《通信原理》实验指导书.doc

第一版前言目前国内高校通信原理实验多为两种途径：第一、利用通信仿真软件matlab进行通信仿真和设计，实验指导书为教师根据实验自行编制，如北邮。第二、购买通信试验箱，实验指导书随试验箱附送。该两种形式均不能很好的适应我校教学需要。第一种形式，由于matlab是脚本语言，所写通信仿真程序均需要在matlab环境下运行，运行时间长，故该种形式虽然通过编写通信程序代码，帮助学生理解了通信的原理，但运行效率不高，直观性不强，不能很好的激发学生到学习兴趣。第二种形式，由于采用了通信试验箱，硬件电路设计和程序多为试验箱制造商提供，实验形式多为验证性实验。故该种形式虽然实验结果直观，但是实验过后，学生对通信的原理并没有加深理解，特别是没有锻炼到学生的通信开发能力，实验效果不理想。根据软件系和信工系学生编程能力尤其是C语言编程能力强的特点，利用C语言来进行通信原理的实验，即可发挥软件和信工系学生的特点，又可使实验效果直观，运行效率高，且编写后的程序可以脱离编译环境独立运行，所有的程序都可以拥有自己的版权。笔者查询过目前国内其他高校还没有系统利用C语言进行通信原理实验的设计。因此笔者认为该实验指导书具有以下优势：第一：充分结合了软件和信工系的特色，即帮助学生充分理解通信原理，且效果直观，能很好的激发学生的积极性！第二：能形成自己的知识产权，产品通过网络发布后，能扩大学校信息工程专业的知名度。 作为一种尝试，本书在叙述清楚实验原理的前提下采用C或C+语言进行实验，实验内容分为两部分，第一部分为调制部分，第二部分为编码部分：此次撰写工作得到了东华理工大学长江学院教务处的大力支持，在此表示衷心的感谢！东华理工大学长江学院信息与科学工程系和通信教研室也给予了大力支持，在此表示感谢！另外，也要对对参与此书程序设计部分的06信息工程的邱婷婷、徐志远、曹旺，08网络工程的苏元、杨智、涂斌建同学表示感谢！最后，希望此书的撰写能够激发学生学习通信原理的兴趣！ 笔者 2010年5月于东华理工大学80 目 录第一版前言1实验一 AM调制信号的产生2实验二：双边带调制16实验三：单边带调制23实验四：2ASK调制33实验五 NRZ编码44实验六 PCM编码54实验七 汉明码62实验八 奇偶校验码78实验一 AM调制信号的产生一、实验目的加深理解AM调制的基本原理，掌握AM调制实现方法。二、实验原理调制的实质是进行频谱变换，经过调制后的已调波应当具备两个基本特征：一是携带基带信号的信息；二是适合信道传输。 线性调制的主要内容包括：调幅（AM）系统的调制、双边带(DSB)系统的调制和单边带(SSB)系统的调制三部分。 线性调制的已调信号可表示为 （1-1）式中为基带调制信号。设调制信号的频谱为，则由式（1-1）不难得到已调信号的频谱为： （1-2) 由以上表达式可见，在波形上，线性调制已调信号的幅度随基带信号变化而呈正比的变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。 标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM）。假设调制信号的平均值为0，将其叠加一个直流偏量后与载波相乘（图1-1），即可形成调幅信号。其时域表达式为 （1-3）式中为直流分量，可以是确知信号，也可以是随机信号。图1-1 AM调制模式 若是确知信号，则AM信号的频谱为 （1-4） 其典型波形和频谱如图1-2所示图1-2 AM信号的波形和频谱 由波形可以看出，当满足条件: （1-5)时，AM波的包络与调制信号的波形完全一样，因此，用包络检波的方法很容易恢复出原始调制信号；如果上述条件没有满足，就会出现“过调幅”。现象，这时用包络检波将会发生失真。由频谱可以看出，AM 的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号时代有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的2倍,即 (2-6) AM信号在1电阻上的平均功率应等于的均方值。当为确知信号时，的均方值即为其平方的时间平均， 即 (2-7) 通常假设调制信号没有直流分量， 即 。因此 (2-8) 式中，= /2为载波功率，= /2为边带功率。 由此可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关。也就是说，载波分量不携带信息。即使在“满调幅” （=时，也称100调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。 三、实验步骤1) 打开Microsoft visual C+应用程序。2)点击菜单栏的file菜单下的new，弹出以下对话框： 选择“MFCAppwizard（exe）”，在右边的“project name”中输入项目的名称：AM，在“location”选择项目所在的路径点击“ok”，弹出以下对话框： 点击next，进入如下对话框 点击next，进入如下对话框： 点击“next”，弹出如下对话框：点击“Finish”，弹出： 点击“ok”，进入程序编写界面：3) 将“确定”、“取消”按钮，“TODO 在这里设置对话控制”文本框删除,添加三个Button按钮，分别为“基带信号波形”、“载波波形”、“AM波形”，如下图所示：4) 按“Ctrl+W”弹出“MFC ClassWizard”对话框。在IDs 列表中选中IDC-BUTTON1,在Messages框中找到并双击BN-CLICKED。如下图所示点击“OK”，然后单击“Edit Code”,在OnButton1()函数下添加如下代码：void CAMDlg:OnButton1() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC; pDC=GetDC(); CPen cpen,pen; pen.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen); /指定原点 pDC-SetViewportOrg(20,160); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); /绘制横坐标 for(int n=-1,nTmp=0;nTmpLineTo(60*n,0); pDC-LineTo(60*n,-5); pDC-MoveTo(60*n,0); pDC-MoveTo(0,0); /绘制纵坐标 for(n=-2,nTmp=0;nTmpLineTo(0,60*n); pDC-LineTo(5,60*n); pDC-MoveTo(0,60*n); CString a=基带信号波形; CString str = ; str.Format(%s,a); pDC-TextOut(20,100,str); double y,radian; pDC-SelectObject(&pen); for(int x=0;xMoveTo(int)x,(int)y); pDC-LineTo(int)x,(int)y); cpen.DeleteObject(); pen.DeleteObject();5）同理为“button2”、“button3”添加BN-CLICKED消息映射，并分别添加如下代码：void CAMDlg:OnButton2() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC;pDC=GetDC(); CPen cpen1,pen1; pen1.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen1.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen1); pDC-SetViewportOrg(420,160); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int m=-1,mTmp=0;mTmpLineTo(60*m,0); pDC-LineTo(60*m,-5); pDC-MoveTo(60*m,0); pDC-MoveTo(0,0); for(m=-2,mTmp=0;mTmpLineTo(0,60*m); pDC-LineTo(5,60*m); pDC-MoveTo(0,60*m); CString b=载波波形; CString str1 = ; str1.Format(%s,b); pDC-TextOut(120,100,str1); double y1,radian1; pDC-SelectObject(&pen1); for(int x1=0;x1MoveTo(int)x1,(int)y1); pDC-LineTo(int)x1,(int)y1); pen1.DeleteObject(); cpen1.DeleteObject(); void CAMDlg:OnButton3() / TODO: Add your control notification handler code hereCDC *pDC;pDC=GetDC( ); CPen cpen2,pen2; pen2.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen2.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen2); pDC-SetViewportOrg(20,460); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int p=-1,pTmp=0;pTmpLineTo(60*p,0); pDC-LineTo(60*p,-5); pDC-MoveTo(60*p,0); pDC-MoveTo(0,0); for(p=-2,pTmp=0;pTmpLineTo(0,60*p); pDC-LineTo(5,60*p); pDC-MoveTo(0,60*p); CString c=已调波形; CString str2 = ; str2.Format(%s,c); pDC-TextOut(20,120,str2); double y2,radian2; pDC-SelectObject(&pen2); for(int x2=0;x2MoveTo(int)x2,(int)y2); pDC-LineTo(int)x2,(int)y2); cpen2.DeleteObject(); pen2.DeleteObject(); 6)在“AMDlg.cpp”中添加头文件“#include math.h”和宏定义“#define PI 3.14”。4、实验结果编译后运行，得到结果如下所示：对照结果图分析可知：经AM调制后的已调信号波形的包络为基带信号的波形。符合AM调制的原理分析。实验二：双边带调制一、 实验目的加深理解DSB调制的基本原理，掌握DSB调制实现方法。二、 实验原理在AM 信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果在AM调制模型图1-1中将直流去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式抑制载波双边带信号（DSB-SC),简称双边带信号（DSB）。其时域表达式为 (2-1)式中，假设的平均值为0。DSB的频谱与AM 的频谱相近，只是没有了在处的函数，即 (2-2) 其典型波形和频谱如同2-1所示图2-1 DSB信号的波形和频谱 由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。另外，在调制信号的过零点处，高频载波相位有180的突变。 由频谱图可知，DSB信号虽然节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的问题。 DSB信号的包络不再与成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍， 即 （2-3）式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率三、实验步骤 1）、2）、3）同AM4）点击“OK”，然后单击“Edit Code”,在OnButton1()函数下添加如下代码：void CDSBDlg:OnButton1() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC;pDC=GetDC();CPen cpen,pen; pen.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen); /指定原点 pDC-SetViewportOrg(20,100); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); /绘制横坐标 for(int n=-1,nTmp=0;nTmpLineTo(60*n,0); pDC-LineTo(60*n,-5); pDC-MoveTo(60*n,0); pDC-MoveTo(0,0); /绘制纵坐标 for(n=-2,nTmp=0;nTmpLineTo(0,60*n); pDC-LineTo(5,60*n); pDC-MoveTo(0,60*n); CString a=基带信号波形; CString str = ; str.Format(%s,a); pDC-TextOut(20,100,str); double y,radian; pDC-SelectObject(&pen); for(int x=0;xMoveTo(int)x,(int)y); pDC-LineTo(int)x,(int)y); cpen.DeleteObject(); pen.DeleteObject(); void CDSBDlg:OnButton2() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC; pDC=GetDC(); CPen cpen1,pen1; pen1.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen1.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen1); pDC-SetViewportOrg(420,100); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int m=-1,mTmp=0;mTmpLineTo(60*m,0); pDC-LineTo(60*m,-5); pDC-MoveTo(60*m,0); pDC-MoveTo(0,0); for(m=-2,mTmp=0;mTmpLineTo(0,60*m); pDC-LineTo(5,60*m); pDC-MoveTo(0,60*m); CString b=载波波形; CString str1 = ; str1.Format(%s,b); pDC-TextOut(120,100,str1); double y1,radian1; pDC-SelectObject(&pen1); for(int x1=0;x1MoveTo(int)x1,(int)y1); pDC-LineTo(int)x1,(int)y1); cpen1.DeleteObject(); pen1.DeleteObject();void CDSBDlg:OnButton3() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC;pDC=GetDC(); CPen cpen2,pen2; pen2.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen2.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen2); pDC-SetViewportOrg(220,360); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int p=-1,pTmp=0;pTmpLineTo(60*p,0); pDC-LineTo(60*p,-5); pDC-MoveTo(60*p,0); pDC-MoveTo(0,0); for(p=-2,pTmp=0;pTmpLineTo(0,60*p); pDC-LineTo(5,60*p); pDC-MoveTo(0,60*p); CString c=DSB波形; CString str2 = ; str2.Format(%s,c); pDC-TextOut(20,120,str2); double y2,radian2; pDC-SelectObject(&pen2); for(int x2=0;x2MoveTo(int)x2,(int)y2); pDC-LineTo(int)x2,(int)y2); cpen2.DeleteObject(); pen2.DeleteObject();四、实验结果实验程序运行结果如下图2-2所示：图2-2 DSB调制波形图实验三：单边带调制一、 实验目的加深理解SSB调制的基本原理，掌握SSB调制实现方法。二、 实验原理DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。 1. 用滤波法形成单边带信号 产生SSB信号的最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤处不需要的边带，即可得到单边带信号。我们把这种方法称为滤波法。其原理框图如图3-1所示。图中的为单边带滤波器，将设计成具有理想高通特性或理想低通特性的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带信号时即为，产生下边带信号时即为。 图3-1滤波法SSB信号解调器 因此，SSB信号的频谱可表示为 （3-1） 图3-2为滤波法形成的SSB信号的频谱图3-2 滤波法形成的SSB信号的频谱 用滤波法形成SSB信号的技术难点是，由于一般调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤波器在fc附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级调制滤波的方法。 2. 用相移法形成单边带信号 SSB信号的时域表示式的推导比较困难，一般需借助希尔伯特变换来表述。但我们可以从简单的单频调制出发，得到SSB信号的时域表示式， 然后再推广到一般表示式。 设单频调制信号为，载波为， 两者相乘得DSB信号的时域表示式为 (3-2)保留上边带， 则 (3-3)把上、下边带合并起来可以写成 (3-4)式中，“-”表示上边带信号，“+”表示下边带信号。 可以看成是相移，而幅度大小保持不变。我们把这一过程称为希尔伯特变换，记为“”， 则 (3-5) 上述关系虽然是在单频调制下得到的，但是它不失一般性，因为任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。 因此，就可以得到调制信号为任意信号的SSB信号的时域表示式: (3-6) 式中，是的希尔伯特变换。若为的傅氏变换，则 的傅氏变换 为 (3-7) 式中符号函数 设 (3-8) 我们把称为希尔伯特滤波器的传递函数，由上式可知，它实质上是一个宽带相移网络，表示把幅度不变，所有的频率分量均相移 ，即可得到 。 由式（2-15）可画出单边带调制相移法的模型，如图2-6所示。 图 3-3 相移法形成单边带信号 相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作， 该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移/2，这一点即使近似达到也是困难的。为解决这个难题，可以采用混合法 。 综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为，只有AM、 DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。三、实验步骤 1）、2）、3）同AM4）点击“OK”，然后单击“Edit Code”,在OnButton1()函数下添加如下代码：void CSSBDlg:OnButton1() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC; pDC=GetDC(); CPen cpen,pen; pen.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen); /指定原点 pDC-SetViewportOrg(20,100); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); /绘制横坐标 for(int n=-1,nTmp=0;nTmpLineTo(60*n,0); pDC-LineTo(60*n,-5); pDC-MoveTo(60*n,0); pDC-MoveTo(0,0); /绘制纵坐标 for(n=-2,nTmp=0;nTmpLineTo(0,60*n); pDC-LineTo(5,60*n); pDC-MoveTo(0,60*n); CString a=基带信号波形; CString str = ; str.Format(%s,a); pDC-TextOut(20,100,str); double y,radian; pDC-SelectObject(&pen); for(int x=0;xMoveTo(int)x,(int)y); pDC-LineTo(int)x,(int)y); cpen.DeleteObject(); pen.DeleteObject();void CSSBDlg:OnButton2() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC; pDC=GetDC(); CPen cpen1,pen1; pen1.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen1.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen1); pDC-SetViewportOrg(420,100); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int m=-1,mTmp=0;mTmpLineTo(60*m,0); pDC-LineTo(60*m,-5); pDC-MoveTo(60*m,0); pDC-MoveTo(0,0); for(m=-2,mTmp=0;mTmpLineTo(0,60*m); pDC-LineTo(5,60*m); pDC-MoveTo(0,60*m); CString d=载波波形; CString str1 = ; str1.Format(%s,d); pDC-TextOut(120,100,str1); double y1,radian1; pDC-SelectObject(&pen1); for(int x1=0;x1MoveTo(int)x1,(int)y1); pDC-LineTo(int)x1,(int)y1); cpen1.DeleteObject(); pen1.DeleteObject();void CSSBDlg:OnButton3() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC; pDC=GetDC(); CPen cpen2,pen2; pen2.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen2.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen2); pDC-SetViewportOrg(20,320); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int p=-1,pTmp=0;pTmpLineTo(60*p,0); pDC-LineTo(60*p,-5); pDC-MoveTo(60*p,0); pDC-MoveTo(0,0); for(p=-2,pTmp=0;pTmpLineTo(0,60*p); pDC-LineTo(5,60*p); pDC-MoveTo(0,60*p); CString c=上边带波形; CString str2 = ; str2.Format(%s,c); pDC-TextOut(20,100,str2); double y2,radian2; pDC-SelectObject(&pen2); for(int x2=0;x2MoveTo(int)x2,(int)y2); pDC-LineTo(int)x2,(int)y2); cpen2.DeleteObject(); pen2.DeleteObject();void CSSBDlg:OnButton4() / TODO: Add your control notification handler code here CDC *pDC; pDC=GetDC(); CPen cpen3,pen3; pen3.CreatePen(PS_SOLID,3,RGB(0,0,0); cpen3.CreatePen(PS_SOLID,2,RGB(0,0,255); pDC-SelectObject(&cpen3); pDC-SetViewportOrg(420,320); pDC-SetTextColor(RGB(0,0,255); for(int q=-1,qTmp=0;qTmpLineTo(60*q,0); pDC-LineTo(60*q,-5); pDC-MoveTo(60*q,0); pDC-MoveTo(0,0); for(q=-2,qTmp=0;qTmpLineTo(0,60*q); pDC-LineTo(5,60*q); pDC-MoveTo(0,60*q); CString b=下边带波形; CString str3 = ; str3.Format(%s,b); pDC-TextOut(120,100,str3); double y3,radian3; pDC-SelectObject(&pen3); for(int x3=0;x3MoveTo(int)x3,(int)y3); pDC-LineTo(int)x3,(int)y3); cpen3.DeleteObject(); pen3.DeleteObject();其运行结果如下图3-4所示： 图3-4 SSB调制过程波形图实验四：2ASK调制一、 实验目的加深理解2ASK调制的基本原理，掌握2ASK调制实现方法。二、 实验原理 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为 (4-1) 其中: Ts是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲: 则二进制振幅键控信号可表示为 (4-2) 二进制振幅键控信号时间波型：如图 4-1所示。 2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。 图 4-1 二进制振幅键控信号时间波型 二进制振幅键控信号的产生：如图 4- 2 所示，图(a)是采用模拟相乘的方法实现， 图(b)是采用数字键控的方法实现。图 4-2二进制振幅键控信号调制器原理框图 2ASK信号采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，其相应原理方框图如图4 - 3 所示。图 43 二进制振幅键控信号解调器原理框图 2ASK信号非相干解调过程的时间波形：如图 4 - 4 所示。图 4 - 4 2ASK信号非相干解调过程的时间波形三、实验步骤1) 打开Microsoft visual C+应用程序。2)点击菜单栏的file菜单下的new，弹出以下对话框：选择“MFCAppwizard（exe）”，在右边的“project name”中输入项目的名称：2ASK，在“location”选择项目所在的路径点击“ok”，弹出以下对话框：点击OK，进入如下对话框点击next，进入如下对话框点击next，进入如下对话框： 点击“next”，弹出如下对话框：点击“Finish”，弹出：点击“ok”，进入程序编写界面：3)将“确定”、“取消”按钮，“TODO 在这里设置对话控制”文本框删除，点击工具箱中“Aa”添加一个文本框。鼠标右键点击“static”文本框，在弹出的菜单选择“properties”得到如下对话框： 在“caption“对话框中输入“电平”,关闭对话框。然后添加“载波波形”和“2ASK波形”按钮. 4) 按“Ctrl+W”弹出“MFC ClassWizard”对话框。在I