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1、第 1 页信息与通信工程学院通信原理软件实验报告第 2 页实验二 时域仿真精度分析一、实验目的1. 了解时域取样对仿真精度的影响2. 学会提高仿真精度的方法二、实验原理一般来说，任意信号 s(t)是定义在时间区间(-无穷，+无穷 )上的连续函数，但所有计算机的 CPU 都只能按指令周期离散运行，同时计算机也不能处理这样一个时间段。为此将把 s(t)按区间 -T/2 ,+T/2 截短为按时间间隔 dert T 均匀取样，得到的取样点数为N=T/dert T.仿真时用这个样值集合来表示信号 s(t)。Dert T 反映了仿真系统对信号波形的分辨率，越小则仿真的精确度越高。据通信原理所学，信号被取样
2、以后，对应的频谱是频率的周期函数，其重复周期是 1/t;。如果信号的最高频率为那么必须有 才能保证不发生频域混叠失真，这是奈奎斯特抽样定理。设则称 为仿真系统的系统带宽。如果在仿真程序中设定的采样间隔是 ，那么不能用此仿真程序来研究带宽大于这的信号或系统。换句话说，就是当系统带宽 一定的情况下，信号的采样频率最小不得小于 2*Bs，如此便可以保证信号的不失真，在此基础上时域采样频率越高，其时域波形对原信号的还原度也越高，信号波形越平滑。也就是说，要保证信号的通信成功，必须要满足奈奎斯特抽样定理，如果需要观察时域波形的某些特性，那么采样点数越多，可得到越真实的时域信号。三、实验步骤1.将正弦波发
3、生器模块、示波器模块、时钟模块按下图连接：第 3 页四、实验结果对比分析时钟设置 0.01，得到的结果如下：时钟设置 0.3，以后得到的结果如下：第 4 页5、思考题（1）观察分析两图的区别，解释其原因。答：因为信号周期是 1，而第一个图的采样周期是 0.01，所以一个周期内能采样100 个点，仿真出来的波形能较精确地显示成完整波形，而第二个图采样周期是 0.3，所以一个周期内只有三个采样点，故信号失真了。（2）将示波器的控制时钟的 period 的参数改为 0.5，观察仿真结果，分析其原因。结果如下：第 5 页可见，此时根本没有信号显示了。此时的采样周期是 0.5，而信号周期是 1，所以采样
4、点变成了原始信号的零点，并且零点连接成了一条直线，故看起来就像没有信号了一样。实验三 频域仿真精度分析一、实验目的 理解 DFT 的数学定义及物理含义；学会应用 FFT 模块进行频谱分析；进一步加深对计算机频域仿真基本原理以及方法的学习掌握。二、实验原理在通信系统仿真中，经常要用有限长序列来模拟实际的连续信号，用有限长序列的 DFT来近似实际信号的频谱。DFT 只适用于有限长序列，在进行信号的频谱分析时，它的处理结果会含有一定的偏差。下面分析一下 DFT 对信号频谱分析的影响。第 6 页注意处理好时域混叠和频域混叠；注意频谱泄露。三、实验步骤1、将正弦波发生器 （sinusoid genera
5、tor） 、触发时钟（CLOCK_c）和频谱示波器模块按下图连接。四、实验结果1、输入缓冲区大小为 4096，窗口类型:1第 7 页2、输入缓冲区大小为 40960 窗口类型：1第 8 页3、输入缓冲区大小为 40960，窗口类型：3结论：窗函数的类型和宽度是影响插值 FFT 算法分析精度的主要原因这里的宽度体现为FFT size，也就是讲义中所说的 size of input buffer。 当窗口类型一致的情况下，FFT size 越大，得到的频谱的谐波分量越多，频谱主瓣变得很尖锐；而 FFT size 一致的时候，窗口类型对频谱的影响不太大，主瓣宽度基本一致，幅度基本一样，谐波分量也基本
6、一样。但是，这些都有不同程度的频谱泄露现象，只是加窗不同，对泄露的处理结果也就不同。也就是说，FFT size 是主要影响因素。5、思考题（1）对于同一正弦信号，观察图 5.14、图 5.15 中所示频谱图的不同，分析其原因。答：这个主要是因为 FFT size 的不同引起的，窗口宽度加宽的时候，就不会有更多的谐波分量被滤掉，导致频谱高频谐波分量的增加。（2）观察图 5.15、图 5.16 所示频谱图的不同，解释其原因。答：频谱的主瓣宽度增加，高频谐波分量减少。原因就是，采用了不同的窗函数，不同的窗函数对信号的滤波特性是不一致的。（3）将 FFT 模块中的参数 Type of window 改
7、成 2 和 4，观察仿真结果第 9 页的变化，解释其原因。输入缓冲区大小为 4096，TYPE OF WINDOW=2输入缓冲区大小为 4096，TYPE OF WINDOW=4第 10 页输入缓冲区大小为 40960，TYPE OF WINDOW=2输入缓冲区大小为 40960，TYPE OF WINDOW=4答：频谱变得越来越平滑，主要是因为滤去了更多的谐波分量。第 11 页实验五 取样和重建一、实验目的了解取样定理的原理，取样后的信号如何恢复原信号；了解取样时钟的选取。二、实验原理数字信号是通过对模拟信号进行采样、量化和编码得到的，模拟信号是时间和幅度都连续的信号，记作 x(t)。采样的
8、结果是产生幅度连续而时间离散的信号，这样的信号常被称为采样数据信号。原理如下：低通采样定理：如果采样频率 ，那么带限信号就可以无差错地通过其采样信号恢复。模型：具体原理见讲义。在满足采样定理条件的情况下，初始输入信号可以从这些抽样值中恢复出来。三、实验步骤1. 脉冲信号产生器（Pulse generator, 来自 Scicom_sources 元件库） 、正弦波发生器（sinusoid generator） 、模拟低通滤波器（analog low pass filter） 、直流发生器 DC、触发时第 12 页钟（CLOCK_c） 、乘法器、示波器模块（ MScope） 、频谱示波器（ FF
9、T）模块按下图连接。四、实验结果：时域仿真波形：第 13 页FFT（1 ）取样信号频谱：FFT(2)重建信号的频谱：第 14 页取样信号放大频谱图：第二次验证：实验参数的设置，脉冲发生器高电平时间 0.1，常数 5；时域仿真波形第 15 页FFT（1 ）取样信号频谱FFT（2 ）重建信号频谱：第 16 页取样信号频谱放大：五、思考题（1） 分析图 5.27、5.28 中的（b）图有何区别，并解释其原因。答：图 5.27 中的（b）图比图 5.28 中的（b）图的趋势平坦，这可根据式（5.20）看出，对时间连续信号的采样导致了信号频谱在直流（f=0）点和所有采样点的谐波处（f=nfs）产生重复，
10、因为图 5.27 的采样信号的占空比较小，更接近冲激信号，所以对频谱的加权更接近，而图 5.28 用采样脉冲 p(t)的傅里叶级数展开的相应系数对变换后的信号频谱做了加权。（2）观察图 5.27 中信号时域采样后 ，其对应的频谱周期延拓现象，其周期是多少？答：图频谱是两根相邻的冲击谱线以 4Hz 的采样间隔周期延拓，其原理是 ，取样信号的频谱是以取样频率将原信号频谱进行周期延拓。（3） 观察并对照表 5.9、表 5.10 两组参数设置下出现的不同仿真现象，结合信号与系统相关理论分析不同采样函数占空比对信号频谱的影响。第 17 页答：采样函数占空比越大,采样函数频谱为 SA 函数的叠加，相邻两个
11、 SA 函数影响越大，采样过后的信号的频谱更不平稳,。实验七 SSB 调制与解调（模块）一、实验目的 了解产生 SSB 调制的基本原理；了解 SCICOS 中的超级模块；了解利用相干解调法解调幅度调制信号的方法。二、实验原理SSB 调制SSB AM 产生方法一：SSB AM 产生方法二：单边带调制信号表达式为：SSB 解调用相干解调或同步解调来还原幅度调制信号。其解调框图如下： 第 18 页如图 5.45 所示，载波应该提取自输入信号，通过平方环法或 COSTAS 环方法提取。由于这次实验是验证解调方法，假定已经获得了解调所用的载波的频率，所以直接使用调制端正弦波发生器产生的载波信号充当解调载
12、波。三、实验步骤SSB 调制（1）将正弦波发生器（ sinusoid generator ） 、组合希尔伯特变换器（来自Scicom_signalprocess 元件库） 、组合移相器（来自 Scicom_signalprocess 元件库） 、加法器模块、乘法器模块、触发时钟（CLOCK_c ） 、示波器模块(MScope)、和频谱示波器（FFT）模块下图连接。 第 19 页4、实验结果频谱图：时域图：第 20 页（2）SSB 调制:SSB 解调过程按其解调原理可得解调示例系统如下图所示：实验结果：第 21 页频谱图：第 22 页五、思考题：1. SSB 信号的特点是什么？答：只有上边带或者
13、只有下边带，最窄的传输带宽，信道利用率最高。相比于 DSB 信号，SSB 信号只用了一半的带宽就能反应出完整的原信号的信息，而如果基带 m(t)是余弦信号，则 SSB 信号也是余弦信号，不能使用非相干解调的方法对其进行解调，其频谱也是一个冲激，而 DSB 信号的冲激为两个。2. 实验步骤 5 的参数之间有什么关系？为什么？改变参数值，配合实验加以解释。答：希尔伯特变换的取样点数记为 n，period 参数为 t，而进行一次希尔伯特变换计算的时间周期为 T=n*t。如果 T=NT1(T1 则是输入信号周期 )，则希尔伯特变换的结果较为精确，步骤（5）中 period 为 1/2048，取样点数为
14、 2048，所以 T=1，而输入信号周期为 0.2，所以 T 是其整数倍，所以这样取值结果较为精确。当希尔伯特变换的取样点数为 2000 时，即 T 不是输入信号周期的整数倍时，其频谱图为：第 23 页时域图为：可以看出其调制结果发声明显的失真，原因使其希尔伯特变换不精确。附加实验一、实验目的：假设基带信号为 ，载波频率为 ，仿真出 SSB()sin20)cos(10)mttt20kHz信号，观察已调信号的波形及频谱。二、实验代码：clear all exec t2f.sci; exec f2t.scclear all 第 24 页exec t2f.sci; exec f2t.sci;fs=8
15、00; /采样速率T=200; /截短时间N=T*fs; /采样点数dt=1/fs; /时域采样间隔t=-T/2:dt:T/2-dt; /时域采样点df=1/T; /频域采样间隔f=-fs/2:df:fs/2-df; /频域采样点数fm1=1; /待观测正弦波频率，单位 KHz，下同fm2=0.5; /待观测余弦波频率fc=20; /载波频率/以上为初始化参数设置m1=sin(2*%pi)*fm1*t); /待观测正弦波部分M1=t2f(m1,fs); /傅里叶变换MH1=-%i*sign(f).*M1; /其傅里叶变换的希尔伯特变换mh1=real(f2t(MH1,fs); /其希尔伯特变换m2=2*cos(2*%pi)*fm2*t); /待观测余弦波部分M2=t2f(m2,fs); /傅里叶变换MH2=-%i*sign(f).*M2; /其傅里叶变换的希尔伯特变换mh2=real(f2t(MH2,fs); /其希尔伯特变换s3=(m1+m2).*cos(2*%pi)*fc*t)-(mh1+mh2).*sin(2*%pi)*fc*t); /SSB 信号时域表达式，以上边带为例S3=t2f(s3,fs); /SSB 信号上边带频域表达式/以上是仿真计算部分/以下为绘图部分/SSB 信号（以上边带为例）xset(window,5)plot(f,abs(S3)title(S
