通信原理教程-使用MATLAB仿真与分析（第2版）实验大纲

实验大纲开课学院：电气工程学院开课校区：犀浦开课实验（室）中心：电气工程实验中心课程名称：通信原理CourseName（英文名称）：Communicationprinciple课程代码：ELEC012112课程类别：专业基础课程性质：必修课程学分：3实验学分：0.5实验学时：16实验项目数：8（必开）适用学科专业:电子信息工程先修课程：信号与系统撰写人：向军 撰写日期：2024-8 审核人：一、实验简介本课程全面介绍模拟和数字通信的基本原理，使学生系统地掌握模拟和数字信息传输的基本原理、数字和模拟通信系统中采用的基本调制技术，掌握调制信号和各种已调信号的时域和频域分析方法，掌握模拟信号的数字化和数字基带传输技术，了解信息传输过程的主要技术问题及其分析方法，了解通信系统的主要技术指标及相关概念。通过课程实验，培养学生理论联系实际的能力，巩固和加深对理论知识的理解，掌握基本的通信理论和调制解调技术，训练通信和信息传输系统的分析和综合能力，培养分析和解决实际问题的能力以及协同合作的实践能力。二、实验教学任务及要求实验教学是以培养学生掌握基本实验技能、强化动手和解决问题的能力、树立科学严谨的思维与态度作为基本任务。学生应基于实验中心实验教学管理系统预习有关实验内容、认真参加实验并遵守实验室相关规定，要求学生认真完成每一个实验过程，熟悉MATLAB的功能和使用方法，掌握实验数据观测和分析的基本方法和技能。由指导教师讲清实验的基本要求及安全事项，由学生独立操作完成；每个实验小组1人，每个实验项目1讲（2节课）；熟悉MATLAB/Simulink的功能和使用方法；能结合理论教学内容建立仿真模型，并对基本的调制解调过程及其性能进行仿真分析；能准确完整观测实验数据，分析绘制相关波形和频谱；能独立整理分析实验数据，规范、清晰、完整地完成实验报告。三、考核方式实验成绩占课程总成绩20%，实验总评成绩由以下3部分组成：出勤及课堂表现（20%）：根据出勤和课堂讨论进行评定，满分20分，缺勤3次及以上计0分；实验报告（60%）：每项实验报告根据评分标准进行评定，共8次，最后取平均分，满分60分；期终测验（20%）：根据测验题目考察学生平时完成实验的情况，由测验评分标准评定，满分20分。四、实验教材/讲义教材/讲义名称编者出版社出版（编写）时间教材/讲义通信原理实用教程——使用MTALAB仿真与分析向军清华大学出版社2022.6教材五、实验内容安排和具体要求（一）教学内容及要求1.软件认识实验：（1）项目代码：

（2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

验证性

（5）必开/选开：

必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：利用MATLAB相关图符搭建一个基本的锁相环路仿真模型，仿真运行后观察各点信号的时间波形和频谱。通过实验，了解MATLAB软件的基本用法，了解Simulink通信工具箱和DSP系统工具箱中的常用模块。2.单边带调制解调仿真设计实验：（1）项目代码：

（2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：

必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：根据滤波法实现单边带调制的原理，在Simulink中搭建单边带调制仿真及相干解调的仿真模型，观察调制和解调器各点信号的时间波形和频谱，并对单边带调制传输系统的抗噪声性能进行仿真分析。通过实验，掌握在MATLAB中搭建模拟幅度调制解调仿真模型的基本方法，能够熟练使用接收计算器观察和分析仿真结果。3.模拟调频传输系统仿真设计实验：（1）项目代码：

（2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：

必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：利用Simulink通信工具箱中的相关模块搭建仿真模型，观察FM信号的时间波形和带宽，并对FM信号的非相干解调过程进行仿真分析。通过实验，掌握MATLAB软件中搭建FM调制解调仿真模型的基本方法，熟悉模拟调幅和调频传输性能上的区别。4.均匀量化编译码仿真设计实验：（1）项目代码：

（2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：搭建一个简单的数字化传输系统仿真模型，对抽样、均匀量化和线性编译码过程进行仿真。通过仿真运行，对实验波形和结果数据进行分析比较。5.PCM编译码仿真设计实验：（1）项目代码：

（2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：

必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：搭建低通抽样、A律13折线近似非均匀量化和非线性PCM编译码传输系统模型。通过对仿真波形观察和数据分析，熟悉PCM编译码传输的过程和特点。6.数字基带信号编译码仿真设计实验：（1）项目代码： （2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：搭建仿真模型，产生任意占空比的单极性归零码和AMI码基带信号，并对其性能进行分析比较。通过实验，掌握常用的各种数字基带信号编译码规则及其特性。7.数字基带传输系统仿真及眼图观察实验：（1）项目代码：

（2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：

必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：通过实验仿真分析，了解数字基带传输系统的基本组成及传输过程；掌握码间串扰和噪声对数字基带传输的影响；学会用眼图分析和评价数字基带传输系统的性能。8.2DPSK调制解调仿真设计实验：（1）项目代码： （2）实验学时：

2.0

（3）每组人数：

1（4）项目类型：

综合性

（5）必开/选开：必做（6）设备名称及台套数：序号设备名称型号规格台套数1电脑安装好MATLAB软件及相关工具箱1（7）主要耗材：序号耗材名称型号规格备注1鼠标键盘等无1（8）实验内容简介：通过仿真模型的搭建和运行结果分析，熟悉DPSK传输的基本原理和特点，掌握各种基本的二进制数字调制解调原理和性能特点。（二）自学内容和要求1、实验前预习理论课程教材中的相关内容；2、预习实验讲义（课程教材中的相关章节），熟悉实验的目的、基本原理及实验步骤，了解实验报告需要完成的内容。实验1软件认识实验一、实验目的1.了解MATLAB的基本功能及用法。2.掌握MATLAB编程进行信号与系统仿真分析的基本方法。3.掌握Simulink模型仿真的基本步骤和方法。二、实验内容搭建如图1-1所示仿真模型，运行后观察分析各信号的时间波形和功率谱。图1-1实验1模型三、实验步骤1.实验预习（1）安装好MATLAB软件，并结合教材1.4节，了解MATLAB软件的基本功能和Simulink系统建模仿真的基本方法；（2）预习教材2.6节，熟悉Simulink中Scope（示波器）和SpectrumAnalyzer（谱分析仪）模块的基本使用和操作；（3）借助MATLAB帮助文档，了解Simulink基本模块的使用及参数设置；（4）在Simulink窗口中打开库浏览器，在其中搜索查找图1-1模型中的各模块，了解其所在的子库位置；（5）借助MATLAB帮助文档，了解图1-1中各模块的功能、使用方法及参数设置。2.进入Simulink模型编辑器窗口，搭建图1-1所示模型，其中各主要模块的参数设置如下：SineWave模块：产生幅度为1V、频率为100Hz的正弦波，采样间隔设为0.1ms;DigitalFilterDesign模块：最小阶巴特沃斯低通滤波器，通带和阻带截止频率分别为50Hz和60Hz，通带和阻带衰减分别为0.1dB和50dB。Relay模块：“开启点”和“关闭点”参数设为默认值eps。3.分别设置Relay模块打开和关闭时的输出为1和1、1和0、1和-1，由示波器观察3种情况下模型中各信号的时间波形，比较其区别。4.观察上述3种情况下x(t)和滤波器输出信号功率谱的区别。提示：在观察时间波形和功率谱时，必须结合理论知识对图形做适当缩放，以便观察期望的结论！5.根据功率谱分析验证步骤（5）中3种情况下的时间波形。四、实验报告1.时间波形分析对步骤3中3种情况下的时间波形进行分析2.功率谱分析对步骤4中各信号的功率谱进行分析，并据此验证对应的时间时间波形。3.实验收获和体会总结实验过程中的收获体会、培养的能力、达到的教学效果、……

实验2单边带调制解调仿真设计实验一、实验目的1.熟悉单边带调制解调的基本原理及性能。2.掌握利用Simulink模型实现单边带调制解调过程仿真的基本方法。3.掌握Simulink模型中信号和噪声功率及信噪比测量的基本方法。二、实验内容搭建如图2-1所示Simulink模型，实现任意基带信号的USB和LSB调制及解调过程仿真及解调器输入输出信噪比的测量。图2-1实验2模型三、实验步骤1.实验预习（1）复习DSB和SSB调制解调的基本原理及系统组成；（2）调试教材例3-14，观察分析运行结果。2.搭建图2-1所示模型，其中RandomIntegerGenerator模块产生速率为100baud的8进制随机整数，经过21阶巴特沃斯带通滤波后（阻带衰减80dB）得到频率范围为50~100Hz的模拟信号，作为基带信号。3.根据原理设计其中的调制和解调子系统，并根据实验内容中的数据，分析确定各模块的参数。4.运行模型，观察分析比较USB和LSB信号的时间波形和频谱，观察解调结果是否正确。5.参考教材例3-14，添加模块和子系统，实现USB解调输入输出信噪比的测量。6.设置AWGNChannel模块的SNR参数为0dB、10dB、100dB，观测解调器输入、输出信号和噪声的平均功率、解调器输入输出信噪比及信噪比增益，并与理论值进行比较分析。四、实验报告1.模型参数设置列表总结步骤3中各模块的参数。2.运行结果及分析总结步骤4中的运行结果，并结合理论知识对其进行分析。3.USB解调器信噪比的测量（1）步骤5中的子系统模型分析说明及主要模块参数设置（2）列表总结步骤6中的结果数据，并进行简要分析。4.实验收获和体会

实验3模拟调频传输系统仿真设计实验一、实验目的1.熟悉模拟调频及解调的基本原理及性能。2.掌握利用Simulink模型实现调频传输系统仿真和性能分析的基本方法。二、实验内容搭建如图3-1所示Simulink模型，实现FM信号特性分析及调制解调过程观察。模型中，RandomIntegerGenerator和带通滤波器产生随机基带信号，再利用FMModulatorPassband模块实现调制得到FM信号，利用FMDeodulatorPassband模块实现解调。图3-1实验3模型三、实验步骤1.实验预习（1）复习FM调制解调的基本原理；（2）预习教材3.6.3节，并借助MATLAB帮助文档，熟悉FMModulatorPassband和FMDeodulatorPassband模块的功能、用法及参数设置；（3）调试教材例3-16，了解基带调制和带通调制的基本概念。2.搭建图3-1所示模型，模型中各模块的参数按图3-2进行设置。3.根据上述参数设置，分析基带信号是什么信号，计算FM信号的调频指数和带宽。4.仿真运行，观察各信号的时间波形，并观察解调输出是否正确。5.观察基带信号和FM信号的频谱，注意将谱分析仪模块设置为观测RMS。6.由谱分析仪确定FM信号的带宽，并与理论计算结果（卡森公式）进行比较。图3-2各模块参数设置7.修改各模块的参数，观察分析FM信号的带宽变化：（1）RandomIntegerGenerator模块的Setsize参数修改为4；（2）带通滤波器的通带频率2和阻带频率2分别修改为400Hz和410Hz，同时注意调节Setsize参数，使得基带信号的最大幅度保持不变；（3）调制器模块的Frequencydeviation修改为400。四、实验报告1.FM时间波形和频谱分析对步骤4~6中的观测结果进行总结分析。2.模块参数对FM信号带宽的影响列表总结步骤7中观测到的FM信号带宽，并对观测结果进行理论分析，总结各模块参数对FM信号带宽的影响。3.实验收获和体会

实验4均匀量化编译码仿真设计实验一、实验目的1.熟悉模拟信号抽样量化编码过程的基本原理和性能。2.掌握利用Simulink模型实现模拟信号数字化过程的仿真及性能分析。二、实验内容搭建如图4-1所示Simulink模型，实现模拟信号的抽样量化编译码、译码和重构，并添加模块实现量化信噪比的测量。（a）顶层模型（b）抽样量化编码子系统（c）译码和重构子系统图4-1实验4模型三、实验步骤1.实验预习（1）复习模拟信号的抽样、量化和编码的基本概念及量化信噪比；（2）调试教材例4-10，熟悉其中的主要模块及其参数设置方法。2.搭建图4-1所示模型，其中各主要模块的参数设置如表4-1所示。3.设置适当的仿真运行时间，观察模拟信号各抽样时刻的幅度及对应的编码输出，观察重构输出波形是否有失真。表4-1模块参数设置模块参数功能及说明UniformRandomNumber最小值：-1最大值：1采样时间：0.01产生均匀分布的随机整数序列AnalogFilterDesignDesignmethod：ButterworthFiltertype：LowpassFilterorder：8Passbandedgefrequency：200*pi对整数序列滤波后得到均匀分布的随机模拟信号Zero-OrderHold采样时间：1e-3模拟信号的抽样UniformEncoderPeak：1Bits：4Outputtype：Unsignedinteger均匀量化编码UniformDecoderPeak：1Bits：4Outputtype：double均匀量化译码IntegertoBitConverter、BittoIntegerConverter每个整数的位数：4将输入值视为：Unsigned输出位顺序：MSB有限编码输出整数<->二进制编码BufferOuntputbuffersize：1并/串转换Buffer1Ountputbuffersize：4串/并转换4.参考教材例4-10，搭建量化信噪比测量子系统，实现上述模拟信号的抽样量化，并测量最大量化信噪比。5.修改模型中相关模块的参数，观测量化编码位数分别为6、8、12时的量化信噪比。6.观测不同编码位数时编码输出代码序列的码元速率。四、实验报告1.抽样量化编码过程仿真总结步骤3的观察结果，病症各信号时间波形进行分析。2.量化信噪比的测量列表总结步骤5的观测结果，并归纳总结量化信噪比与编码位数之间的关系。3.编码输出码元速率对步骤6的观测结果进行理论计算和分析验证。4.实验收获和体会

实验5PCM编译码仿真设计实验一、实验目的1.熟悉PCM编码的基本原理、A律13折线近似编译码方法。2.掌握实现A律13折线近似PCM编译码的程序编制方法。二、实验内容编制MATLAB程序，实现PCM编码和译码，观察和分析运行结果。下面对编写MATLAB程序的基本原理做一个简要介绍。PCM编码是针对A律压缩特性非均匀量化的一种折叠码编码，其基本过程是：先对抽样值进行A=87.5的A律压缩，再对其进行8位均匀量化折叠码编码。1.压缩特性编码之前，首先需要确定量化范围-M~+M，然后将抽样值相对于量化范围进行归一化，并根据归一化值进行A律压缩，再去归一化得到压缩后的抽样值电平。也可以将教材式（4-12）的压缩特性先去归一化，然后对抽样值直接进行压缩。压缩过程可以编写为一个MATLAB函数。2.均匀量化编码对抽样值的压缩输出进行8位均匀量化折叠码编码。对折叠码编码，应该对压缩输出取绝对值后进行7位均匀量化编码，得到段落码和段内码，再和极性码拼接得到8位编码。（1）7位均匀量化编码取绝对值后，压缩输出的电平位于0~+M范围内，将该范围等分为27个量化区间。均匀量化编码时，只需要确定压缩器输出位于哪个量化区间，量化区间的序号即为十进制形式的编码输出。（2）极性码根据原始抽样值的正负确定极性码p=0或1,。对十进制整数形式的编码，只需要再将其叠加上p´27=128即可。（3）二进制编码输出根据上述步骤得到的PCM编码为十进制整数，再调用MATLAB中的内置函数int2bit()即可转换为二进制代码序列，从而得到PCM编码。上述均匀量化编码过程可以编写为另外一个MATLAB函数。三、实验步骤1.实验预习（1）复习非均匀量化和PCM编译码的原理；（2）调试或分析教材例4-11，了解利用Simulink模型实现PCM编译码的基本方法。2.在主程序中设置量化范围M=4，并任意给定抽样值x。3.根据实验内容中介绍的原理，编写压缩特性实现函数，该函数的声明为：y=Acom(x,M)。在主程序中调用，并将运行结果与理论计算结果进行比较。4.根据实验内容中介绍的原理，编写均匀量化编码函数code=PCMCode(y,M)，在主程序中调用后验证编码结果。5.在量化范围内给定抽样值为任意的正负值，观察程序运行结果，并与教材上介绍的PCM手工编码结果进行比较。四、实验报告1.压缩特性实现函数对步骤3中编写的函数进行分析说明。2.均匀量化编码函数对步骤4中编写的函数进行分析说明。3.运行结果分析对步骤5中的运行结果和分析结论进行总结。4.实验收获和体会

实验6数字基带信号编译码仿真设计实验一、实验目的1.熟悉常用的数字基带信号编译码方法，各种码型基带信号的时域和频域特性。2.掌握利用MATLAB程序实现常用的数字基带信号编译码的基本方法。3.掌握利用MATLAB程序实现常用的数字基带信号频域特性观测的基本方法。二、实验内容参考下列代码，编制程序实现密勒码和CMI码的编译码，并观测其频域特性。N=200; %为计算功率谱，码元个数要足够多x=round(rand(1,N)); %产生随机原始代码序列man=ManchCode(x); %数字双相码编码%==============================================================%绘制时间波形%==============================================================N0=100;M=N*N0; %每个码元采样点数，总采样点数T=0.001;Ts=T/N0; %码元间隔,采样间隔t=0:Ts:N*T-Ts; %产生时间向量fori=1:N %对各信号波形进行采样 forj=1:N0 xs((i-1)*N0+j)=x(i); if(j<=(N0/2)) mans((i-1)*N0+j)=man(2*i-1); else mans((i-1)*N0+j)=man(2*i); end endendsubplot(211);plot(1000*t,zeros(1,length(t)),1000*t,xs);title('原始代码序列');gridon;axis([0,10,-0.1,1.1])subplot(212);plot(1000*t,zeros(1,length(t)),1000*t,mans);title('数字双相码');gridon;axis([0,10,-1.1,1.1])xlabel('t/ms')%==============================================================%求功率谱%==============================================================L=length(t);df=1/(L*Ts); %FFT点数，%频谱分辨率f=df*([0:L-1]-L/2); %频率向量，以便绘制频谱图F0=fftshift(fft(mans,L)/L); %求数字双相码基带信号的频谱figureplot(f,20*log10(abs(F0))) %绘制功率谱图axis([-2000,2000,-60,10]);gridon%==============================================================%数字双相码（曼彻斯特码）编码%每个原始代码转换得到2位曼彻斯特码%==============================================================functiony=ManchCode(x) N=length(x); y=zeros(1,2*N); fori=1:N if(x(i)==1) y(2*i-1)=1;y(2*i)=-1; %负跳变表示1码 else y(2*i-1)=-1;y(2*i)=1; %正跳变表示0码 end endend三、实验步骤1.实验预习（1）复习各种基带信号的编码规则及特点；（2）调试并分析上述程序的运行结果。2.编写函数y=MileCode(x)，y=CmiCode(x)，并在上述代码中调用，以实现密勒码和CMI码编码。3.补充程序代码，计算和绘制密勒码和CMI码基带信号的功率谱，并与数字双相码的功率谱图进行比较。四、实验报告1.数字基带信号的编码（1）对步骤2中的两个函数进行分析说明，注意灵活运用注释、程序流程图等表达方式。（2）对程序运行结果中，3种数字基带信号的时间波形进行分析说明。2.数字基带信号的功率谱（1）对步骤3中补充的部分程序代码进行介绍。（2）比较3种数字基带信号功率谱的特点。3.实验收获和体会

实验7数字基带传输系统仿真及眼图观察实验一、实验目的1.熟悉数字基带传输系统的基本组成及传输过程。2.掌握利用Simulink模型实现数字基带传输过程仿真和性能分析的基本方法。3.掌握码间串扰和噪声对数字基带传输的影响，了解眼图及其应用。二、实验内容假设码元速率为1kBd，搭建仿真模型，实现数字基带传输系统的仿真及眼图观察。图7-1实验7模型三、实验步骤1.实验预习（1）复习教材第5章，熟悉数字基带传输系统的基本组成和数字基带传输过程；（2）熟悉成形网络的基本组成，掌握升余弦滤波器的功能和特性；（3）调试教材例5-14和例5-14；（4）搭建图7-1所示仿真模型，熟悉其中主要模块的作用；（5）结合教材例5-14和例5-15，总结模型中各模块的主要参数设置及各参数之间的相互关系。2.设置模型中各模块的参数如表7-1所示。观察无码间干扰和信道噪声时各信号的时间波形和眼图，结合理论分析此时有无码间干扰。注意合理设置眼图模块的参数。3.观察升余弦滤波器的幅频特性和单位冲激响应，注意在滤波器可视化工具窗口中正确设置采样频率和分析参数。表7-1模块参数设置模块参数功能及说明BernoulliBinaryGeneratorSampletime：0.001s产生随机二进制代码序列UnipolartoBipolarConverterM-arynumber：2单-双极性转换RaisedCosineTransmitFilterFiltershape：NormalRollofffactor：1Filterspaninsymbol：10Outputsamplespersymbol：10升余弦发送滤波器AWGNChannelMode：SNRSNR：100dB信道（引入噪声）LowpassFilterFiltertype：FIRPassbandedgefrequency：1000Stopbandedgefrequency：1100Inputamplerate：1e4低通滤波器，模拟