:
>>b=[10010binary(455)];
(2)产生一载频为8kHZ的ASK信号sa,
A.由序列b得到单极性不归零信号xu,
B.用xu与振荡器产生的8kHZ载波混频(相乘),得到信号sa。
>>xu=wave_gen(b,'unipolar_nrz');
>>sa=mixer(xu,osc(8000));
(3)显示代表b的初始5比特信息的xu和sa的波形,并比较两种波形。
>>tt=[1:
500];
>>subplot(211),waveplot(xu(tt))
>>subplot(212),waveplot(sa(tt))
图3-1xu(tt)波形
再把它们在频率范围0~20kHZ内的功率谱密度显示出来,并分别记录在图3-3和图3-4中。
>>fr=[0,20000];
>>subplot(211),psd(xu,fr)
>>subplot(212),psd(sa,fr)
图3-3xu(t)功率谱密度
图3-4sa(t)功率谱密度
2.FSK(频移键控)的产生
(1)产生一相位连续的FSK信号sf,其1和0载频分别为4kHZ和8kHZ:
A.由序列b得到双极性不归零基带信号xf;
B.用该双极性脉冲作为VCO(压控振荡器)的输入,在该实验中VCO的中心频率为6kHZ,频偏为2kHZ/V。
>>xf=wave_gen(b,'polar_nrz');
>>sf=vco(xf);
(2)显示0 >>subplot(211),waveplot(xf(tt)) >>subplot(212),waveplot(sf(tt)) (3)显示FSK信号的功率谱密度函数并记录在图3-7和图3-8中: >>clf >>fr=[0,20000]; >>psd(sf,fr) >>psd(xf,fr) 图3-7xf(t)功率谱密度 图3-8sf(t)功率谱密度 3.2DPSK信号的产生 (1)差分编码实现从绝对码到相对码的变换,MATLAB中实现差分编码的函数是diff_enc,形式如下(提示: 我们可以键入helpdiff_enc来获取diff_enc函数的帮助): diff_enc(x,delay) 其中,x为待编码序列,delay为延迟,此函数实现的表达式为y(n)=x(n)xorx(n-delay)。 以Rb=1000产生序列b,并产生其波形: >>b=[1001000101]; >>subplot(211),waveplot(wave_gen(b,'polar_nrz')); (2)使用diff_enc函数进行差分编码,并产生其波形。 延迟delay取默认值1: >>xde=diff_enc(b); >>subplot(211),waveplot(wave_gen(xde,'polar_nrz')); 把编码后的序列填入表3-1中,比较差分编码后序列xde和编码前的序列b的波形。 (3)差分译码实现从相对码到绝对码的变换,MATLAB中实现差分编码的函数是diff_dec,形式如下: diff_dec(x,delay) 其中,x为待译码序列,delay为延迟,此函数实现的表达式为y(n)=x(n)xorx(n+delay)。 使用diff_dec对xde进行译码得到译码后的序列xdd,并产生其波形: >>xdd=diff_dec(xde); 把译码后的序列填入表3-1中,并比较差分译码后序列xdd和编码前的序列b的波形。 表3-1差分编译码 序列 序列值 b [1001000101] xde xdd (4)采用2PSK调制方式传输经过差分编码后的序列。 4.相干检测 (1)对于ASK和PSK信号的相干检测机如下图3-9所示: 图3-9 相干检测原理图 为解调ASK信号sa,先要将信号sa与和sa同频同相的本地载波相乘。 显示出相乘器输出端初始5个码元周期内的波形,同时将其在频率范围fr内的功率谱密度函数记录在图3-10中。 >>ya=mixer(sa,osc(8000)); >>clf,subplot(211),waveplot(ya(tt)) >>subplot(212),psd(ya,fr) 图3-10sa功率谱密度波形 (2)将信号ya作为匹配滤波器的输入,并在图3-11中记录0 >>za=match('unipolar_nrz',ya); >>subplot(212),waveplot(za(tt)) 图3-11za波形 5.非相干检测 (1)非相干检测数字调制信号并不需要考虑本地载波的同步问题。 但是,在存在低信噪比的情况下,非相干检测与相干检测相比有着更高的误码率。 考虑图3-12所示的非相干接收机。 图3-12 非相干接收机 带通滤波器(BPF)的作用是削减带外干扰和噪声。 若我们适当地选择BPF的带宽,则 BPF引起的信号失真可以忽略。 包络检波器包括一个检波器和一个LPF(低通滤波器), 其带宽为fo,带宽fo的选择应满足: 信号带宽≤fo≤载波频率 (2)令MATLAB函数envelope中所用的LPF的带宽为4000kHZ。 将ASK信号引入函数 envelope中,并将其输出信号与sa一并显示出来记录在图3-13和3-14中: >>ya=envelope(sa,4000); >>clf,subplot(211),waveplot(sa(tt)) >>subplot(212),waveplot(ya(tt)) 图3-13 sa波形 图3-14 输出波形 附录通信系统工具箱 随机数字的产生 binary.................................................…………………………………………..随机二进制数值 corr_seq..............................................................................................................一阶自回归过程 exponent...........................................………………………………………指数型分布随机变量 gauss..............................................………………………………………...高斯型分布随机变量 laplace........................................……………………………………...拉普拉斯型分布随机变量 uniform......................................................................................................均匀型分布随机变量 realize............................................................................................................随相正弦随机过程 speech....................................................................................................................随机话音信号 概率分析 cdf..............................................................................................随机序列抽样的概率分布函数 exp_cdf...................................................................................指数型随机变量的概率分布函数 exp_pdf...................................................................................指数型随机变量的概率密度函数 gamma_pdf.............................................................................伽玛型随机变量的概率密度函数 gaus_cdf..................................................................................高斯型随机变量的概率分布函数 gus_pdf....................................................................................高斯型随机变量的概率密度函数 lapl_cdf...........................................................................拉普拉斯型随机变量的概率分布函数 lapl_pdf...........................................................................拉普拉斯型随机变量的概率密度函数 meansq...........................................................................................................................均方功率 pdf...............................................................................................随机序列抽样的概率分布函数 Q_function..........................................................................................................................Q函数 rayl_cdf...................................................................................瑞利型随机变量的概率分布函数 rayl_pdf...................................................................................瑞利型随机变量的概率密度函数 unif_cdf...................................................................................均匀型随机变量的概率分布函数 unif_pdf...................................................................................均匀型随机变量的概率密度函数 var....................................................................................................................................随机变量 概率论和随机过程实验 dice.....................................................................................................................随机实验比例图 dart.............................................................................................................投标游戏的图形描绘 guess...............................................................................................................个人信息数据猜测 integral...................................................................................通过蒙特卡洛模拟实现函数积分 new_born................................................................................................新生婴儿数的抽样函数 person_data.......................................................................................................个人记录的产生 temperature...........................................................
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