通信系統(tǒng)仿真實驗報告

1、通信系統(tǒng)實驗報告基于SystemView的仿真實驗 班 級： 學 號： 姓 名： 時 間： 目 錄實驗一、模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計分析-3一、實驗內(nèi)容-3二、實驗要求-33、 實驗原理-3 四、實驗步驟與結(jié)果-4五、實驗心得-10實驗二、模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設(shè)計分析-11一、實驗內(nèi)容-11二、實驗要求-11 三、實驗原理-11 四、實驗步驟與結(jié)果-12五、實驗心得-16實驗三、數(shù)字載波通信系統(tǒng)設(shè)計分析-17一、實驗內(nèi)容-17二、實驗要求-17 三、實驗原理-17 四、實驗步驟與結(jié)果-18五、實驗心得-27實驗一：模擬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計分析1、 實驗內(nèi)容振幅調(diào)制系統(tǒng)（常規(guī)AM）2、 實驗要求1、 根據(jù)設(shè)計要

2、求應用軟件搭建模擬調(diào)制、解調(diào)（相干）系統(tǒng)；2、 運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜；3、 改變參數(shù)研究其抗噪特性。3、 實驗原理常規(guī)AM調(diào)制系統(tǒng)框圖如下：任意的AM已調(diào)信號可以表示為，且不等于0時，稱為常規(guī)調(diào)幅，其時域表達式為：；其中是外加直流分量，f(t)是調(diào)制信號，它可以是確知信號也可以是隨機信號。為載波信號的角頻率，為載波信號的起始相位，為簡便起見，通常設(shè)為0。要使輸出已調(diào)信號的幅度與輸入調(diào)制信號f(t)呈線性對應關(guān)系，應滿足，否則會出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象。解調(diào)可以用相干解調(diào)也可以用包絡(luò)檢波（非相干）。對于相干解調(diào)，因此只需要用一個跟載波信號同頻同相的正弦波跟接受信號相乘再通過低通濾波器濾波即可以將

3、原信號解調(diào)出來。而對于非相干解調(diào)，從的表達式可以看出只需要對它進行包絡(luò)檢波即可將原信號解調(diào)出來。當然，用非相干解調(diào)時不可以過調(diào)制，而相干解調(diào)則可以。這兩種方法相比而言，非相干解調(diào)更經(jīng)濟，設(shè)備簡單，而相干解調(diào)由于需要跟載波同頻同相的信號，因此設(shè)備比較復雜。4、 實驗過程、 實驗原理圖根據(jù)AM已調(diào)信號的公式，其中。通過有噪聲的信號后，接收并利用相干解調(diào)方法進行解調(diào)，這樣就可以獲得如下的原理圖。如圖中所示，輸入信號的信號幅度為1v，頻率為250Hz;載波信號的幅度為1v，頻率為1000Hz。解調(diào)部分的本振源與載波信號源的設(shè)置相同，幅度為1v，頻率為1000Hz。低通濾波器的截止頻率為250Hz，保留

4、正弦信號源的頻率250Hz，并濾除了高頻的分量。2、 實驗步驟設(shè)置的總體的定時，如下圖所示：（注：采樣的速率要相對高一點，否則會出現(xiàn)錯誤,此處采樣率設(shè)為10000。另外，一開始設(shè)置高斯噪聲為0.）3、 實驗結(jié)果（1） 、輸入波形及其頻譜圖 輸入波形圖 輸入波形頻譜圖由于輸入信號的頻率為250Hz，可見其頻譜集中在250Hz左右。（2） 、已調(diào)波形及其頻譜 已調(diào)波形圖 已調(diào)信號的頻譜已調(diào)信號波形的包絡(luò)與正弦信號一致，由于直流分量的存在，在信號的頻譜中會出現(xiàn)三個尖頂。分別對應載波頻率，載波頻率與原始信號頻率之差以及載波頻率與原始信號頻率之和。（3） 解調(diào)信號及其頻譜 解調(diào)信號波形 解調(diào)信號頻譜（4

5、） 輸入信號與輸出信號的比較4、 抗噪性能分析使噪聲從0慢慢增加，觀察輸出波形與輸入波形的差別。（1） 、噪聲為0的情況下（2） 、噪聲為小信號時（3） 、噪聲為大信號時分析：由上圖可知，當輸入信號一定時，隨著噪聲的加強，接收端輸入信號被干擾得越嚴重，而相應的輸出波形相對于發(fā)送端的波形誤差也越大。而當噪聲過大時，信號幾難分辨。這是信噪比變小導致的，在實際的信號傳輸過程中，當信道噪聲過大將會導致幅度相位等各種失真，當然由于非線性元件如濾波器等的存在。非線性失真也會隨噪聲加大而變大。5、 實驗心得由于對SystemView軟件一開始并不熟悉，所以本實驗讓我學習并較好的掌握了軟件的使用方法。在實驗本

6、身方面，我對AM的調(diào)制與解調(diào)的原理還是很熟悉的，所以并沒有很大的困難。這個實驗加深了我對于噪聲對系統(tǒng)影響的了解，仿真讓一些原理更加直觀化。實驗二：模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)設(shè)計分析1、 實驗內(nèi)容脈沖振幅調(diào)制（PAM）系統(tǒng)2、 實驗要求1、根據(jù)設(shè)計要求應用軟件搭建模擬信號的數(shù)字傳輸（調(diào)制、解調(diào)）系統(tǒng)；2、運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜等。3、 實驗原理脈沖振幅調(diào)制（PAM）是利用沖擊函數(shù)對原始信號進行抽樣，它是一種最基本的模擬脈沖調(diào)制，它往往是模擬信號數(shù)字化過程中的必經(jīng)之路。設(shè)基帶脈沖信號的波形為m（t），其頻譜為M(f)；用這一信號對一個脈沖載波s（t）調(diào)幅。s（t）的周期為，其頻譜為S(f)；脈

7、沖寬度為，幅度為A；并設(shè)抽樣信號是m（t）和s（t）的乘積。則抽樣信號的頻譜就是二者頻譜的卷積：其中 下圖為實驗總體電路圖，把輸入信號與脈沖信號通過相乘器相乘，這樣在頻域就達到了卷積的效果。這樣頻譜就會在頻譜分開，通過信道傳輸后再通過低通濾波器，只要低通濾波器的截止頻率就可以實現(xiàn)解調(diào)。下圖所示為PAM調(diào)制過程的波形與頻譜。s（t）的頻譜包絡(luò)|S（f）|的包絡(luò)呈|sinx/x|形，并且PAM信號的頻譜包絡(luò)|的包絡(luò)也呈|sinx/x|形。若s（t）的周期T，則采用一個截止頻率的低通濾波器仍可以分離原模擬信號。4、 實驗過程1、 實驗原理圖如上圖所示，圖中采用的是高斯信號源，其幅值為1V。兩個低通濾

8、波器的截止頻率均為400Hz，脈沖的頻率為5000Hz，而脈沖寬度為周期的一半，即。增益的大小為2，與相乘后幅值為1，即與輸入相同，信道噪聲先設(shè)置為0。2、各點信號與頻譜（1）、輸入的高斯信號及其頻譜（2） 濾波后波形與頻譜高斯信號通過低通濾波器后信號變化趨于平緩，這是因為高頻的分量大致被濾除，如上圖可見，雖然頻率較高的分量被抑制，但是由于低通濾波器并不理想，所以高頻分量依然存在，表現(xiàn)為在濾波后的波形上會有跳變。（3） 調(diào)制后信號及其頻譜（4） 輸出信號及其頻譜如上圖所示，輸出信號是經(jīng)過信道傳播后再通過低通濾波器恢復信號獲得波形，可見其波形大致與原信號相同，其頻譜是調(diào)制信號頻譜經(jīng)低通濾波得到的

9、，大致與原信號的頻譜相同。3、 輸入與輸出信號的比較（1）波形分析經(jīng)過低通濾波器恢復的信號與原信號對比如圖7所示，可見波形在時間上有一定的延時，這是由于采用濾波器的緣故。此外細看上去，在一些部分波形出現(xiàn)不一致，輸出的波形較為平緩，這是因為低通濾波器的非理想造成的，高頻分量不能完全的被濾除。（2） 頻譜分析高斯信號經(jīng)低通濾波后頻率被帶限在300Hz以內(nèi)，如圖5所示。而后經(jīng)過與脈沖信號相乘進行PAM調(diào)制。由之前的分析可知，抽樣信號是m(t)和s(t)的乘積。則抽樣信號的頻譜就是二者頻譜的卷積：理論上信號的頻譜是Sa函數(shù)的波形，但是由于采樣周期較大，這里只顯示了部分，看到的兩個大致是相同的，實際上當

10、頻率范圍變大時，頻譜包絡(luò)應該是呈Sa函數(shù)的波形。5、 實驗心得本實驗相對來講還是比較簡單的，可以分為兩部分，前半部分為PAM的調(diào)制，后半部分為解調(diào)。由上面的波形圖可以看出，輸入波形與輸出波形圖形基本類似，只不過頻譜圖的對比有些不理想，這是由于濾波器的不理想決定的。這個實驗讓我對脈沖振幅調(diào)制系統(tǒng)有了更深的掌握，對濾波器的把握也更近了一步。實驗三：數(shù)字載波通信系統(tǒng)設(shè)計分析 1、 實驗內(nèi)容二進制頻移鍵控系統(tǒng) 2、 實驗要求1、根據(jù)設(shè)計要求應用軟件搭建數(shù)字載波通信系統(tǒng)（調(diào)制、解調(diào)）；2、運行系統(tǒng)觀察各點波形并分析頻譜、眼圖等；3、改變參數(shù)研究其抗噪特性；4、分析BER曲線等 。3、 實驗原理鍵控法產(chǎn)生

11、信號如下圖：數(shù)字調(diào)頻又稱移頻鍵控，簡記為FSK，它是載波頻率隨數(shù)字信號而變化的一種調(diào)制方式。利用基帶數(shù)字信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。除具有兩個符號的二進制頻移鍵控之外，尚有代表多個符號的多進制頻移鍵控，簡稱多頻調(diào)制。一種用多個載波頻率承載數(shù)字信息的調(diào)制類型。最常見的是用兩個頻率承載二進制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。本實驗采用2FSK調(diào)制，利用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號。其實驗原理圖如圖1所示，即通過二進制數(shù)據(jù)的0值與1值控制開關(guān)與哪一路頻率信號接通，這樣0值與1值對應不同的頻率，達到調(diào)制的目的。FSK信號的解調(diào)方法有相干解調(diào)，非相干解調(diào)等。在高斯白噪聲信道環(huán)境下FSK

12、濾波非相干解調(diào)性能較相干FSK 的性能要差，但在無線衰落環(huán)境下，F(xiàn)SK 濾波非相干解調(diào)卻表現(xiàn)出較好的穩(wěn)健性。在這個實驗里我們采用的是高斯信道，故而用相干解調(diào)方法。相干解調(diào)原理圖如下：FSK相干解調(diào)要求恢復出傳號頻率與空號頻率，恢復出的載波信號分別與接收的FSK調(diào)制信號相乘，然后通過低通濾波器濾除相乘后得到的高頻分量，保留低頻近乎直流的分量。4、 實驗過程、 實驗主體（）電路原理圖圖中添加了高斯信源，其中低頻正弦信號為1000Hz，高頻正弦信號為2000Hz，隨機碼為200Hz。上支路帶通濾波器為800Hz到1200Hz，下支路帶通濾波器為1800Hz到2200Hz，上下支路的低通濾波器均為20

13、0Hz。（2） 波形與頻譜a. 輸入隨機碼波形與輸出波形由上圖中可見，該信號是有一定的時延，這是因為示波器的非理想等原因?qū)е碌摹.調(diào)制后信號波形上圖中可以看出，原始信號高電平時，調(diào)制信號頻率較高，反之頻率則較低。c.濾波后波形上支路：下支路：2、 眼圖與抗噪性能（1） 眼圖原理圖如下：（2） 眼圖的觀測在低通濾波器之后，接收器圖符之前加了一個抽樣器圖符，用來調(diào)整采樣率以配合SystemView接收計算器的時間切片繪圖功能來觀察眼圖。時間切片功能可以把接收計算器在多個時間段內(nèi)記錄到的數(shù)據(jù)重疊起來顯示。時間段的起始位置和長度都可以由計算器窗口設(shè)置。為滿足時間切片周期和碼元同步并且能完整地觀察到一

14、個眼圖的要求，一般將時間切片的長度設(shè)置為當前采樣率下采樣周期的兩倍長。這里將采樣頻率設(shè)置為100Hz，采樣周期為10ms，則時間切片應設(shè)為20ms。時間切片的設(shè)置如下圖所示，在接受計算器窗口下選擇“Style”項，再輸入“Time Slice”的參數(shù)。確定退出后即可看到眼圖。（3） 眼圖及抗噪性能的分析 無噪聲時的眼圖 噪聲為0.1V時的眼圖 噪聲為0.5V時的眼圖 噪聲為1V時的眼圖如上圖所示，在沒有高斯噪聲時，眼圖是清晰簡潔的眼形狀，而隨著噪聲的加大，眼圖線條愈加凌亂，觀察到眼圖的“眼睛”張開的幅度變小，即噪聲容限下降，對應輸出波形，就是信號受噪聲的影響加大，愈加不容易分辨。3、 BER曲

15、線（1） 、原理圖由圖可見，實驗在原原理圖基礎(chǔ)上增加了一些模塊，如比特誤碼率延遲BER模塊、延遲模塊等，以下就實驗步驟和各部分模塊進行分析。（2） 、步驟A. 首先設(shè)置高斯噪聲，如下圖所示。由于信號噪聲為1V，故而相應的值不能太大，此處設(shè)為3.2V。B. 添加BER計算器，并作如下設(shè)置。在這個仿真實驗中，我們設(shè)“No.TRIALS”為10000，系統(tǒng)定時中的每個循環(huán)采樣點數(shù)為100100，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為九次。注意，系統(tǒng)定時中的采樣點數(shù)必須大于No.TRIALS的值。在BER仿真原理圖中，還有一個終值接收計算器，它與BER計數(shù)器的累計均值輸出（輸出1）端連接，當仿真進行時，每一個循環(huán)結(jié)束時會顯示

16、本次循環(huán)的BER均值，該值也是用于計算BER/SNR曲線的基礎(chǔ)，只有利用該計算器的數(shù)據(jù)才能繪出所需的BER曲線。停止計數(shù)器設(shè)置如下：C.全局變量的關(guān)聯(lián)通過上述設(shè)置，一個簡單的高斯噪聲信道的BER測試模型就基本設(shè)置完畢。但是此時并不能繪出完整正確的BER/SNR曲線，還必須將噪聲增益控制與系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)進行全局變量關(guān)聯(lián)，使信道的信噪比（SNR）由0dB開始逐步加大，即噪聲逐步減小。每次減小的步長與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。設(shè)置全局變量的方法是，單擊主菜單的“Tools”選項，選擇“Global Parameter Links”。 點擊All Tokens出現(xiàn)所有選項，選擇增益（Gain），設(shè)置每次信噪比遞增1dB，即噪聲減小1dB，則在相應的定義欄將FGi,Vi的值置為-cl。這里的cl為系統(tǒng)變量“current system loop”系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)。D.BER曲線的生成BER繪圖設(shè)置如下:（選擇“ Style”功能中的“ BER Plot”。設(shè)置起始信噪比為0dB，增量“Increment”值為1（必須與預先設(shè)置的增益關(guān)聯(lián)一致）。）BER/SNR曲線如下：E.實際值與理論值得比較設(shè)置如下：圖形如下：注：上面一條為實際值，下面一條為理論值。分析：由上圖可見，隨著信噪比的提高，誤碼率單調(diào)下降，但是與理論值有一定的差異。而隨著信噪比的越來越高，差異似乎更大，這個是因為在實際的系統(tǒng)中濾波