通信系统MATLAB仿真实验FALL.docx
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通信系统MATLAB仿真实验FALL
通信系统MATLAB仿真实验
实验一模拟调制系统
实验目的:
●熟悉matlab仿真环境。
●掌握基于matlab的通信系统建模方法。
●验证AM、DSB、SSB、FM系统的调制解调方法。
实验内容:
1.建立AM信号的发送端模型,分别用包络检波法和相干解调法解调AM信号。
2.搭建DSB系统调制解调模型。
3.搭建SSB系统调制解调模型。
4.搭建FM系统调制解调模型。
1AM信号调制的调制解调:
1.1AM信号调制的调制
AM调制器模型如图1:
图1-1AM调制器原理框图
sAM(t)=[A0+m(t)]cos2πfct (1-1)
设调制信号为单一频率的正弦波,频率f=10Hz,载波频率为100Hz。
matlab代码如下:
A0=2;%直流偏置电压
fm=10;%信号10Hz
fc=100;%载波频率100Hz
fs=800;%取样频率800Hz,采样频率选取原则是满足系统中可能出现的信号最高频率的2倍以上。
t=0:
1/fs:
0.1;%仿真时间长度0.1s
mt=sin(2*pi*fm*t);
%基带信号,可选多音调制比如mt=sin(2*pi*fm*ts)+cos(2*pi*3*fm*ts)
s_am=(mt+A0).*sin(2*pi*fc*t);
观察调制信号波形
plot(t,s_am)
观察调制信号频谱
periodogram(s_am,[],'twosided',[],1/ts);%有关此函数的用法参考matlab随机帮助文档
思考题:
看到的谱线如何?
如何观察到更清晰的谱线?
1.2信号在信道中传输
仅考虑加性高斯白噪声信道。
信号在高斯白噪声信道中传输时会叠加高斯白噪声,这里介绍两种叠加高斯白噪声的方法。
利用randn或wgn函数产生与信号长度相同的白噪声序列
函数randn(1,N)产生1行N列互不相关的、均值为零、标准差为1的高斯随机数,N等于输入信号的长度,也意味着采样频率与信号的采样频率相同,如果信号的采样频率为fs,则噪声单边功率谱密度
其中Bn=fs/2为噪声带宽,这里需要区别所加噪声功率与解调器输入噪声功率.解调器输入噪声功率是经过带通滤波以后的噪声功率Ni=N0B,B为信号带宽,B 产生方差为1的高斯噪声: x=randn(1,N); 产生方差为4的高斯噪声: x=2*randn(1,N); %可以利用matlab函数var(x)来验证x的方差. 利用Matlab提供的函数awgn awgn函数的用法为: y=awgn(x,snr); x.为输入信号,snr为信噪比,单位是dB.如果x是复数,awgn加复噪声.这种用法假定x的功率是0dBW.(1w) 信号功率x(单位w)与dBW的关系是: dBW=10log10(x/1w). y=awgn(x,snr,sigpower); x,snr同上,sigpower指定信号功率,单位是dBW. y=awgn(x,snr,'measured'); 让Matlab自动测量信号功率。 代码举例如下 nt=randn(1,length(t));%产生高斯白噪声,功率1w(假定单位电阻上的功率) r_am=s_am+nt; %思考题: 假定负载是1ohm的电阻。 信号表示的是电压,单位是伏,信号的功率是多少,换算成dBW 此时的信噪比是多少, 利用awgn函数的代码例子如下 r_am=awgn(s_am,3,’measured’);%snr=3dB,自动测量信号功率 可用plot函数观察信号和噪声的混合波形。 1.3AM信号相干解调 相干解调原理如图1-2。 这里重点介绍滤波器设计,Matlab提供了非常丰富的滤波器设计手段,在通信系统中为了避免信号失真,一般采用线性相位滤波器,数字系统里的线性相位滤波器通常采用FIR形式,这里只介绍其中一种滤波器设计函数: ’fir1’. 图1-2相干解调原理框图 滤波器设计 fir1函数的一般用法: b=fir1(n,n); b: 输出的滤波器系数 n: 输入的滤波器阶数 n: 如果是标量,设计出的是低通滤波器,截至频率为n。 如果是两个元素的矢量n=[12],设计出的是带通滤波器,通带为1≤≤2。 为归一化的频率,取值[0,1]。 归一化可以理解为实际频率与采样频率的一半的比值。 例如设计一个48th-阶的FIR带通滤波器,通带为0.35≤≤0.65 b=fir1(48,[0.350.65]); 用freqz函数显示其频率与相位响应 freqz(b,1,512);%freqz函数的用法参考matlab帮助文档 结果如下图: 图1-3带通滤波器的频率与相位响应 滤波器阶数n的选取与要求的过渡带宽度和阻带衰减值有关。 Matlab也提供一种滤波器设计的图形用界面,在matlab的命令窗口输入fdatool即可打开该界面。 滤波操作由filter函数实现,具体语法为: y=filter(b,a,X); y: 滤波器输出。 x: 滤波器输入。 b: 滤波器分子多项式系数。 a: 滤波器分母多项式系数,对于FIR滤波器,a=1。 AM信号的相干解调: %设计带通滤波器: bp=fir1(48,[0.2,0.3]); %观察带通滤波器的频率响应 freqz(bp,1,512) %观察滤波前信号的频谱 periodogram(r_am,[],'twosided',512,fs) %带通滤波 r=filter(bp,1,r_am); %观察滤波前信号的频谱 periodogram(r,[],'twosided',512,fs) %相干解调 r=r.*cos(2*pi*fc*t);%下变频 b=fir1(48,0.1);%设计低通滤波器 freqz(b,1,512)%观察滤波器的特性 r=filter(b,1,r);%低通滤波器 plot(r)%显示输出波形. AM信号的包络检波法解调: %带通滤波 r=filter(bp,1,r_am); %整流 r=abs(r); %低通 r=filter(b,1,r);%低通滤波器 plot(r)%显示输出波形. 将调制信号频率改为40Hz,重复上述调制解调过程,在实验报告中描述你遇到的问题以及你的解决办法. 2DSB信号的调制解调 自行设计DSB调制解调系统,比较信道信噪比为[0,5,10,15]dB时的解调器输出信号质量 3SSB信号的调制解调 fs=800;%采样频率 fc=100;%载波频率 fm=40;%信号频率 t=0: 1/fs: 2;%信号持续时间 mt=cos(2*pi*fm*t);%产生基带信号 %设计低通滤波器,保留上边带 b=fir1(48,0.25); %查看滤波器的频率响应’ freqz(b,1,512) %产生双边带调制信号 s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); %滤波法形成单边带信号 s_ssb=filter(b,1,s_dsb); %查看单边带信号的波形 plot(s_ssb) %查看单边带信号的频谱 periodogram(s_ssb,[],'twosided',512,fs) %信道加噪声 r=awgn(s_ssb,100,'measured'); %plot(r) %设计带通滤波器 bp=fir1(48,[0.15,0.25]);%思考题通带频率范围是多少? %查看滤波器的频率响应’ freqz(bp,1,512) periodogram(r,[],'twosided',512,fs) %滤波 r=filter(bp,1,r); figure (2) %plot(r) 相干解调 r=r.*cos(2*pi*fc*t); %设计低通滤波器 b=fir1(48,0.12);%思考题滤波器截至频率是多少? freqz(b,1,512) %滤波 r=filter(b,1,r); %观察输出信号波形. plot(r) 思考题: 1,将调制信号频率分别改为10Hz,5Hz,观察调制信号波形,如何调整模型参数才能得到质量更好的单边带调制信号. 2,编写用移相法形成单边带信号的matlab代码. 4模拟调频系统 4.1信号调制: FM信号的瞬时频率f(t)与基带信号m(t)呈线性关系,即: (1-2) Fc是固有角频率,Kf是调频器灵敏度,单位是Hz/秒·伏。 其瞬时相角 (1-3) 0为载波的初始相位,不失一般性,可以认为0=0,上式说明FM波的瞬时相角与m(t)的积分呈线性关系。 于是FM波的表达式为 (1-4) FM信号产生的matlab代码如下,设调制信号为单一频率的正弦波,fm=1Hz,载波频率为10Hz: fm=1;%基带信号频率1Hz fc=10;%载波频率10Hz fs=100;%采样频率100Hz t=0: 1/fs: 5;%时间5秒 kf=3;%调频灵敏度 mt=sin(2*pi*fm*t);%基带信号 mt_integral=cumsum(mt)/fs;%调制信号的时域积分 s_fm=sin(2*pi*fc*t+kf*mt_integral);%产生FM信号 观察基带信号与调频波间的关系: plot(t,s_fm);holdon plot(t,mt_integral,'r') xlim([0,2]); ylim([-2,2]) FM信号通过AWGN信道 r_fm=awgn(s_fm,10,’measured’); 1 2 3 4 4.1 4.2FM信号解调 采用鉴频器法解调FM信号。 鉴频器原理如图1-4: 图1-4鉴频法解调FM信号的原理框图 设计带通滤波器: bp=fir1(48,[0.1,0.3]); %带通滤波 r_fm=filter(bp,1,r_fm); %微分 r_fm=diff(r_fm)*fs; %整流 r_fm=abs(r_fm); %设计地通滤波器 lp=fir1(48,0.05); 低通滤波 rs=filter(lp,1,r_fm); %观察输出波形 plot(rs) 思考题: 1.在高信噪比条件下,观察解调信号的质量如何,给出提高解调信号质量的方案并编写相应的代码验证你的方案? 2.在0~20dB的信噪比范围内,观察解调信号质量的变化。 实验二 无线计算器 实验目的: 综合应用所学知识,设计无线数字传输系统,加深对通信原理所涉及内容的理解。 实验内容: 利用声音波段作为载波,设计一个基于两台电脑和两个耳麦的无线数据传输系统。 在电脑A上输入一系列命令,对其作编码调制后,通过耳麦传送到电脑B,电脑B执行命令后将结果返回到电脑A。 实验平台: 1.两台普通个人电脑; 2.2个低质量耳麦,分别连接到一台电脑上; 3.应用软件: Matlab 技术指标: 1.在“发送电脑”上输入一个整数四则运算式(+、-、*、/),运算式中数字为0~10000的整数。 输入完成后,这个算式通过耳麦被传输到“接收电脑”上,“接收电脑”对算式进行处理后将正确的结果同样通过耳麦返回到“发送电脑”上,“发送电脑”对此接收后显示结果。 2.在算式输入完毕后1秒钟内要将结果显示出来。 如果在传输过程中出现错误,要能自动进行重传。 重传N次,最长的等待时间就为N秒。 3.两个耳麦的距离为10cm. 4.传输时,声卡上所有的音量(录、放)都将调为最大值。 5.使用Matlab时用M文件编写,每台电脑上只允许运行一个Matlab进程。 各小组负责短距离无线计算器的开发,所要求的产品是由一系列实现无线计算服务的MATLAB函数组成。 最终的产品应提供一批m-文件,这些m-文件能在一台标准电脑上作为发射机或接收机运行。 可能用到的函数 键盘输入: input 显示: disp 输入声音信号: wavrecord 声音播放: wavplay,sound
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