通信原理 数字基带传输实验报告.doc

基带传输系统实验报告 一、 实验目的1、 提高独立学习的能力；2、 培养发现问题、解决问题和分析问题的能力；3、 学习matlab的使用；4、 掌握基带数字传输系统的仿真方法；5、 熟悉基带传输系统的基本结构；6、 掌握带限信道的仿真以及性能分析；7、 通过观察眼图和星座图判断信号的传输质量。二、 实验原理在数字通信中，有些场合可以不经载波调制和解调过程而直接传输基带信号，这种直接传输基带信号的系统称为基带传输系统。基带传输系统方框图如下：基带脉冲输入抽样判决器接收滤波器信道信道信号形成器基带脉冲输出同步提取 噪声基带传输系统模型如下：各方框的功能如下：（1） 信道信号形成器（发送滤波器）：产生适合于信道传输的基带信号波形。因为其输入一般是经过码型编码器产生的传输码，相应的基本波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，不利于传输。发送滤波器用于压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。（2） 信道：是基带信号传输的媒介，通常为有限信道，如双绞线、同轴电缆等。信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。另外信道还会引入噪声n（t），一般认为它是均值为零的高斯白噪声。（3） 接收滤波器：接受信号，尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。（4） 抽样判决器：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。（5） 定时脉冲和同步提取：用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取。三、 实验内容1采用窗函数法和频率抽样法设计线性相位的升余弦滚讲的基带系统(不调用滤波器设计函数,自己编写程序)设滤波器长度为 N=31，时域抽样频率 Fo为 4 /Ts，滚降系数分别取为 0.1、0.5、1，（1） 如果采用非匹配滤波器形式设计升余弦滚降的基带系统，计算并画出此发送滤波器的时域波形和频率特性，计算第一零点带宽和第一旁瓣衰减。（2） 如果采用匹配滤波器形式设计升余弦滚降的基带系统，计算并画出此发送滤波器的时域波形和频率特性，计算第一零点带宽和第一旁瓣衰减。（1） 非匹配滤波器窗函数法：子函数程序：functionHf,hn,Hw,w=umfw(N,Ts,a)n=-(N-1)/2:(N-1)/2;k=n;t=k;for i=1:N; if(abs(t(i)=0) hn(i)=1; elseif(1-4*a*a*t(i)*t(i)/Ts/Ts)=0) hn(i)=sin(pi*t(i)/Ts)/t(i)*Ts/4; else hn(i)=sin(pi*t(i)/Ts)*cos(a*pi*t(i)/Ts)/(pi*t(i)/Ts)/(1-4*a*a*t(i)*t(i)/Ts/Ts); end;end;w=-1:0.01:1;Hw=hn*exp(-j*2*pi*n*w);Hf=hn*exp(-j*2*pi/N*k*n);函数调试程序：a=input(a=);hn,Hf,Hw,w=umfw(31,4,a);subplot(3,1,1);stem(real(hn),.);title(平方根升余弦滤波器单位冲击响应时域特性);subplot(3,1,2);stem(Hf,.);title(平方根升余弦滤波器单位冲击响应频域特性);subplot(3,1,3);plot(w,Hw);title(频域响应);axis(-1,1,min(real(Hw),max(real(Hw);a=0.1a=0.5a=1频域抽样法：子函数程序：functionhn,Hf,f=umf(N,Ts,a);n=-(N-1)/2:(N-1)/2;%-15至+15k=n;f=k*1/N;%频率抽样为H(f)f1=(1-a)/(2*Ts);f2=(1+a)/(2*Ts);Hf=zeros(1,N); for i=1:N %得到频域的升余弦函数 if (abs(f(i)=f1) Hf(i)=Ts; elseif(abs(f(i)=f2) Hf(i)=Ts/2*(1+cos(pi*Ts/a*(abs(f(i)-(1-a)/(2*Ts); else Hf(i)=0; endendhn=hn=1/N*Hf*exp(j*2*pi/N*k*n);%得到时域升余弦函数，复数表达式函数调试程序：a=input(a=);hn,Hf=umf(31,4,a);H,w=freqz(hn);subplot(2,1,1);stem(real(hn),.);title(平方根升余弦滤波器单位冲击响应时域特性);subplot(2,1,2);stem(Hf,.);title(平方根升余弦滤波器单位冲击响应频域特性);figure(2);plot(w,abs(H);title(幅频特性);a=0.1时a=0.5时a=1(2) 匹配滤波器窗函数法:function Hf,hn,Hw,w=mfw(N,Ts,a)%采用窗函数法的滤波器函数,a为滚降系数n=-(N-1)/2:(N-1)/2;k=n;t=k;for i=1:N; if(abs(t(i)=0) hn(i)=1; elseif(1-4*a*a*t(i)*t(i)/Ts/Ts)=0) hn(i)=sin(pi*t(i)/Ts)/t(i)*Ts/4; else hn(i)=sin(pi*t(i)/Ts)*cos(a*pi*t(i)/Ts)/(pi*t(i)/Ts)/(1-4*a*a*t(i)*t(i)/Ts/Ts); end;end;w=-1:0.01:1;HW=hn*exp(-j*2*pi*n*w);Hw=sqrt(HW);HF=hn*exp(-j*2*pi/N*k*n);Hf=sqrt(HF);a=0.1a=0.5a=1频域抽样法:子函数程序:functionhn,Hf,n,f=mf(N,Ts,a)n=-(N-1)/2:(N-1)/2;%-15至+15k=n;f=k*1/N;%频率抽样为H(f)f1=(1-a)/(2*Ts);f2=(1+a)/(2*Ts);HF=zeros(1,N);Hf=zeros(1,N); for i=1:N %得到频域平方根升余弦函数 if (abs(f(i)=f1) HF(i)=Ts; elseif(abs(f(i)=f2) HF(i)=Ts/2*(1+cos(pi*Ts/a*(abs(f(i)-(1-a)/(2*Ts); else HF(i)=0; endendHf=sqrt(HF);hn=1/N*Hf*exp(j*2*pi/N*k*n);%得到时域平方根升余弦函数，复数表达式函数调用程序:a=input(a=);hn,Hf=mf(31,4,a);H,w=freqz(hn);subplot(2,1,1);stem(real(hn),.);title(平方根升余弦滤波器单位冲击响应时域特性);subplot(2,1,2);stem(Hf,.);title(平方根升余弦滤波器单位冲击响应频域特性);figure(2);plot(w,abs(H);title(幅频特性);a=0.1第一零点带宽为w=1.012rad/sa=0.5第一零点带宽为w=1.215rad/sa=1第一零点带宽为1.62rad/s 2根据基带系统模型，编写程序，设计无码间干扰的二进制数字基带传输系统。要求要传输的二进制比特个数、比特速率 Rb（可用与 Ts的关系表示）、信噪比 SNR、滚降系数 是可变的。(1) 信源子函数functiondn =source(L,Tb)%定义信源函数source,产生信源序列%输入:L序列长度,Tb码元宽度%输出:dn双极性信源序列an=sign(rand(1,L)-0.5); %产生一组-1,1等概的随机序列dn=zeros(1,L);for i=1:L dn(1+(i-1)*Tb)=an(i);%插值，在相邻两数间插入Tb-1个0，得到插值后的发送序列；end(2)滤波器函数 同实验内容一(3) 噪声函数functionn0=noise(SNR,xn,L,Tb,N)%定义噪声函数%输入:SNR为可调信噪比，xn为发送滤波器的输出信号%输出:n0为高斯噪声序列Eb=0;for i=1:length(xn) Eb=Eb+(abs(xn(i).2; %总比特能量endEb=Eb/L; %平均比特能量n0=sqrt(Eb/(2*10.(SNR/10)*randn(1,(L+(Tb-1)*(L-1)+N-1); %得到均值为0,方差为sqrt(Eb/(2*10.(SNR/10)的高斯噪声(4) 抽样判决函数functionbn=adjudge(L,Tb,rn)%rn为接收滤波器输出信号，bn为判决输出序列zn=zeros(1,L);bn=zeros(1,L);for i=1:L zn(i)=real(rn(i-1)*Tb+1); %对rn每隔Tb进行抽样endbn=sign(zn);采用匹配滤波器的基带传输系统的主函数:L=input(二进制比特个数=);%输入二进制比特个数Tb=input(比特周期=);%输入比特周期Ts=input(码元周期=);%输入码元周期Rb=1/Tb;%比特传输速率N=31;%滤波器阶数a=input(滚降系数=);%输入滚降系数SNR=input(信噪比=);%输入信噪比m=-(N-1)/2:(L*Tb-Tb+1+N-1-(N+1)/2);%发送滤波器输出序列横坐标显示范围n=-(N-1)/2:(N-1)/2;o=-N:L+(Tb-1)*(L-1)+N-3;%接收滤波器输出序列横坐标显示范围 dn=source(L,Tb);%生成信源序列dnhn,Hf,f=mf(N,Ts,a);%得到发送滤波器单位冲击响应xn=conv(hn,dn);%发送滤波器输入序列卷积发送滤波器单位冲击响应,得到发送滤波器输出序列 n0=noise(SNR,xn,L,Tb,N);%产生噪声序列yn=n0+xn;%加入噪声后的序列rn0=conv(yn,hn);%接收滤波器输出序列rn=rn0(N:N+L+(Tb-1)*(L-1)-1);%从N开始判决bn=adjudge(L,Tb,rn);%bn为判决序列 figure(1);subplot(3,2,1);stem(dn,.);title(发送滤波器输入序列);subplot(3,2,2);plot(m,xn);title(发送滤波器输出序列);subplot(3,2,3);plot(m,n0);title(噪声序列);subplot(3,2,4);plot(m,yn);title(接收滤波器输入序列);subplot(3,2,5);plot(o,rn0);title(接收滤波器输出序列);subplot(3,2,6);stem(bn);title(判决输出序列);当输入:二进制比特个数=8比特周期=4码元周期=4滚降系数=0.1信噪比=20时,图像如下:采用非匹配滤波器的基带传输系统的主函数:L=input(二进制比特个数=);%输入二进制比特个数Tb=input(比特周期=);%输入比特周期Ts=input(码元周期=);%输入码元周期Rb=1/Tb;%比特传输速率N=31;%滤波器阶数a=input(滚降系数=);%输入滚降系数SNR=input(信噪比=);%输入信噪比m=-(N-1)/2:(L*Tb-Tb+1+N-1-(N+1)/2);%发送滤波器输出序列横坐标显示范围n=-(N-1)/2:(N-1)/2; dn=source(L,Tb);%生成信源序列dnhn,Hf,f=umf(N,Ts,a);%得到发送滤波器单位冲击响应xn=conv(hn,dn);%发送滤波器输入序列卷积发送滤波器单位冲击响应,得到发送滤波器输出序列n0=noise(SNR,xn,L,Tb,N);%产生噪声序列yn=n0+xn;%加入噪声后的序列rn=yn(N-1)/2:(N-1)/2+L+(Tb-1)*(L-1)-1);%从(N-1)/2开始判决bn=adjudge(L,Tb,rn);%bn为判决序列 subplot(3,2,1);stem(dn,.);title(发送滤波器输入序列);subplot(3,2,2);plot(m,xn);title(发送滤波器输出序列);subplot(3,2,3);plot(m,n0);title(噪声序列);subplot(3,2,4);plot(m,yn);title(加入噪声后的序列);subplot(3,2,5);stem(bn,.);title(判决输出序列);输入为二进制比特个数=8比特周期=4码元周期=4滚降系数=0.1信噪比=20 3、 假设加性噪声不存在，传输64个特定的二进制比特，如果比特速率Rb=1/Ts,基带系统不采用匹配滤波器,画出滤波器的输出信号波形和眼图(考虑滤波器的时延),判断有无码间干扰,求出抽样判决后的数字序列,如果比特速率改为Rb=4/(3Ts)、1/（2Ts），画出接受滤波器的输出信号波形和和眼图(考虑滤波器的时延),判断有无码间干扰,求出抽样判决后的数字序列。主函数L=input(二进制比特个数=);%输入二进制比特个数Tb=input(比特周期=);%输入比特周期Ts=input(码元周期=);%输入码元周期Rb=1/Tb;%比特传输速率N=31;%滤波器阶数a=input(滚降系数=);%输入滚降系数m=-(N-1)/2:(L*Tb-Tb+1+N-1-(N+1)/2);%发送滤波器输出序列横坐标显示范围n=-(N-1)/2:(N-1)/2; dn=source(L,Tb);%生成信源序列dnhn,Hf,f=umf(N,Ts,a);%得到发送滤波器单位冲击响应xn=conv(hn,dn);%发送滤波器输入序列卷积发送滤波器单位冲击响应,得到发送滤波器输出序列yn=xn;%系统无噪声rn=yn(N-1)/2:(N-1)/2+L+(Tb-1)*(L-1)-1);%从(N-1)/2开始判决bn=adjudge(L,Tb,rn);%bn为判决序列 figure(1);subplot(3,1,1);stem(dn,.);title(发送滤波器输入序列);subplot(3,1,2);plot(m,xn);title(发送滤波器输出序列);subplot(3,1,3);stem(bn,.);title(判决输出序列); figure(2);%眼图模块 for i=0:L-1 eye=yn(i*Tb+1:(i+2)*Tb);%给yn分段 x=1:2*Tb; xx=1:0.01:2*Tb; eyes=spline(x,real(eye),xx);%变成平滑的曲线 plot(xx,eyes); hold on;%每段图像重复显示 title(眼图) end(1)Rb=1/Ts二进制比特个数=64比特周期=4码元周期=4滚降系数=1眼图挣得较开(2) Rb=4/(3Ts)二进制比特个数=64比特周期=3码元周期=4滚降系数=1有码间串扰(3) Rb=1/（2Ts）二进制比特个数=64比特周期=8码元周期=4滚降系数=1无码间串扰4 传输1000个随机的二进制比特，比特速率Rb =1/Ts，信噪比分别取1dB、5dB、10dB时，得到相应的恢复数字信息序列，基带系统分别为匹配滤波器形式和非匹配滤波器形式、滚降系数分别为0.3、0.8，画出发送数字信息序列和接收数字信息序列的星座图，根据星座图判断信息传输质量，计算此时的比特错误率。讨论信噪比、匹配滤波器和滚降系数对系统传输质量的影响。(1)匹配滤波器L=input(二进制比特个数=);%输入二进制比特个数Tb=input(比特周期=);%输入比特周期Ts=input(码元周期=);%输入码元周期Rb=1/Tb;%比特传输速率N=31;%滤波器阶数a=input(滚降系数=);%输入滚降系数SNR=input(信噪比=);%输入信噪比m=-(N-1)/2:(L*Tb-Tb+1+N-1-(N+1)/2);%发送滤波器输出序列横坐标显示范围n=-(N-1)/2:(N-1)/2;o=-N:L+(Tb-1)*(L-1)+N-3;%接收滤波器输出序列横坐标显示范围 an,dn=source(L,Tb);%生成信源序列dnhn,Hf,f=mf(N,Ts,a);%得到发送滤波器单位冲击响应xn=conv(hn,dn);%发送滤波器输入序列卷积发送滤波器单位冲击响应,得到发送滤波器输出序列n0=noise(SNR,xn,L,Tb,N);%产生噪声序列yn=n0+xn;%加入噪声后的序列rn0=conv(yn,hn);%接收滤波器输出序列rn=rn0(N:N+L+(Tb-1)*(L-1)-1);%从N开始判决bn=adjudge(L,Tb,rn);%bn为判决序列P=Pe(an,bn,L);sprintf(误码率：%2.2f%,P*100)%计算误码率 %画星座图scatterplot(xn,1,0);title(发送信号星座图);scatterplot(rn,1,0);title(接收信号星座图);输入为:二进制比特个数=1000比特周期=4码元周期=4信噪比1db滚降系数0.3 误码率：6.50%信噪比1db,滚降系数0.8 误码率：6.30%信噪比5db,滚降系数0.3 误码率：1.00%信噪比5db,滚降系数0.8 误码率：0.40%信噪比10db,滚降系数0.3 误码率：0.00%信噪比10db,滚降系数0.8 误码率：0.00%(1) 非匹配