1、實驗一 MATLAB程序設(shè)計與仿真一實驗?zāi)康?、在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過實驗學(xué)會Matlab軟件的基本用法。2、運用Matlab程序進行編程實現(xiàn)基本波形的輸出。3、通過自我拓展練習(xí)，進一步熟悉Matlab軟件的用法。二 實驗儀器計算機，Matlab仿真軟件；三 實驗要求1、掌握Matlab軟件的基本用法2、運用Matlab程序進行編程實現(xiàn)基本波形的輸出。四 實驗原理1.單位脈沖序列它與模擬信號中的單位沖激信號（）類似，但（）在0處的值為，只是其積分（面積）為，是不可實現(xiàn)的數(shù)學(xué)極限，并非任何現(xiàn)實的信號。而離散時間系統(tǒng)中的（）在0處值為，（）是可實現(xiàn)的。2單位階躍序列（）單位階躍序列（）定義為它類

2、似于模擬信號中的單位階躍信號（），但在0 處有確定的取值（0）。3正弦波正弦型函數(shù)解析式：y=Asin(x+)+b各常數(shù)值對函數(shù)圖像的影響：決定波形與X軸位置關(guān)系或橫向移動距離（左加右減）：決定周期（最小正周期T=2/）A：決定峰值（即縱向拉伸壓縮的倍數(shù)）4矩形波方波是一種非正弦曲線的波形，通常會與電子和訊號處理時出現(xiàn)。理想方波只有“高”和“低”這兩個值。電流或電壓的波形為矩形的信號即為矩形波信號，高電平在一個波形周期內(nèi)占有的時間比值稱為占空比，占空比為50%的矩形波稱之為方波。方波有低電平為零與為負之分，必要時，可加以說明“低電平為零”、“低電平為負”。五 實驗內(nèi)容和步驟1.單位脈沖序列n=

3、0:49;x=zeros(1,50);x(2)=1;close all;stem(n,x);title(單位采用信號序列)2 單位階躍序列(n)n=0:49;x=ones(1,50);close all;stem(n,x);title(單位采用信號序列)3正弦波a=0:0.01:10;y=sin(a.*pi);plot(a,y);4矩形波t=linspace(0,10.*pi,100);y=square(t);plot(t,y);axis(0 10*pi -1.5 1.5);grid on;5三角波六、實驗報告與分析按照實驗報告規(guī)范完成實驗報告，其主要內(nèi)容與要求包括： 1、基本框架完整； 2、

4、對所記錄的實驗數(shù)據(jù)的整理、分析與相應(yīng)的結(jié)論； 3、實驗過程中與實驗技術(shù)相關(guān)的心得與體會； 4、完成實驗講義后面的思考題； 5、實驗報告完成后，按照從上到下實驗報告、實驗記錄、預(yù)習(xí)報告的順序裝訂，下次實驗時呈交給老師。MATLAB仿真：1、 單位脈沖序列2、 單位階躍序列3、 正弦波4、 矩形波5、 三角波6、 課外拓展實驗二 信道與噪聲仿真一實驗?zāi)康?、在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過實驗學(xué)會Matlab軟件的基本用法。2、運用Matlab程序進行編程實現(xiàn)噪聲的仿真3、通過自我拓展練習(xí)，進一步熟悉Matlab軟件的用法。二 實驗儀器計算機，Matlab仿真軟件；三 實驗要求1、掌握Matlab軟件的基

5、本用法2、運用Matlab程序進行編程實現(xiàn)基本波形的輸出。四 實驗原理1. 正弦波信號、方波、三角波和白噪聲正弦（sine），數(shù)學(xué)術(shù)語，在直角三角形中，任意一銳角A的對邊與斜邊的比叫做A的正弦，記作sinA（由英語sine一詞簡寫得來），即sinA=A的對邊/斜邊。方波是一種非正弦曲線的波形，通常會與電子和訊號處理時出現(xiàn)。理想方波只有“高”和“低”這兩個值。電流或電壓的波形為矩形的信號即為矩形波信號，高電平在一個波形周期內(nèi)占有的時間比值稱為占空比，占空比為50%的矩形波稱之為方波。方波有低電平為零與為負之分，必要時，可加以說明“低電平為零”、“低電平為負”。三角波(Triangular Wav

6、e)也稱鋸齒波，是指主要用在CRT作顯示器件的掃描電路中的波形。如示波器,顯像管,顯示器等.CRT是由許多點組成的.要形成光柵就要有電子束轟擊這些發(fā)光點.掃描電路分水平和垂直掃描兩種.可以一行或一幀的對CRT進行掃描.電子束從第一行或幀的一端開始掃到另一端,馬上返回掃第二行或第二幀.三角波的特點是電壓漸漸增大突然降到零.正好適合用于掃描電路中.白噪聲序列，是指白噪聲過程的樣本實稱，簡稱白噪聲。隨機變量X（t）（t=1，2，3），如果是由一個不相關(guān)的隨機變量的序列構(gòu)成的，即對于所有S不等于T，隨機變量Xt和Xs的協(xié)方差為零，則稱其為純隨機過程。對于一個純隨機過程來說，若其期望為0，方差為常數(shù)，則

7、稱之為白噪聲過程。如果一個噪聲，它的瞬時值服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的，則稱它為高斯白噪聲。五 實驗內(nèi)容和步驟n=0:10000;m=sin(pi*0.001*n);y=0.2*randn(1,10001); k=m+y;subplot(3,1,1)plot(y); Y=fft(y,20481);Pyy=Y.*conj(Y)/20480;f=(0:20480)/20480;subplot(3,1,2)plot(f,Pyy(1:20481); subplot(3,1,3)plot(hist(y,30);圖一高斯白噪聲1信號，2功率譜，3強度分布正弦波加弱噪聲1信號，2功率譜，3強

8、度分布正弦波加噪聲1信號，2功率譜，3強度分布，4濾波后結(jié)果方波加噪聲1信號，2功率譜，3強度分布，4濾波后結(jié)果三角波加噪聲1信號，2功率譜，3強度分布，4濾波后結(jié)果六、實驗報告與分析按照實驗報告規(guī)范完成實驗報告，其主要內(nèi)容與要求包括： 1、基本框架完整； 2、對所記錄的實驗數(shù)據(jù)的整理、分析與相應(yīng)的結(jié)論； 3、實驗過程中與實驗技術(shù)相關(guān)的心得與體會； 4、完成實驗講義后面的思考題； 5、實驗報告完成后，按照從上到下實驗報告、實驗記錄、預(yù)習(xí)報告的順序裝訂，下次實驗時呈交給老師。MATLAB仿真：一 、高斯白噪聲二 、正弦波加弱噪聲三、 正弦波加噪聲四 、方波加噪聲五、三角波加噪聲實驗三 模擬調(diào)制解

9、調(diào)（AM）仿真實驗一、 實驗?zāi)康?、掌握用MATLAB的Simulink實現(xiàn)全載波調(diào)幅（AM）調(diào)制和解調(diào)的方法。2、研究已調(diào)波與調(diào)制信號以及載波信號的關(guān)系。3、熟悉MATLAB的Simulink的用法。二、實驗內(nèi)容1、模擬調(diào)制實驗仿真AM2、模擬解調(diào)實驗仿真AM三、實驗的原理AM調(diào)制四、 實驗調(diào)制解調(diào)模型的建立五、參數(shù)的設(shè)置模塊名稱參數(shù)名稱參數(shù)取值Sine wave1(調(diào)制信號)Frequency5Sine wave2(調(diào)制載波)Frequency100解調(diào)載波Frequency100Constant(A0)Constant value2Analog filter designDesign m

10、ethodbutterworthFilter typelowpassFilter order7Passband edge frequency48六、實驗數(shù)據(jù)DSB模塊名稱參數(shù)名稱參數(shù)取值Sine waveFrequency5Sine wave1Frequency60Sine wave2Frequency60Analog filter designDesign methodbutterworthFilter typelowpassFilter order7Passband edge frequency45MATLAB仿真：實驗四 基于MATLAB/Simulink的ASK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真與性能分

11、析實驗?zāi)康耐ㄟ^設(shè)計基于MATLAB/Simulink的ASK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真與性能分析，讓我深入理解和掌握二進制數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括調(diào)制、解調(diào)、濾波、傳輸、噪聲對通信質(zhì)量的影響等。在數(shù)字信號處理實驗課的基礎(chǔ)上更加深入的掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計原理及實現(xiàn)方法。使學(xué)生對系統(tǒng)各關(guān)鍵點的信號波形及頻譜有深刻的認識。在進行了專業(yè)基礎(chǔ)課和通信原理課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計或分析一個簡單的通信系統(tǒng)，有助于加深對通信系統(tǒng)原理及組成的理解。設(shè)計平臺MATLAB是美國MathWorks公司生產(chǎn)的一個為科學(xué)和工程計算專門設(shè)計的交互式大型軟件，是一個可以完成各種精確計算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強大的計算工具。

12、它集圖示和精確計算于一身，在應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化工、機電工程、醫(yī)藥、金融和其他需要進行復(fù)雜數(shù)值計算的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它不僅是一個在各類工程設(shè)計中便于使用的計算工具，而且也是一個在數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和工程計算等課程教學(xué)中的優(yōu)秀的教學(xué)工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各類工業(yè)應(yīng)用中更有不俗的表現(xiàn)。MATLAB可以在幾乎所有的PC機和大型計算機上運行，適用于Windows、UNIX等各種系統(tǒng)平臺1。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有

13、適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink2。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simu

14、link提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。模型化圖形輸入是指Simulik提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析3。2 基本原理2.1 Simulink工作環(huán)境（1）模型庫在MATLAB命令窗口輸入“Simulink”并回車，就可進入Simulink模型庫單擊或工具欄上的按鈕也可進入。Simulik

15、模塊庫按功能進行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫中的模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinus等下一級模型庫Continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型

16、。圖2-1 Simulink工具箱（2）設(shè)計仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口圖2-2 新建仿真模型窗口（3）運行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇Simulation | Start 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim”啟動仿真進程比較這兩種不同的運行方式：菜單方式的優(yōu)點在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號。命令行方式啟動模型后，不能觀察仿真進程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式4。2.2二進制振幅鍵控原

17、理（2ASK）數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅度鍵控（ASK），二進制幅度鍵控記作2ASK。2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出。有載波輸出時表示發(fā)送“1”，無載波輸出時表示發(fā)送“0”。2ASK信號可表示為 （2-1）式中，為載波角頻率，s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列 （2-2）其中，g(t)是持續(xù)時間、高度為1的矩形脈沖，常稱為門函數(shù)；為二進制數(shù)字 （2-3）2ASK/OOK信號的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制（相乘器法）和鍵控法。本課程設(shè)計運用模擬幅度調(diào)制的方法，用乘法器實現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)制如圖2-3：圖2-3模擬相乘法AM信號的解調(diào)一樣，2AS

18、K/OOK信號也有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法）。本課程設(shè)計要求的是相干解調(diào)，如圖2-4：圖2-4相干解調(diào)方式3 系統(tǒng)設(shè)計3.1 ASK調(diào)制與解調(diào)整個ASK的仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過程為：首先將信號源的輸出信號與載波通過相乘器進行相乘，在接收端通過帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。在MATLAB下Simulink仿真平臺構(gòu)建了ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖如圖3-1所示：圖3-1 ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖 將信號源的碼數(shù)率設(shè)為1B/S,即頻率為1 Hz。參數(shù)設(shè)置如圖3-2所示：圖3-

19、2 信號源參數(shù)設(shè)置在調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，載波信號的頻率一般要大于信號源的頻率。信號源頻率為1 Hz，所以將載波頻率設(shè)置為6 Hz，由于在載波參數(shù)設(shè)置里，頻率的單位是rad/sec，所以即為12*pi。載波信號參數(shù)如圖3-3所示：圖3-3 載波信號參數(shù)設(shè)置：低通濾波器的頻帶邊緣頻率與信號源的頻率相同，前面設(shè)置信號源頻率為1 Hz，所以對話框中“Passband edge frequency (rads/sec)：”應(yīng)填“2*pi”。參數(shù)設(shè)置如圖3-4所示：圖3-4低通濾波器參數(shù)設(shè)置 對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為a/2(當P(1)=P(0)時)，它與接受機輸入信號的幅度有關(guān)。當接收機輸入的

20、信號幅度發(fā)生變化，最佳判決門限也將隨之改變。抽樣判決器參數(shù)設(shè)置如圖3-5所示：圖3-5抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置量化器抽樣頻率等于信號源頻率。前面已經(jīng)設(shè)置信號源頻率為1Hz，即抽樣頻率為1Hz，所以對話框中“Sample time (-1 for inherited):”應(yīng)填“1”。量化器參數(shù)設(shè)置如圖3-6所示：圖3-6量化器參數(shù)設(shè)置設(shè)置好參數(shù)之后，進行仿真，由示波器的輸出波形可知，信號的調(diào)制解調(diào)成功，但存在 1比特的時延（用時延時間乘以采樣量化編碼器的采樣頻率）。因而，誤碼器的可接納時延為1比特。其參數(shù)設(shè)置如圖3-7所示：圖3-7 誤碼器的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過誤碼器的1比特時延后，其誤碼率為0，結(jié)果正確。

21、如圖3-8所示：圖3-8誤碼率的查看輸入信號經(jīng)過ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)后，輸出的各個波形(從上到下分別是輸入信號、載波信號、已調(diào)信號、經(jīng)過乘法器的解調(diào)信號、經(jīng)過低通濾波器的解調(diào)信號，輸出信號) 第一路為信號源模塊波形圖，第二路為ASK調(diào)制后波形圖，第三路為調(diào)制信號與載波相乘后波形圖，第四路為經(jīng)過低通濾波器后波形圖，第五路為ASK解調(diào)波形圖。由各波形可看出該ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)符合設(shè)計要求。如圖3-9所示：圖3-9 各點信號的波形3.2加入高斯白噪聲后的ASK調(diào)制與解調(diào)整個加入高斯白噪聲后的ASK仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過程為：首先將信號源的輸出信號與載波通過相乘器進行相乘，送入加性高斯白噪聲（AWGN）

22、信道中傳輸。在接收端通過帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。如圖3-10所示：圖3-10 ASK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲仿真圖高斯白噪聲的抽樣時間設(shè)置為0.01，如圖3-11所示：圖3-11 高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置帶通濾波器的下頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號頻率之差，上頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號頻率之和。前面已設(shè)置信號源頻率為1Hz，載波頻率為6Hz,計算得上、下截止頻率分別為7Hz、5Hz，轉(zhuǎn)換成以rads/sec為單位即為14*pi 、10*pi。所以“Lower passband edge frequency (

23、rads/sec) Upper passband edge frequency (rads/sec)”應(yīng)填“10*pi 、14*pi”。參數(shù)設(shè)置如圖3-12所示：圖3-12 帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置設(shè)置好參數(shù)之后，進行仿真，由示波器的輸出波形可知，信號的調(diào)制解調(diào)成功，但存在0.01秒的時延，即信號時延了2比特（用時延時間乘以采樣量化編碼器的采樣頻率）。因而，誤碼器的可接納時延為2比特。其參數(shù)設(shè)置如圖3-13所示：圖3-13 誤碼器的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過誤碼器的2比特時延后，其誤碼率為0。如圖3-14所示：圖3-14 誤碼率的查看輸入信號經(jīng)過ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)后，輸出的各個波形(從上到下分別是輸入信號、載波

24、信號、已調(diào)信號、經(jīng)過乘法器的解調(diào)信號、經(jīng)過低通濾波器的解調(diào)信號，輸出信號) 第一路為信號源模塊波形圖，第二路為ASK調(diào)制后的波形圖，第三路為加入高斯白噪聲后的波形圖，第四路為經(jīng)過帶通濾波器后的波形圖，第五路為經(jīng)過帶通濾波器后與載波相乘后的波形圖，第六路為經(jīng)過低通濾波器后的波形圖，第七路為ASK解調(diào)后的波形圖。在ASK調(diào)制與解調(diào)中加入高斯白噪聲后，波形出現(xiàn)了失真，解調(diào)也有誤碼存在，系統(tǒng)基本符合設(shè)計要求。如圖3-15所示：圖3-15 各點信號的波形3.3 誤碼率的計算誤碼率是衡量一個數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標。在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率

25、表達示的形式則取決于解調(diào)方式。ASK調(diào)制與解調(diào)中計算誤碼率仿真圖如圖3-16所示：圖3-16 ASK調(diào)制與解調(diào)中計算誤碼率仿真圖在繪制信噪比-誤碼率關(guān)系曲線圖之前，先將源程序創(chuàng)建M文件，將仿真圖及M文件放入MATLAB軟件的work文件夾下，并重新設(shè)置高斯噪聲和誤碼器模型參數(shù)。高斯白噪聲的“Variance（vector or matrix）”應(yīng)該設(shè)置為“var”。如圖3-17所示：圖3-17 高斯白噪聲的參數(shù)設(shè)置誤碼器“Output data”應(yīng)該設(shè)置為“workspace”。如圖3-18所示：圖3-18 誤碼器的參數(shù)設(shè)置二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),誤碼率與信號形式(調(diào)制方式),與噪聲的統(tǒng)計特性,解調(diào)及譯碼判決方式有關(guān)。對于二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),無論采用何種方式,何種檢測方法,其共同點都是隨著輸入信噪比增大時,系統(tǒng)的誤碼率就降低;反之,當輸入信噪比減小時,系統(tǒng)的誤碼率就增加。根據(jù)信噪比與誤碼率的關(guān)系式，可以繪制出信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖。源程序見附錄，所需M文件如圖3-19所示：圖3-19 M文件1信噪比-誤碼率的理論關(guān)系曲線如圖3-20所示：圖3-20信噪比