1、20132014學年第二學期通信原理軟件實驗報告 專業班級 姓 名 學 號 開課系室 報告日期 目錄實驗一 聲音播放和濾波6實驗二 時域仿真精度分析.17實驗三 頻域仿真精度分析.21實驗四 噪聲產生.27實驗五 取樣和重建37實驗八 抑制雙邊帶的調制與解調.46實驗十二 ASK調制與解調53綜合實驗 數字基帶系統仿真.61 實驗一 聲音播放和濾波實驗目的掌握聲音播放模塊，FIR 濾波器的使用方法。深入理解頻率的大小如何影響聲音的變化，FIR 濾波器的特性和模塊各參數的作用。主要功能：利用FIR濾波器實現對聲音信號中某些頻率的濾除，頻帶內的信號分量通過，頻帶外的濾除，來觀察聲音的變化。實驗原理

2、聲音頻率的大小影響聲音的音調，即頻率越高我們聽到的聲音越尖，頻率越低聽到的聲音越低沉；因此設置聲音信號的頻率為不同的頻率時，我們可以通過聲音播放器發出的聲音感知聲音音調的變化。FIR 濾波器又名為有限沖激響應濾波器，利用離散時間系統的特性來對輸入信號的波形或頻譜進行加工處理，本實驗中即利用該濾波器實現對聲音信號中某些頻率的濾除，頻帶內的信號分量通過，頻帶外的濾除，來觀察聲音的變化。 下圖所示是滿足上式的理想的FIR濾波器的時域沖激響應和傳遞函數。 聲音播放和濾波系統框圖如圖1.1所示：圖1.1 聲音播放和濾波系統框圖實驗方案所需元件：正弦波發生器（sinusoid generator）（兩個，

3、= 1 * GB3產生頻率為200Hz的正弦波，= 2 * GB3頻率為800Hz的正弦波）音頻播放模塊（Play sound，選自Scicom_sinks元件庫）觸發時鐘（CLOCK_c）FIR濾波器（FIR Filter，選自Scicom_Filter原件庫）頻譜示波器模塊（FFT，選自Scicom_sinks元件庫）具體步驟如下：將正弦波發生器、音頻播放模塊、觸發時鐘、頻譜示波器模塊按下圖連接：打開Diagram菜單欄中的Context輸入框，輸入下圖內容：設置正弦波模塊，產生頻率為200Hz的信號，設置Play sound模塊的參數。設置觸發時鐘參數。按照模塊參數設置所有模塊參數。加入

4、一個新的正弦波發生器模塊，產生頻率為800Hz的正弦波，再加入FFT頻譜示波器，修改參數sampling period為ts。新的框圖如下：加入FIR濾波器。實驗過程中遇到的問題及解決方案遇到的問題：為什么要試用兩個正弦信號產生器？七作用是什么解決方案：兩個正弦信號發生器，= 1 * GB3產生頻率為200Hz的正弦波，= 2 * GB3頻率為800Hz的正弦波，而FIR濾波器的截止頻率被設定為300Hz，所以只有正弦信號發生器= 1 * GB3的頻率有被使用。該實驗通過對這兩個發生器將其相加，使我們能夠了解濾波器的操作，知道一些頻率成分的波是如何被濾掉。實驗使用的模塊及其使用說明各模塊塊的作

5、用以及使用說明序號模塊名稱實現功能使用說明（參數設置）1Scicom_sources: clock_c為需要事件觸發的模塊或系統提供周期性的觸發時鐘信號Period:tsInit time:0 2Scicom_sources:sinusoid generator= 1 * GB3生成正弦波Magnitude:1 Frequency:200*2*%pi phase:0 3Scicom_sources:sinusoid generator= 2 * GB3生成正弦波Magnitude:1 Frequency:800*2*%pi phase:0 4Scicom_sinks: play sound 該

6、模塊將輸入信號讀入后以PCM量化編碼后進行播放Sample rate: fsBuffer size: fs5Scicom_sinks: FFT 仿真時對輸入信號做FFT運算，觀察其頻域特性Sampling period: ts6Scicom_Filter：FIR filter 通過濾波器設計模塊，可以根據需求進行選擇應用Order：41 Low cutoff frequency：300/fs表格1.1 各模塊塊的作用以及使用說明實驗結果工程連接圖1波形圖1（當無FIR濾波器元件時）由圖可知：原始輸入信號有兩個頻率 f1 = 200HZ f2=800HZ工程連接圖2波形圖2（當FIR濾波器的階數

7、為41時）思考題人類能聽到的聲音是有頻率范圍的，利用聲音播放器測試人的聽覺頻率范圍。 20HZ20000H改變Low cutoff frequency：3000/fs，頻譜幅度變大。可見低通濾波器的截至頻率越大，允許的高頻部分越多。所以當Low cutoff frequency越小，我們感覺聲音越小，其實是聽不到，Low cutoff frequency越大，聲音越明顯。當然要在人耳的20-20000hz變化范圍內圖5.7中的濾波器的參數order和low cutoff frequnecy分別設置為41和300/f,截止頻率是多少？為什么要這樣設置？改變FIR濾波器的低端截止頻率，觀察聲音播放

8、器中聲音的變化。 41是對濾波器的系數進行了相應設置，即調整濾波器系數為41，在一定程度上，系數越高，濾波器效果越好 300/f 則表示低通濾波器時系統截止頻率為 300HZ。當低端截止頻率為10HZ時，波形圖如下：分析：兩個輸入信號的頻率（200HZ，800HZ）均大于截止頻率（10HZ），所以均受到抑制當低端截止頻率為600HZ時，波形圖如下：分析：兩個輸入信號的頻率（200HZ，800HZ）此時只有800HZ大于截止頻率（600HZ），所以200HZ放大而800HZ受到抑制當低端截止頻率為1000HZ時，波形圖如下：分析：兩個輸入信號的頻率（200HZ，800HZ）此時均小于截止頻率（1

9、000HZ），所以同時得到放大將圖5.7中的加法器改為乘法器，輸出信號頻譜有何變化？如何從乘法器輸出信號中取出模塊（1）產生的信號？當加法器改為乘法器，則輸出的頻譜圖對應的頻率則由200HZ,800HZ變為 600HZ，1000HZ 如下圖若要從乘法器輸出信號中取到模塊一的信號，則系統框圖需做出如下調整，在復合信號中再乘以800HZ信號進行相干解調實驗總結實驗一主要研究了FIR濾波器的使用以及對于頻譜的控制，并且以聲音播放器為實體證明了頻率的改變。加入FIR濾波器前后輸出信號功率譜不同的原因：原始信號有兩個頻率（為信號發生器= 1 * GB3，= 2 * GB3的疊加）f1=200HZ，f2=

10、800HZ。加入了FIR濾波器之前，會有兩個沖擊，分別對應不同頻率。由于FIR濾波器截止頻率為300HZ。因此加入FIR濾波器會對高頻f2進行了抑制。實驗二 時域仿真精度分析實驗目的了解時域取樣對仿真精度的影響學會提高仿真精度的方法主要功能：顯示經不同采樣頻率的采樣后的時域采樣信號，從而理解奈奎斯特抽樣定理實驗原理一般來說，任意信號是定義在時間區域無限上的連續函數，但所有計算機的CPU都只能按指令周期離散運行，同時計算機也不能處理時域無限這樣一個時間段。為此將把區間（-T/2,T/2）截斷為ST(t).按時間間隔均勻取樣，得到的取樣點數為仿真時用這個樣值集合來表示信號S(t).取樣間隔反應了仿

11、真系統對信號波形的分辨率，越小則仿真精確度越高。據通信原理所學，信號被取樣以后，對應的頻譜是頻率的周期函數，其重復周期是1/取樣間隔。如果信號的最高頻率為fH那么必須有：才能保證不發生頻域混疊失真，這是奈奎斯特抽樣定理。設則稱Bs為仿真系統的系統帶寬。如果在仿真程序中設定的采樣間隔是t,那么不能用此仿真程序來研究帶寬大于Bs的信號或系統。換句話說，就是當系統帶寬Bs一定的情況下，信號的采樣頻率最小不能小于2*Bs,如此則可以保證信號的不失真，在此基礎上采樣頻率越高，其時域波形對原信號的還原度也越高，信號波形越平滑。也就是說，要保證信號的通信成功，必須要滿足奈奎斯特抽樣定理，如果需呀觀察時域波形

12、的某些特征，那么采樣點數越多，可得到越真實的時域信號。實驗方案所需元件：正弦波發生器（sinusoid generator）示波器模塊觸發時鐘（CLOCK_c）具體步驟如下：將正弦波發生器模塊、示波器模塊、時鐘模塊按下圖方式連接：實驗使用的模塊及其使用說明各模塊塊的作用以及使用說明序號模塊名稱實現功能使用說明（參數設置）1Scicom_sources:clock_c（1）為需要事件觸發的模塊或系統提供周期性的觸發時鐘信號Period: 0.3, Init time: 02Scicom_sources:clock_c（2）為需要事件觸發的模塊或系統提供周期性的觸發時鐘信號Period: 0.01

13、, Init time: 03Scicom_sources:Sinusiod generator生成正弦波Magnitude:1,Frequency: 1Hz4Scicom_Sinks：SCOPE單路示波器：實時顯示輸入信號時域波形Ymin: -2 , Ymax: 2Refresh period: 10實驗結果工程連接圖波形圖1分析：此時時鐘信號周期為0.01S，即100HZ，遠大于信號f，所以采樣出來的波形圖與原圖基本一致波形圖2分析：此時時鐘信號周期為0.3S，即3.3HZ而原始信號f=1HZ 理論上滿足奈奎斯特抽樣定理，但相比第一個圖形，仍有較大差距。沒有在整點周期取樣，頻率值沒有配好，

14、所以有一定的失真出現。波形圖3分析：此時時鐘信號周期為0.5S，恰好都在信號的零點采樣，所以采樣后得出的信號圖為一條直線，無法還原原始信號。思考題觀察分析圖5.10、圖5.11的區別，解釋其原因。在采樣的時候，必須滿足fh0)其他參數設置為默認值Scicom_Filter: analog low pass filterOrder: 4, cutoff frequency: 0.7*2*%pi其它參數設置為默認值Scicom_sources: Constant 參數設置為默認值Scicom_sources: Constant Contant: 0Branching: switchThreshol

15、d a: 0.2其它參數設置為默認值Scicom_sinks: MScopeInput ports sizes: 1 1 1, Ymin: -2 -2 -2Ymax: 2 2 2, Refresh period: 60 60 60其它參數設置為默認值表三庫/模塊名稱參數設置Scicom_sources: clock_c Period: 2, Init time: 0.1Scicom_sources: clock_c Period: 10/512, Init time: 10/512Scicom_sources: clock_c 參數設置為默認值Scicom_sources: binary ra

16、ndom generator參數設置為默認值Scicom_sources: sinusoid generatorMagnitude: 1, Frequency: 1*2*%pi, phase: 0Scicom_signalprocess: phas shifter and Equal DelaySize of input: 512, phase shift: 0Scicom_Filter: analog low pass filterOrder: 4, cutoff frequency: 0.7*2*%pi其它參數設置為默認值Scicom_sources: Constant 參數設置為默認值S

17、cicom_sources: Constant Contant: 0Branching: switchThreshold a: 0.2其它參數設置為默認值Scicom_sinks: MScopeInput ports sizes: 1 1 1, Ymin: -2 -2 -2Ymax: 2 2 2, Refresh period: 30 30 30其它參數設置為默認值Scicom_Filter: analog low pass filterOrder: 4, cutoff frequency: 0.7*2*%pi其它參數設置為默認值實驗結果工程連接圖1工程連接圖2工程連接圖3實驗總結將原始二進制

18、信號用正弦波的形式表示,最后通過判決信號還原出原始信號綜合實驗 數字基帶系統的仿真實驗目的了解在理想限帶及加性白高斯噪聲信道條件下數學幾代系統的基本原理和設計方法，完成在仿真平臺上的系統搭建與仿真。進一步熟悉SCICOS下的復雜系統設計。運用工具庫現有的通信工具模塊大件系統，利用其功能全面且封裝性強的特點，針對數字基帶系統進行橫向功能分解，使系統設計更加精煉、準確。深入學習數字基帶系統核心傳輸節點的新能，并掌握眼圖示波器的使用方法，觀察接收濾波器輸出的眼圖和功率譜密度，判斷系統傳輸的正確性和精確性，調試已達到最佳傳輸效果。實驗原理若使得在接收端抽樣時刻碼間干擾為零，則系統的合成傳遞函數必須滿足

19、以下條件：GTfCfGRf=X升余fe-j2fto, fW即要滿足Tf+cf+Rf=-2ft0GTfCfGRf=X升余f式中的GTf、GCf、GRf分別是發送濾波器、信道及接收濾波器，Tf、cf、Rf分別是發送濾波器、信道及接收濾波器的相頻特性，to是時間延遲，to=tT+tc+tR，其中tT、tc、tR分別是發送、信道、接收濾波器引入的時延，W為升余弦濾波器的截止頻率。在接收端抽樣時刻無碼間干擾條件下，引起誤碼的是加性噪聲，此時，最佳接收的接收濾波器應匹配于所接受的確定信號，是接收端采樣時刻的信噪比最大。設：限帶信道是理想低通特性，并設信道不引入時延（tc=0），Cf=f2W=1, fW0,

20、 fW 則接收到的確定信號的頻譜僅取決于發送濾波器的GTf特性，所以接收濾波器的GRf應與發送濾波器GTf共軛匹配，即GRf=GT*fe-j2ft0=GRfe-j2ftR這樣，在理想限帶信道情況下，既要使接收端抽樣時刻的抽樣只無碼間干擾，又要使的在抽樣時刻抽樣值得信噪比最大，則X升余f=GTfGRf=GTf2e-j2ftTGTf=X升余fe-j2ftT綜上所訴，數字PAM信號通過限帶信道、并受到加性噪聲干擾的情況下，在限帶信道為理想條件下，最佳基帶傳輸的發送及接收濾波設計原則為：總的收發系統的傳遞函數要符合無碼間干擾基帶傳輸的升余弦特性；且又要考慮在抽樣時刻信噪比最大的收、發濾波器共軛匹配的條

21、件。實驗方案方案一匯編實現理想基帶傳輸系統的升余弦特性。按圖5.150所示將各模塊連接成數字基帶傳輸系統。其中，由原信號抽樣時鐘及freq_div模塊產生系統取樣時鐘；Random Integer Generator模塊產生雙極性二進制信號；sending filter 模塊作為發送濾波器；Random Generator和加法器模塊組成基帶AWGN信道；receiving filter模塊作為接收濾波器；由“S/H”模塊進行抽樣，設置Mathematical Expression模塊參數進行判決；最后由示波器模塊進行顯示，第一路為原信號波形，第二路為恢復信號的波形，第三路為經過基帶系統傳輸后

22、未進行判決前的波形。（2）在同意參數被不只一個模塊調用的情況下可以統一利用一個符號表示，不過需要選擇Diagram下的Context命令對這個符號進行預先定義。在本次系統設計中，需要在Context中進行如下內容的設置：*t2f*function X=t2f(x)H=fft (x);X=H (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), H(mtlb_imp(1,N/2) *dt；endfuntion*f2t*function x=f2t(X)S=X (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), X(mtlb_imp(1,N/2) ;X=ifft(S) /dt;endfunc

23、tion*dt=0.01;L=32;M=16;N=L*M;Ts=L*dt;Rb=1/Ts;df=1/(N*dt);T=N*dt;Bs =N*df/2;alpha=0.5;t=linspace(-T/2,T/2,N);f=linspace(-Bs,Bs,N)+%eps;/升余弦信道hr1=sin(%pi*t/Ts)./(%pi*t/Ts);hr2=cos(alpha*%pi) *t) /Ts)./(1-(2*alpha)*t) /Ts).2);hr=hr1.*hr2;HR=abs(t2f(hr);GT=sqrt(HR);GR=GT;sending filter與receiving filter的

24、實現。sending filter是一個超級模塊，其內部結構見圖。Serial to bus converter模塊實現輸入信號的串并變換，將需要進行FFT所需的所有取樣點一次送入濾波模塊。Scifunc模塊把接收到的數組進行匹配濾波，變換的程序見圖。Bus to serial converter模塊實現輸入信號的并串變換，將變換完的信號輸出。function X=t2f(x)H=fft (x);X=H (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), H(mtlb_imp(1,N/2) *dt；endfuntion/function x=f2t(X)S=X (mtlb_imp(mtlb

25、_a(N/2,1),N), X(mtlb_imp(1,N/2) X=ifft(S) /dt;endfunction/u=u1;S=t2f(u);S1=S.*GT;y=real(f2t(S1);y1=yu1為輸入信號，GT為發送根升余弦濾波器的頻域傳輸函數，y1為輸出信號，t2f和f2t函數分別實現傅式變換和傅式反變換的功能。其中的t2f函數、f2t函數的實現代碼也需要復制到此scifunc程序，以便調用。Receving filter的結構和sending filter模塊結構相同，但在scifunc中的程序略有不同：function X=t2f(x)H=fft (x);X=H (mtlb_i

26、mp(mtlb_a(N/2,1),N), H(mtlb_imp(1,N/2) *dt；endfuntion/function x=f2t(X)S=X (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), X(mtlb_imp(1,N/2) X=ifft(S) /dt;endfunction/u=u1;S=t2f(u);S1=SR.*GT;y=real(f2t(SR1);y1=y;GR為接收端根升余弦濾波器的頻域傳遞函數。方案二利用根升余弦濾波器模塊實現基帶傳輸系統的升余弦特性。按圖連接數字基帶系統。（2）context內容設置如圖。其中Tb為比特周期，fb=1/Tb是比特率。R是滾降系數。帶

27、寬為（1+R）/2*fb。實驗中實現功能的程序以及說明function X=t2f(x)H=fft (x);X=H (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), H(mtlb_imp(1,N/2) *dt；endfuntion/function x=f2t(X)S=X (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), X(mtlb_imp(1,N/2) X=ifft(S) /dt;endfunction/u=u1;S=t2f(u);S1=S.*GT;y=real(f2t(S1);y1=yu1為輸入信號，GT為發送根升余弦濾波器的頻域傳輸函數，y1為輸出信號，t2f和f2t函數分

28、別實現傅式變換和傅式反變換的功能。其中的t2f函數、f2t函數的實現代碼也需要復制到此scifunc程序，以便調用。Receving filter的結構和sending filter模塊結構相同，但在scifunc中的程序略有不同：function X=t2f(x)H=fft (x);X=H (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), H(mtlb_imp(1,N/2) *dt；endfuntion/function x=f2t(X)S=X (mtlb_imp(mtlb_a(N/2,1),N), X(mtlb_imp(1,N/2) X=ifft(S) /dt;endfunction

29、/u=u1;S=t2f(u);S1=SR.*GT;y=real(f2t(SR1);y1=y;實驗使用的模塊及其使用說明方案一：序號庫/模塊名稱實現功能參數設置1Clock_c為系統提供周期性的觸發時鐘信號Period: dt, init time:02Frequ_divPhase : 0, division factor : L3Ramdom integer generatorNumber of size per integer: 1, type: 04Serial to bus converterSize of output :N, init converter value:05Bus to

30、 serial converterSize of output :N, init converter value:06scifuncInput ports size:N,1output ports size:N,17Random generatorDatatype: 1,flag:1, A:0,B:0.28delaySize of delay:2*N9Delay 0.1Delay:0.1 data of initial output event:010S/HDelaytype:111Mathematical expressionNumber of inputs:1Scilab expressi

31、on:2*(u10)-1Use zero-crossion:112MScopeInput ports sizes:1 1 1,Ymin vector:-2 -2 -2Ymax vector:2 2 2Refresh period:30 30 3013Eye scopeSampling period:1,sampling per symbol:64方案二：序號庫/模塊名稱實現功能參數設置1Clock_c（1）為系統提供周期性的觸發時鐘信號Period: Tb, inittime:Tb2Clock_c（2）Period: Ts, inittime:Ts3Random integer GeneratorNumber of bits per integer:1,type:04Random GeneratorDatatype:1,flag:1,A:0,B:0.25UpSampleSize of output:1Upsamplefactory:NsSample based:0Type:1Inherit:06SRRCF(1)Size of output vectors:1Sample per symblol:NsRoff-Off factor:RLength of impulse res