信工院通信原理實驗指導(dǎo)書

通信原理實驗指導(dǎo)書班級：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿學(xué)號：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿姓名:＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿目錄第一部分知識準(zhǔn)備.........................................................................................................................3一前言...................................................................................................................................3二MATLAB初步........................................................................................................................41.CommandWindow指令窗簡介...................................................................................41.1命令的執(zhí)行與顯示............................................................................................41.2MATLAB基本命令..............................................................................................42.矩陣、矢量和標(biāo)量.....................................................................................................52.1矩陣...................................................................................................................52.2計算矩陣尺寸命令size..................................................................................52.3矢量...................................................................................................................62.4計算矢量長度命令length..............................................................................62.5標(biāo)量...................................................................................................................62.6數(shù)據(jù)類型...........................................................................................................63.基本運算.....................................................................................................................63.1矢量與標(biāo)量的加減乘除...................................................................................63.2矢量與矢量之間的加減...................................................................................73.3矢量與矢量之間的點乘“.*”與點除“./”.................................................73.4冪“^”與點冪“.^”.......................................................................................74.函數(shù).............................................................................................................................74.1三角函數(shù)...........................................................................................................84.2指數(shù)類函數(shù).......................................................................................................84.3復(fù)數(shù)類函數(shù).......................................................................................................84.4取整函數(shù)...........................................................................................................84.5取余數(shù)函數(shù).......................................................................................................84.6矩陣的產(chǎn)生與變換函數(shù)...................................................................................84.7數(shù)據(jù)分析函數(shù)...................................................................................................94.8繪圖類函數(shù).......................................................................................................95．MATLAB編程............................................................................................................135.1M文件..............................................................................................................135.2自定義函數(shù).....................................................................................................136.其他基本操作...........................................................................................................13第二部分實驗指導(dǎo).....................................................................................................................15實驗一數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真.......................................................................15一、實驗?zāi)康?................................................................................................................15二、實驗內(nèi)容.................................................................................................................15三、實驗原理.................................................................................................................153.1信號及系統(tǒng)在計算機(jī)中的表示.....................................................................153.1.1時域取樣及頻域取樣.........................................................................153.1.2頻域分析.............................................................................................163.2與隨機(jī)信號產(chǎn)生相關(guān)的指令.........................................................................173.2.1高斯噪聲的產(chǎn)生.................................................................................17第1頁3.2.2隨機(jī)碼序列的產(chǎn)生.............................................................................173.2.3產(chǎn)生數(shù)字隨機(jī)信號的一般方法.........................................................173.3信號的仿真.....................................................................................................183.3.1連續(xù)時間信號的仿真.........................................................................183.3.2離散時間信號的仿真.........................................................................19四、實驗步驟.................................................................................................................20五、實驗報告要求.........................................................................................................22附錄.................................................................................................................................231．T2F子函數(shù)........................................................................................................232．F2T函數(shù)............................................................................................................23實驗二模擬信號幅度調(diào)制仿真實驗.................................................................................24一、實驗?zāi)康?................................................................................................................24二、實驗內(nèi)容.................................................................................................................24三、實驗原理.................................................................................................................243.1AM調(diào)制............................................................................................................243.2DSB調(diào)制..........................................................................................................263.3SSB調(diào)制..........................................................................................................27四、實驗步驟.................................................................................................................29五、實驗報告要求.........................................................................................................31實驗三二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制仿真實驗.............................................................................32一、實驗?zāi)康?................................................................................................................32二、實驗內(nèi)容.................................................................................................................32三、實驗原理.................................................................................................................323.1二進(jìn)制數(shù)字序列的產(chǎn)生.................................................................................323.2OOK調(diào)制..........................................................................................................333.32FSK調(diào)制........................................................................................................343.42PSK調(diào)制........................................................................................................35四、實驗內(nèi)容.................................................................................................................35五、實驗報告要求.........................................................................................................39實驗四模擬信號數(shù)字傳輸仿真實驗.................................................................................40一、實驗?zāi)康?................................................................................................................40二、實驗內(nèi)容.................................................................................................................40三、實驗原理.................................................................................................................403.1抽樣.................................................................................................................403.1.1低通信號的抽樣定理.........................................................................403.1.2帶通信號的抽樣定理.........................................................................423.2量化.................................................................................................................423.2.1均勻量化.............................................................................................433.2.2非均勻量化.........................................................................................433.3編碼.................................................................................................................45四、實驗步驟.................................................................................................................46五、實驗報告要求.........................................................................................................49第2頁第一部分知識準(zhǔn)備一

前言《通信原理》課程是電子通信類專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，是電子通信類專業(yè)本科生的必修課程，也是電子信息類專業(yè)碩士研究生入學(xué)考試必考課程。該課程的主要內(nèi)容是論述怎樣可靠而有效地實現(xiàn)消息的傳輸，使學(xué)生掌握通信的基本概念和常用的傳輸方式及其原理，并能判斷出噪聲、信道、傳輸方式等因素對通信指標(biāo)的影響。該課程的基本理論和方法大量用于電子通信領(lǐng)域的各個方面，特別是在電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)和移動通信網(wǎng)等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。實驗實踐與《通信原理》的教學(xué)相配合，對加強(qiáng)學(xué)生對通信原理理論的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的綜合能力具有重要的意義。要想充分地了解某種傳輸方式的特性，最理想的辦法莫過于把它做出來，實際測量其參數(shù)。然而實際制作一套通信系統(tǒng)所需的周期長、代價高，有時要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)就可能意味著整個系統(tǒng)需要重做。故對于研究設(shè)計人員來說，通過把所有的設(shè)計方案、研究問題等都做成硬件，再對硬件進(jìn)行測量從而獲得系統(tǒng)性能的研究方法應(yīng)屬于不得己而為之。較好的研究方法應(yīng)該是在硬件制作前就對將要制作的實際傳輸系統(tǒng)做充分的研究，對其參數(shù)進(jìn)行評估，以判斷設(shè)計是否合理，如果設(shè)計是合理的，就可以放心地去實現(xiàn)系統(tǒng)，不然就需要修改現(xiàn)有設(shè)計再做分析。即先進(jìn)行軟件的仿真，在仿真結(jié)果達(dá)標(biāo)后，再進(jìn)行具體的硬件制作。近年來，計算機(jī)多媒體教學(xué)手段的運用逐步普及，大量優(yōu)秀的科學(xué)計算和系統(tǒng)仿真軟件不斷涌現(xiàn)，為我們實現(xiàn)實際系統(tǒng)設(shè)計、計算機(jī)輔助教學(xué)和學(xué)生上機(jī)實驗提供了很好的平臺。通過對這些軟件的分析和對比，我們選擇MATLAB語言作為輔助教學(xué)工具，借助MATLAB強(qiáng)大的計算能力和圖形表現(xiàn)能力，將《通信原理》中的概念、方法和相應(yīng)的結(jié)果，以圖形的形式直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，大大地方便學(xué)生迅速理解和掌握教學(xué)內(nèi)容?！锻ㄐ旁韺嶒炛笇?dǎo)書》采用的實驗平臺也是MATLAB。為了使學(xué)生能夠較好的使用MATLAB語言完成相應(yīng)的實驗任務(wù)，教程中除了回顧了MATLAB軟件使用的基本知識外，更詳細(xì)地給出了與通信相關(guān)的眾多的MATLAB函數(shù)及其用法，同時給出了大量的范例程序，說明針對某一具體問題進(jìn)行編程的方法等。學(xué)生們在實驗前，只要認(rèn)真閱讀、預(yù)習(xí)實驗的相關(guān)內(nèi)容，并在實驗中，嚴(yán)格按照《實驗教程》規(guī)定的實驗內(nèi)容和步驟進(jìn)行實驗，即可完成相應(yīng)的實驗報告?！锻ㄐ旁韺嶒炛笇?dǎo)書》中設(shè)計的實驗項目包括：1、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真；2、模擬信號幅度調(diào)制仿真實驗；3、二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制仿真實驗；4、模擬信號數(shù)字傳輸仿真實驗。所有這些實驗項目所涉及到的實驗內(nèi)容基本上覆蓋了《通信原理》課程的大部分主要內(nèi)容。期望本部分實驗?zāi)軒Ыo你如下收獲：(1)學(xué)會MATLAB軟件的最基本運用。MATLAB軟件是一種很實用的數(shù)學(xué)軟件，它易學(xué)易用，MATLAB對于許多的通信仿真類問題的解決是很適用的。(2)了解計算機(jī)仿真的基本原理及方法，掌握通過仿真去研究通信問題的方法。(3)加深對通信原理課程相關(guān)內(nèi)容的理解。和其他課程的實驗指導(dǎo)書有所不同的是，本實驗教程同時兼作《實驗報告》之用，目的是希望將學(xué)生從實驗報告的文字撰寫中解脫出來，從而將主要精力和時間用到對問題的分析、算法的確定和程序的編寫之中。本實驗教程中所給出的全部范例程序，都在MATLAB6.5上運行，且是正確的。由于時間倉促和編者水平有限，本實驗教程在編寫和編輯的過程中，不可避免地存在錯誤和不當(dāng)之處，懇請老師和同學(xué)們批評指正。第3頁二MATLAB初步1.CommandWindow指令窗簡介1.1命令的執(zhí)行與顯示在Windows中，用鼠標(biāo)雙擊MATLAB圖標(biāo)即可啟動MATLABforWindows。MATLAB的命令提示符為“>>”。MATLAB的命令也稱語句或函數(shù)。在命令行中，鍵入命令并按回車，就可以執(zhí)行命令。執(zhí)行結(jié)果或其他與命令執(zhí)行相關(guān)的信息將隨后顯示在屏幕上。如下圖所示：在命令的末尾加上英文輸入法下的分號“；”，表示不顯示函數(shù)的返回值或語句的運行結(jié)果。一行中可以有多條命令，命令與命令之間應(yīng)用逗號“，”或分號“；”隔開。以逗號結(jié)尾的命令顯示結(jié)果，以分號結(jié)尾的命令不顯示結(jié)果。要注意，在MATLAB中，標(biāo)識符的大小寫是有區(qū)別的。例如：>>a=6a=6>>A???Undefinedfunctionorvariable'A'.可見，由于定義的是變量a，并賦值為6，故可顯示a=6的結(jié)果。而其大寫A并沒有定義，所以報錯說沒有定義這個變量。1.2MATLAB基本命令（1）幫助命令helphelp命令是一個非常有用的幫助命令，它用于幫助用戶了解MATLAB命令與函數(shù)的用法或者其他相關(guān)的內(nèi)容。如果你忘記了一個命令的用法，只要敲入“help命令”，MATLAB就會顯示有關(guān)這個命令的詳細(xì)信息。MATLAB命令區(qū)分大小寫，但有一些命令不分大小寫，help就是其中的一個。（2）顯示目錄命令whatwhat用于列出目錄中的M、MAT和MEX文件，其中M文件就是MATLAB程序文件。what第4頁命令區(qū)分大小寫。（3）尋找函數(shù)命令whichwhich命令顯示函數(shù)所在文件的位置，給出文件位置的路徑。如果是內(nèi)部函數(shù)則顯示此函數(shù)是內(nèi)部的。>>whichmaxD:\MATLAB\toolbox\matlab\datafun\max.m表明函數(shù)max是由M文件max.m定義的，以及該文件存放路徑的位置。（4）路徑顯示命令pathPath顯示MATLAB的搜尋路徑。MATLAB尋找命令或M文件時，先查找當(dāng)前目錄，如果找不到，則按path設(shè)定的搜尋路徑去找。P＝path返回一個字符串P，P的內(nèi)容是搜尋路徑。Path(P)把字符串P所描述的路徑作為當(dāng)前的搜尋路徑。path(path，P)把P追加到當(dāng)前搜尋路徑中，P在最后。path(P，path)把P加入當(dāng)前搜尋路徑中，P在最前。（5）顯示變量命令who，whosWho和whos命令都用于顯示當(dāng)前變量，但是whos給出的信息更加詳細(xì)。（6）清除變量命令clear用clear命令可以把不要的變量從內(nèi)存中清除。如果要清除所有的變量，只需輸入clear即可。如果只想清除部分變量，則在clear后加上要清除的變量名。（7）改變目錄cd和顯示目錄命令dircd命令用于改變當(dāng)前的目錄，dir命令用來顯示目錄里的文件。(8)窗口編輯命令clc：清除屏幕上的內(nèi)容，但并不清除變量。home：移動光標(biāo)到左上角。Format:設(shè)置輸出格式，例如小數(shù)點位數(shù)等echo：開或關(guān)顯示命令。more：控制多頁顯示。2.矩陣、矢量和標(biāo)量2.1矩陣MATLAB的基本運算對象是矩陣。方括弧“[]”用來定義矩陣。逗號“，”或空格用來分割一行中的不同元素，分號“；”用來分割不同的行。例如：>>a=[123;4,5,6;789]a=147

258

3692.2計算矩陣尺寸命令size函數(shù)size(A)返回一個行矢量[n，m]，其中n是A的行數(shù)，m是A的列數(shù)。例如對于剛才定義的矩陣a計算其尺寸：>>size(a)ans=33第5頁2.3矢量只有一行或一列的矩陣就是矢量，分別被稱為行矢量和列矢量。例如：>>b=[1482]b=1482>>c=[1;4;8;2]

%b是一個行矢量%c是一個列矢量c=1482考慮到通信實驗內(nèi)容的要求，我們主要研究行矢量。2.4計算矢量長度命令lengthLength用于計算矢量的長度，如果x是一個常數(shù)，則length(x)返回1；如果x是一個矢量，則length(x)返回矢量的長度；如果x是一個M×N的矩陣，則length(x)返回M、N中較大的一個值。例如計算剛才定義的矢量b的長度的命令為：>>length(b)ans=42.5標(biāo)量只有一個元素的矢量或矩陣就是標(biāo)量。例如d=[1]或d=1的意思是把d定義為一個值為1的標(biāo)量。2.6數(shù)據(jù)類型（1）實數(shù)MATLAB不需要對實數(shù)作類型說明，所有的數(shù)都按雙精度浮點方式保存。對很大及很小的-18（2）字符串MATLAB也支持字符串變量。字符串由一對單引號給定。字符串在MATLAB中被看作是一個矢量，每個字符構(gòu)成矢量的元素。例如str=’hello’str=[’h’,’e’,’l’,’l’’,’o’]。（3）復(fù)數(shù)在MATLAB中如果標(biāo)識符i或j沒有被定義過，那個一個復(fù)數(shù)可以簡單地用兩個實數(shù)a，b組成：d=a+j*b或d=a+i*b表示復(fù)數(shù)。許多人編程時習(xí)慣用i、j作循環(huán)變量，如果你的程序涉及復(fù)數(shù)運算的話，最好避免使用它們。3.基本運算3.1矢量與標(biāo)量的加減乘除矢量加（+）、減（-）、乘（*）或除以（/）一個標(biāo)量時，其結(jié)果是該矢量的每一個元素加、減、乘、除以同一標(biāo)量。例如：>>A=[1:5]+1A=23456第6頁數(shù)可采用科學(xué)計數(shù)法。如1.3e-18表示1.3×10。數(shù)可采用科學(xué)計數(shù)法。如1.3e-18表示1.3×10。>>c=[321]*3+jc=9.0000+1.0000i6.0000+1.0000i3.0000+1.0000i標(biāo)量加（+）、減（-）或乘以（*）矢量的結(jié)果與矢量加（+）、減（-）或乘以（*）標(biāo)量的結(jié)果相同，即矢量與標(biāo)量的加、減、乘（+、-、*）運算滿足交換律。但請注意：標(biāo)量除以（/）矢量（a/A）是非法的。3.2矢量與矢量之間的加減兩個相同長度的矢量相加或相減是其對應(yīng)的元素相加或相減。例如：>>a=[1:3]*5-[6:6:20]/3a=3693.3矢量與矢量之間的點乘“.*”與點除“./”若A與B是兩個長度相同的矢量，則A.*B是A與B的對應(yīng)元素相乘，A./B是A與B的對應(yīng)元素相除。注意比較下面的三條指令：>>c=[1:3].*[2,5,5]c=21015>>c=[1:3]*[2,5,5]???Errorusing==>mtimesInnermatrixdimensionsmustagree.>>c=[1:3]*[2;5;5]c=273.4冪“^”與點冪“.^”對于標(biāo)量a、b，a^b是以a為底，b為指數(shù)的冪運算。例如：>>2^3ans=8對于標(biāo)量x及矢量A，A.^x是對矢量A的每一個元素求以x為指數(shù)的冪運算。>>[-149].^0.5ans=0.0000+1.0000i2.00003.0000而x.^A是一個矢量，它的每一個元素是以x為底，以A的對應(yīng)元素為指數(shù)的冪。>>10.^[-2:2]ans=0.01000.10001.000010.0000100.0000對于兩個相同長度的矢量A、B，A.^B的結(jié)果是一個與A同長度的矢量，其元素是以A的對應(yīng)元素為底，以B的對應(yīng)元素為指數(shù)的冪。4.函數(shù)MATLAB中函數(shù)名稱和變量都是以字母開頭，所有的函數(shù)名稱均由小寫字母組成。所有的函數(shù)或命令都可借助help菜單或在命令行中鍵入help得到幫助。結(jié)合課程實驗的需要，這里介紹一些常用函數(shù)。第7頁4.1三角函數(shù)三角函數(shù)包括正弦sin、余弦cos、正切tan、反正切atan等。例如：>>X=[0:pi/6:pi];Y=sin(X)Y=00.50000.86601.00000.86600.5000

0.00004.2指數(shù)類函數(shù)指數(shù)類函數(shù)包括e的指數(shù)exp、自然對數(shù)log、常用對數(shù)log10和平方根sqrt等。在MATLAB中可對負(fù)數(shù)求對數(shù)或求平方根。例如：>>sqrt(-2)ans=0+1.4142i4.3復(fù)數(shù)類函數(shù)復(fù)數(shù)類函數(shù)包括求模abs、角度angle、共軛conj、實部real和虛部imag等。4.4取整函數(shù)取整函數(shù)包括零方向取整fix、負(fù)無窮方向取整floor、正無窮方向取整ceil、四舍無入取整round、取符號sign等。>>x=[-1:0.5:1]*pi;[x;fix(x);floor(x);ceil(x);round(x);sign(x)]ans=-3.1416-1.570801.57083.1416-3.0000-1.000001.00003.0000-4.0000-2.000001.00003.0000-3.0000-1.000002.00004.0000-3.0000-2.000002.00003.0000-1.0000-1.000001.00001.00004.5取余數(shù)函數(shù)用rem(x，y)可以求得x除以y的余數(shù)。4.6矩陣的產(chǎn)生與變換函數(shù)（1）全零矩陣zeros及全1矩陣oneszeros(n，m)產(chǎn)生一個尺寸為n×m，元素全為零的矩陣。ones(n，m)產(chǎn)生一個尺寸為n×m，元素全為1的矩陣。若n或m不是整數(shù)，則按取整后的結(jié)果計算。若n或m中（取整后）有一個為0或負(fù)值則返回一個空矩陣。zeros(N)產(chǎn)生一個尺寸為N維全零矩陣。ones(N)產(chǎn)生一個尺寸為N維全1矩陣。zeros(size(A))產(chǎn)生一個尺寸與A相同的全零矩陣。ones(size(A))產(chǎn)生一個尺寸與A相同的全1矩陣。（2）隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生命令rand及正態(tài)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生命令randnrand(n，m)產(chǎn)生一個尺寸為n×m的矩陣，其元素按均勻分布隨機(jī)取值于區(qū)間[0，1]。randn(n，m)產(chǎn)生一個尺寸為n×m的矩陣，其元素服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。randn(size(A))產(chǎn)生一個尺寸與A相同的正泰分布隨機(jī)矩陣。rand(size(A))產(chǎn)生一個尺寸與A相同的均勻分布隨機(jī)矩陣。例如：>>a=sign(randn(1,8000));>>b=(a+1)/2;>>c=b+0.1*randn(size(b));b包含8000個取值1、0等概的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)。c是b加上方差為0.1的高斯干擾。第8頁（3）元素均勻分隔命令linspace函數(shù)linspace(a，b，N)產(chǎn)生一個N維矢量，N個元素均勻分隔區(qū)間[a，b]，第一個元素是a，最后一個元素是b。（4）矩陣元素重排命令reshapereshape(x,m,n)把矩陣x的元素重新排列成m×n的矩陣形式，按逆時針的方向取數(shù)。但矩陣x的元素個數(shù)必須等于m×n個，否則會出現(xiàn)錯誤。>>A=[123456],B=reshape(A,3,2)A=123456B=142536>>A=[123456];B=reshape(A,4,1)???Errorusing==>reshapeToRESHAPEthenumberofelementsmustnotchange.4.7數(shù)據(jù)分析函數(shù)數(shù)據(jù)分析函數(shù)包括：最大值max、最小值min、均值mean、標(biāo)準(zhǔn)差std、升序排序sort、求和sum等。4.8繪圖類函數(shù)MATLAB提供了豐富的繪圖功能。結(jié)合課程實驗的需要，在此簡要介紹二維曲線的繪制方法。如想進(jìn)一步了解MATLAB繪圖方面的功能，請執(zhí)行helpgraphics、helpplotxy、helpxyz、helpcolor或者執(zhí)行MATLAB的演示程序demo。（1）二維繪圖函數(shù)plot若X、Y是兩個相同長度的矢量，函數(shù)plot(X,Y)將激活一個圖形窗口，并畫出一個以X為橫坐標(biāo)，以Y為縱坐標(biāo)的曲線。使用plot(X,Y)函數(shù)時，若省略參量X，MATLAB將把Y中元素的順序號作為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)值，也就是說此時橫坐標(biāo)參量是X=[1:length(Y)]。使用plot(X,Y)函數(shù)時，也可加入另一個參量S：plot(X,Y,S)，S用來規(guī)定繪圖時使用的顏色及繪制方法。MATLAB規(guī)定S是長為1到3個字符的字符串。構(gòu)成S的字符有兩部分，第一部分是顏色，用一個字符表示；第二部分是繪制方法，用一到兩個字符表示。它們的定義如下表所示。例如：第9頁符號符號顏色符號線型y黃色.點m紫色o圓圈c青色x×標(biāo)記r紅色+加號g綠色*星號b藍(lán)色-實線w白色:點線k黑色-.點劃線--虛線>>x=linspace(0,2*pi,30);>>y=sin(x);>>z=cos(x);>>plot(x,y,'m:',x,z,'r-',x,y,'bo',x,z,'k+')其生成的圖形為：0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1

0

1

2

3

4

5

6

7MATLABforWindows所繪的圖可通過剪貼板直接復(fù)制到MicrosoftWord或其他應(yīng)用程序中。（2）命令hold與clf在缺省狀態(tài)下，執(zhí)行plot時MATLAB先清除圖形窗口再行繪圖。執(zhí)行holdon后再執(zhí)行plot時，MATLAB將不清除圖形窗口，這樣就可以在同一圖形窗口內(nèi)畫多條曲線。例如：>>t=[0:0.01:4*pi];>>holdon;>>plot(t,sin(t+pi/3),'r-')>>plot(t,cos(t-pi/3),'k:')>>plot(t,sin(2*t),'b--')0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1

0

2

4

6

8

10

12第10頁這一段程序在同一圖形窗口繪出了3條曲線，第1條實線是sin(t+π/3)，第2條虛線是cos(t-π/3)，第3條波折線是sin2t。執(zhí)行holdoff將使圖形窗口變回原來的狀態(tài)。單獨執(zhí)行hold而不帶參數(shù)on或off，將圖形窗口的hold狀態(tài)反轉(zhuǎn)。命令clf則是清除當(dāng)前的圖形窗口，但它不改變hold的狀態(tài)。（3）命令grid與命令axis命令gridon給圖形窗口打上格線，而gridoff則是取消圖形窗口中的格線。單獨執(zhí)行g(shù)rid將反轉(zhuǎn)格線的狀態(tài)（有或無）。命令axis(a)設(shè)定X軸與Y軸的坐標(biāo)范圍。通常a是一個包含4個元素的行矢量，例如：a=[Xmin,Xmax,Ymin,Ymax]，其元素分別代表X軸與Y軸的最大值與最小值。例如，運行下列程序：>>t=[0:0.01:4*pi];>>holdon;>>plot(t,sin(t),'r-')>>plot(t,sin(2*t),'b:')>>gridon>>axis([0,4,-1.1,+1.1])可得：0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-10

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4（4）標(biāo)簽xlable(str)給X軸加上一個以字符串str為內(nèi)容的標(biāo)簽，ylable(str)給Y軸加上一個以字符串str為內(nèi)容的標(biāo)簽，title(str)則是給整個圖加上一個標(biāo)題。例如：>>t=[0:0.01:4*pi];>>plot(t,sin(2*t),'b--')>>axis([0,4,-1.1,+1.1])>>xlabel('時間t');>>ylabel('幅值y');>>title('函數(shù)sin2t的波形');可得如下波形：第11頁函數(shù)sin2t的波形0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-10

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4時間t（5）figure與close如果要在同一個程序中開出多個圖形窗口，可以使用figure命令。單獨執(zhí)行figure后，MATLAB將創(chuàng)建一個新的圖形窗口，并以此作為當(dāng)前圖形窗口。執(zhí)行figure(N)將使第N個圖形窗口成為當(dāng)前圖形窗口。如果第N個圖形窗口不存在，則figure(N)將創(chuàng)建一個新窗口。新窗口的編號不一定是N，而是按實際已有的窗口序號順序排列。命令close關(guān)閉當(dāng)前圖形窗口；close(N)關(guān)閉第N個圖形窗口；closeall關(guān)閉所有圖形窗口。（6）創(chuàng)建子圖命令subplotSubplot(m,n,p)命令將當(dāng)前圖形窗口分割成m*n個繪圖區(qū)域，并選擇第p個區(qū)域為激活區(qū)域。如圖所示，子圖沿頭一行從左至右編號，接著編第2行，依次類推。例如：>>closeall>>x=linspace(0,2*pi,30);>>y=sin(x);z=cos(x);>>a=2*sin(x).*cos(x);>>b=sin(x)./(cos(x)+eps);>>subplot(2,2,1)%選取4個子圖中的左上子圖>>plot(x,y),axis([02*pi-11]),title('1.sin(x)')>>subplot(2,2,2)%選取4個子圖中的右上子圖>>plot(x,z),axis([02*pi-11]),title('2.cos(x)')>>subplot(2,2,3)%選取4個子圖中的左下子圖>>plot(x,a),axis([02*pi-11]),title('3.2sin(x)cos(x)')>>subplot(2,2,4)%選取4個子圖中的右下子圖>>plot(x,b),axis([02*pi-2020]),title('4.2sin(x)/cos(x)')>>gtext('子圖1')>>gtext('子圖2');第12頁幅值y幅值y>>gtext('子圖3');>>gtext('子圖4');可得到如下圖形：10.50-0.5

1.sin(x)

子圖1

10.50-0.5

2.cos(x)子圖2-1

0

2

4

6

-1

0

2

4

610.50-0.5

3.2sin(x)cos(x)子圖3

20100-10

4.2sin(x)/cos(x)子圖4-1

0

2

4

6

-20

0

2

4

65．MATLAB編程5.1M文件用文本編輯器如motepad.exe把MATLAB的命令及語句編輯成一個文本文件，并把文件的擴(kuò)展名定為.m，這樣的文件叫M文件。在MATLAB命令行中鍵入M文件的文件名（不包括小數(shù)點及擴(kuò)展名“.m”），即可一次性地執(zhí)行該文件中的所有命令或語句。M文件可以包括所有合法的MATLAB命令或語句，也可以包括其他已經(jīng)編好的其他M文件名。5.2自定義函數(shù)MATLAB中可以編制自己的函數(shù)。一個函數(shù)對應(yīng)一個M文件，函數(shù)名就是M文件的文件名，自定義函數(shù)的M文件第一行必須是如下格式：function[返回值表]=函數(shù)名（輸入變量表）在函數(shù)內(nèi)部定義的變量都是本地變量。本地變量同外部變量（調(diào)用函數(shù)的外部過程所使用的變量）使用不同的內(nèi)存區(qū)，因此即使它們的標(biāo)識符相同，也不會發(fā)生沖突。MATLAB的函數(shù)中也可以定義全局變量，格式是：globalabc此句聲明a、b、c是全局變量。Global聲明必須在引用之前。6.其他基本操作（1）命令pause暫停執(zhí)行M文件，等待敲任意鍵。Pause(n)則將正在執(zhí)行的M文件暫停n秒。第13頁（2）命令moreon使MATLAB在向屏幕輸出滿屏?xí)r，等待用戶敲任意鍵以繼續(xù)顯示。more（n）規(guī)定每屏顯示的行數(shù)。（3）使用組合鍵Ctrl+C可中斷正在執(zhí)行的命令語句或M文件。（4）在命令行使用上下移動鍵可搜尋以前的命令。敲一個字母后再使用上下移動鍵可搜尋相同字母起頭的命令。第14頁第二部分

實驗指導(dǎo)實驗一

數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的MATLAB仿真一、實驗?zāi)康?、熟悉和掌握常用的用于通信原理時域仿真分析的MATLAB函數(shù)；2、掌握連續(xù)時間和離散時間信號的MATLAB產(chǎn)生；3、牢固掌握沖激函數(shù)和階躍函數(shù)等函數(shù)的概念，掌握卷積表達(dá)式及其物理意義，掌握卷積的計算方法、卷積的基本性質(zhì)；4、掌握利用MATLAB計算卷積的編程方法，并利用所編寫的MATLAB程序驗證卷積的常用基本性質(zhì)；5、掌握MATLAB描述通信系統(tǒng)中不同波形的常用方法及有關(guān)函數(shù)，并學(xué)會利用MATLAB求解系統(tǒng)功率譜，繪制相應(yīng)曲線?；疽螅赫莆沼肕ATLAB描述連續(xù)時間信號和離散時間信號的方法，能夠編寫MATLAB程序，實現(xiàn)各種常用信號的MATLAB實現(xiàn)，并且以圖形的方式再現(xiàn)各種信號的波形。二、實驗內(nèi)容1、編寫MATLAB程序產(chǎn)生離散隨機(jī)信號2、編寫MATLAB程序生成連續(xù)時間信號3、編寫MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)常見特殊信號三、實驗原理從通信的角度來看，通信的過程就是消息的交換和傳遞的過程。而從數(shù)學(xué)的角度來看，信息從一地傳送到另一地的整個過程或者各個環(huán)節(jié)不外乎是一些碼或信號的交換過程。例如信源壓縮編碼、糾錯編碼、AMI編碼、擾碼等屬于碼層次上的變換，而基帶成形、濾波、調(diào)制等則是信號層次上的處理。碼的變換是易于用軟件來仿真的。要仿真信號的變換，必須解決信號與信號系統(tǒng)在軟件中表示的問題。3.1信號及系統(tǒng)在計算機(jī)中的表示3.1.1時域取樣及頻域取樣一般來說，任意信號s(t)是定義在時間區(qū)間（-∞，+∞）上的連續(xù)函數(shù)，但所有計算機(jī)的CPU都只能按指令周期離散運行，同時計算機(jī)也不能處理（-∞，+∞）這樣一個時間段。數(shù)為：

,

截短為sT(t)，再對sT(t)按時間間隔Δt均勻取樣，得到取樣點Nt

Tt

(3-1)仿真時用這個樣值集合來表示信號s(t)。顯然Δt反映了仿真系統(tǒng)對信號波形的分辨率，Δt越小，則仿真的精確度越高。據(jù)通信原理所學(xué)，信號被取樣以后，對應(yīng)的頻譜時頻率的周期函數(shù)，其重復(fù)周期是

1t

。如果信號的最高頻率為fH，那么必須有fH≤

12t

，才能保證不發(fā)生頻域混疊失真。設(shè)Bs

12t

(3-2)第15頁為此將把s(t)按區(qū)間???TT??22??為此將把s(t)按區(qū)間???TT??22??則稱Bs為仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬。如果在仿真程序中設(shè)定的采樣間隔是Δt，那么不能用此仿真程序來研究帶寬大于Bs的信號或系統(tǒng)。此外，任意信號s(t)的頻譜S(f)通常來說也是定義在時間區(qū)間（-∞，+∞）上的連續(xù)函數(shù)，所以仿真頻域特性時，也必須把S(f)截短并取樣?？紤]到系統(tǒng)帶寬為Bs，便把頻譜的截短區(qū)將式（3-2）代入式（3-3）得

Nf

2Bsf

(3-3)NfN

1tf

(3-4)同樣，信號在頻域被離散后，對應(yīng)到時域也是一個周期信號，其周期為

1f

。如果時域截短時間為T，那么必須T≤1/df才能保證不發(fā)生頻域混疊失真。也就是說，如果仿真程序中設(shè)定得頻域采樣間隔是Δf，那么就不能仿真截短時間超過域的取樣間隔設(shè)計為：

1f

的信號。所以，可以把頻將式（3-5）代入式（3-1）得

f

1T

(3-5)NtN

1tf

(3-6)這樣一來，時域的總?cè)狱c數(shù)及頻域的總?cè)狱c數(shù)都相等，為N

1tf

。要提高仿真的精度，就必須降低時域取樣間隔Δt及頻域取樣間隔Δf，也就是要加大總?cè)狱c數(shù)N。這說明仿真的精度與仿真系統(tǒng)的運算量直接有關(guān)。為了處理上的方便，我們今后規(guī)定采樣點數(shù)N為2的整冪。舉例來說，例如設(shè)計要求的系統(tǒng)帶寬為1MHz，頻域最好分辨率為10kHz，那么據(jù)此可求得Nf

2Bsf

200，則取N＝256。對應(yīng)的其他參數(shù)為Bs＝1MHz，f

2BsN

1ft

TN

0.5s。3.1.2頻域分析限于篇幅，在此不介紹MATLAB中關(guān)于傅立葉變換的有關(guān)函數(shù)。為了方便仿真，我們利用MATLAB提供的函數(shù)編寫了兩個函數(shù)t2f和f2t。t2f的功能是做傅立葉變換，f2t的功能是做傅立葉反變換，它們的引用格式分別為X=t2f(x)及x=f2t(X)，其中x是時域信號x(t)j截短并采樣所得的取樣值矢量，X是對x(t)的傅立葉變換X(f)截短并采樣所得的取樣值矢量。第16頁間設(shè)計為[-Bs,Bs]然后再按間隔Δf均勻取樣，得到取樣點數(shù)為：7.8kHz間設(shè)計為[-Bs,Bs]然后再按間隔Δf均勻取樣，得到取樣點數(shù)為：7.8kHz，T128s，這兩個函數(shù)分別如附錄所示。我們關(guān)心的另一個指標(biāo)是信號的功率譜密度，任意信號s(t)的功率譜的定義是T→∞

S(f)

2

2sT(t)的能量譜，

ST(f)T

2

是sT(t)在截短時間T內(nèi)的功率譜。對于MATLAB仿真系統(tǒng)，若x是時域取樣值矢量，X是對應(yīng)的傅立葉變換，那么x的功率譜便為矢量P(X.conj(X))/T。3.2與隨機(jī)信號產(chǎn)生相關(guān)的指令3.2.1高斯噪聲的產(chǎn)生由于函數(shù)randn(1,N)產(chǎn)生N個互不相關(guān)的、均值為零、方差為1的高斯隨機(jī)數(shù)，所以可xn0*Bs*randn(1,N)的總功率為n0*Bs，最高頻率分量為Bs，并且各樣點的值互不相關(guān)，故它代表雙邊功率譜密度為

n02

（W/Hz）的白噪聲。3.2.2隨機(jī)碼序列的產(chǎn)生語句round(rand(1,M))產(chǎn)生M個取值1、0等概的隨機(jī)碼。函數(shù)round表示四舍五入。函數(shù)rand產(chǎn)生均勻分布于區(qū)間[0，1]的隨機(jī)數(shù)。語句sign(rand(1,M))產(chǎn)生M個取值±1等概的隨機(jī)碼。函數(shù)sign(x)對矢量x的元素取正負(fù)號，而高斯數(shù)randn取正負(fù)數(shù)的概率是相等的。3.2.3產(chǎn)生數(shù)字隨機(jī)信號的一般方法一般來說，隨機(jī)數(shù)字信號可以直接或間接表示成PAM信號（請參閱通信原理教材）。PAM信號是指所有形如s(t)

∞i?∞

is故對所有不同的數(shù)字信號，都可以用相同的方法來產(chǎn)生。1)

產(chǎn)生隨機(jī)序列矢量aa=round(rand(1,M));為了方便起見，一般規(guī)定a的長度M是2的整冪。2)

產(chǎn)生沖擊序列信號imp(t)imp=zeros(1,N);imp(1:L:M)=a/dt;矢量imp代表信號imp(t)。第17頁Ps(f)limTT，其中ST(f)Ps(f)limTT，其中ST(f)是s(t)截短后所得信號sT(t)的傅立葉變化，ST(f)是用它來產(chǎn)生高斯白噪聲。設(shè)仿真系統(tǒng)的取樣點數(shù)是N，系統(tǒng)帶寬為Bs，矢量∑ag(t?iT)的信號。它可以用如下的等效模型來表示：其中，N是imp的矢量長度，M是碼元矢量a中的碼元數(shù)，L是每碼元內(nèi)的采樣點數(shù)?，F(xiàn)規(guī)定M、N都是2的整冪，于是L自然也是2的整冪。3)

產(chǎn)生PAM數(shù)字信號s(t)s(t)imp(t)?g(t)g(t)代表脈沖波形，例如，升余弦滾降要求的波形有：g(t)

sint/Tst/Ts

?

cos(at/Ts)1?(2at/Ts)2設(shè)g(t)的傅立葉變換為G(f)，s(t)的傅立葉變換為S(f)，則有：S(f)t2f(imp).*Gs(t)f2t(S(f))

%t2f為傅立葉變換函數(shù)%f2t為傅立葉反變換函數(shù)設(shè)矢量s代表數(shù)字信號s(t)，矢量g代表脈沖波形g(t)，矢量G代表其頻譜G(f)。那么s的產(chǎn)生方法是：s=conv(imp,g);其中，函數(shù)conv表示卷積。卷積后s的長度是length(imp)+length(g)-1?？鄢舆t時間及拖尾時間后，數(shù)字信號為：Ii=find(g=max(g));s=s([1:N]+ii(1));也可用頻域的方法產(chǎn)生數(shù)字信號s(t)：s=f2t(t2f(imp).*G);注意，此時imp的點數(shù)應(yīng)與g或G相同。若g的寬度小于imp，則應(yīng)用零補齊。3.3信號的仿真3.3.1連續(xù)時間信號的仿真如前所述，MATLAB有很多內(nèi)部數(shù)學(xué)函數(shù)可以用來產(chǎn)生這樣的數(shù)字序列，例如sin()、cos()、exp()等函數(shù)可以直接產(chǎn)生一個按照正弦、余弦或指數(shù)規(guī)律變化的數(shù)字序列。例如，運行如下程序%program1_1%Thisprogramisusedtogenerateasinusoidalsignalanddrawitsplotclear,%Clearallvariablescloseall,%Closeallfigurewindowsdt=0.01;%Specifythestepoftimevariablet=-2:dt:2;%Specifytheintervaloftimex=sin(2*pi*t);%Generatethesignalplot(t,x)%Openafigurewindowanddrawtheplotofx(t)title('Sinusoidalsignalx(t)')xlabel('Timet(sec)')在《通信原理》課程中，單位階躍信號u(t)和單位沖激信號δ(t)是二個非常有用的信號。第18頁它們的定義如下：這里分別給出相應(yīng)的簡單的產(chǎn)生單位沖激信號和單位階躍信號的擴(kuò)展函數(shù)。產(chǎn)生單位沖激信號的擴(kuò)展函數(shù)為：%deltafunctionfunctiony=delta(t)dt=0.01;y=(u(t)-u(t-dt))/dt;產(chǎn)生單位階躍信號的擴(kuò)展函數(shù)為：%Unitstepfunctionfunctiony=u(t)y=(t>=0);%y=1fort>0,elsey=0請將這二個MATLAB函數(shù)分別以delta和u為文件名保存在work文件夾中，以后，就可以像教材中的方法使用單位沖激信號δ(t)和單位階躍信號u(t)。3.3.2離散時間信號的仿真程序Program1_2用來產(chǎn)生離散時間信號x[n]=sin(0.2πn)。%Program1_2%Thisprogramisusedtogenerateadiscrete-timesinusoidalsignalanddrawitsplotclear,%Clearallvariablescloseall,%Closeallfigurewindowsn=-10:10;%Specifytheintervaloftimex=sin(0.2*pi*n);%Generatethesignalstem(n,x)%Openafigurewindowanddrawtheplotofx[n]title('Sinusoidalsignalx[n]')xlabel('Timeindexn')請仔細(xì)閱讀該程序，比較程序Program1_1和Program1_2中的不同之處，以便自己編程時能夠正確使用這種方法方針連續(xù)時間信號和離散時間信號。程序Program1_3用來仿真下面形式的離散時間信號：x[n]={....,0.1,1.1,-1.2,0,1.3,….}↑n=0%Program1_3%Thisprogramisusedtogenerateadiscrete-timesequence%anddrawitsplotclear,%Clearallvariablescloseall,%Closeallfigurewindowsn=-5:5;%Specifytheintervaloftime,thenumberofpointsofnis11.x=[0,0,0,0,0.1,1.1,-1.2,0,1.3,0,0];%Generatethesignalstem(n,x,'.')%Openafigurewindowanddrawtheplotofx[n]第19頁gridon,title('Adiscrete-timesequencex[n]')xlabel('Timeindexn')由于在程序的stem(n,x,'.')語句中加有'.'選項，因此繪制的圖形中每根棒條線的頂端是一個實心點。如果需要在序列的前后補較多的零的話，可以利用函數(shù)zeros()，其語法為zeros(1,N)：圓括號中的1和N表示該函數(shù)將產(chǎn)生一個一行N列的矩陣，矩陣中的所有元素均為零。利用這個矩陣與序列x[n]進(jìn)行組合，從而得到一個長度與n相等的向量。例如，當(dāng)x[n]={0.1,1.1,-1.2,0,1.3}時，為了得到程序Program1_3中的序列，↑n=0可以用這個MATLAB語句x=[zeros(1,4)xzeros(1,2)]來實現(xiàn)。用這種方法編寫的程序如下：%Program1_4%Thisprogramisusedtogenerateadiscrete-timesinusoidalsignal%anddrawitsplotclear,%Clearallvariablescloseall,%Closeallfigurewindowsn=-5:5;%Specifytheintervaloftimex=[zeros(1,4),0.1,1.1,-1.2,0,1.3,zeros(1,2)];%Generatethesequencestem(n,x,'filled','r')%Openafigurewindowanddrawtheplotofx[n]gridon,四、實驗步驟（1）分析程序program1_1每條指令的作用，運行該程序，將結(jié)果保存，貼在下面的空白處。然后修改程序，將dt改為0.2，并執(zhí)行修改后的程序，保存圖形，看看所得圖形的效果怎樣。dt=0.01時的信號波形

dt=0.2時的信號波形請問：上述的兩幅圖形有什么區(qū)別，哪一副圖形看起來更接近于實際信號波形？為什么會有這種區(qū)別？答：第20頁（2）修改program1_1,，存盤程序名為Q1_2，生成實指數(shù)信號x(t)=e-2t。要求在圖形中加上網(wǎng)格線，并使用函數(shù)axis()控制圖形的時間范圍在0~2秒之間。然后執(zhí)行該程序，保存所的圖形。修改Program1_1后得到的程序Q1_2如下：

圖形結(jié)果如下：(3)將前文中所給的單位沖激信號和單位階躍信號的函數(shù)文件在MATLAB文件編輯器中編寫好，并分別以文件名delta和u存入work文件夾中以便于使用。抄寫函數(shù)文件delta如下：

抄寫函數(shù)文件u如下：(4)修改程序Program1_4，并以Q1_4為文件名存盤，利用axis()函數(shù)，將圖形窗口的橫坐標(biāo)范圍改為-2≤n≤5，縱坐標(biāo)范圍改為-1.5≤x≤1.5。修改Program1_4后得到的程序Q1_4如下：

信號的波形圖(5)根據(jù)示例程序的編寫方法，編寫一個MATLAB程序，以Q1_5文件名存盤，給給定信號-0.5t求信號y(t)=x(1.5t+3)，并繪制出x(t)和y(t)的圖形。編寫的程序Q1_5如下：第21頁x(t)=eu(t)x(t)=eu(t)x(t)和y(t)的圖形分別為：五、實驗報告要求1、按要求完整書寫你所編寫的全部MATLAB程序2、詳細(xì)記錄實驗過程中的有關(guān)信號波形圖（存于自帶的U盤中），圖形要有明確的標(biāo)題。全部的MATLAB圖形應(yīng)該用打印機(jī)打印，然后貼在本實驗報告中的相應(yīng)位置，實驗報告必須手寫。3、實事求是地回答相關(guān)問題，嚴(yán)禁抄襲。本實驗完成時間：年月日第22頁附錄在進(jìn)行信號時域和頻域特性分析時，經(jīng)常要求進(jìn)行函數(shù)的傅立葉變換和傅立葉反變換運算，為了編程的方便，可將傅立葉變換和反變換分別自定義為兩個子函數(shù)，在編程時直接調(diào)用可提高編程的靈活性和方便程度。下面將這兩個常用的子函數(shù)定義如下：1．T2F子函數(shù)求函數(shù)m(t)傅立葉變換的函數(shù)T2F有兩個輸入?yún)?shù)，兩個輸出參數(shù)。輸入?yún)?shù)t表示輸入數(shù)組的時間變量，st存放輸入數(shù)組，它的長度由length(t)決定；輸出參數(shù)f表示輸出的傅立葉變換對的頻率變量，sf用來存放輸出數(shù)組。T2F函數(shù)的程序如下：function[f,sf]=T2F(t,st)%ThisisafunctionusingtheFFTfunctiontocalculateasignal'sFourier%Transiation%Inputisthetimeandsignalvectors,thelengthoftimemustgreater%than2%Outputis