通信原理软件实验指导书

通信原理软件实验指导书河南科技大学电子信息工程学院通信工程教研室2010-4-23.目录实验一常用信号频谱分析实验二模拟信号调制解调实验一常用信号频谱分析实验一、实验目的1、分析常用确知信号频率特性；2、分析常用随机信号的频谱特性；3、熟悉Matlab仿真工具，并使用Matlab软件分析常用信号的时频特性。

二、实验预习要求1、复习《通信系统原理》中有关确知信号和随机信号的章节；2、预习《Matlab与通信仿真》中的有关章节，熟悉Matlab软件环境；3、认真阅读本实验内容，熟悉实验步骤。

三、实验原理与分析确知信号是时间的确定函数，随机信号是时间的不确定函数。

确知信号是理论上的抽象，与随机信号的特性之间有一定联系，用确定性信来分析系统，使问题简化，在工程上有实际应用意义。

确知信号根据能量是否有限可以分为：能量信号和功率信号。

其中，功率信号可分为周期信号和非周期信号。

确知信号可以采用傅立叶理论进行分析。

随机信号是指一些不规则的信号。

随机信号或称随机过程，采用统计数学方法，用随机过程理论分析研究。

“随机”两个字的本义含有不可预测意思，也即不能使用单一时间函数表达。

确知信号的频率特性是指确知信号在频域中的性质，有其各个分量的分布表示，是信号的最重要的性质之一。

确知信号的频率特性有四种：功率信号的频谱；能量信号的频谱密度；能量信号的能量谱密度；功率信号的功率谱密度。

而随机信号使用功率谱表示其频谱特性。

本实验将以能量信号和通信信道中随机噪声为例，借助Matlab软件工具分析信号的频谱特性，以加深理解信号的频率特性。

四、实验装备一台安装了Windows或UNIX环境下MATLAB软件的个人计算机。

五、实验内容使用Matlab 软件的m 语言作出下列确知信号和随机信号的时域图和频谱图。

①确知信号为0001,032()2,330,t t t t m t t otherwise⎧≤≤⎪⎪⎪=-≤≤⎨⎪⎪⎪⎩，其中00.15t s =。

②零均值的高斯白噪声随机信号()n t其中，确知信号功率和高斯白噪声功率之比为20dB 。

③将上述确知信号①和随机信号②叠加的信号()()m t n t +，其信噪比为20dB 。

(一) 确知信号①的时域信号及频谱的m 语言代码%确知信号时频域分析clear all;clc;echo ont0 = 0.15; %信号持续时间ts = 0.0001; %信号采样率fs = 1/ts; %采样频率df = 0.2; %频谱分辩率 0.3t = [0:ts:t0]; %时间矢量%传输的信号m =[ones(1,ceil(t0/(3*ts))),-2*ones(1,ceil(t0/(3*ts))),zeros(1,ceil(t0/(3*ts)+1))]; %%传输信号1[M,m,df1]=fftseq(m,ts,df); %传输的信号的频谱M = M/fs; %频谱采样%频谱矢量f = [0:df1:df1*(length(m)-1)]-fs/2;%信号的能量signal_power=spower(m(1:length(t)));%显示出确知信号的时频域波形figuresubplot(2,1,1) %确知信号时域显示plot(t,m(1:length(t)))title('确知信号')axis([0 0.15 -3 3])subplot(2,1,2) %确知信号频域显示plot(f,abs(fftshift(M)))title('确知信号频谱')axis([-500 500 0 0.15])实验结果如图1所示。

00.050.10.15-3-2-1123确知信号-500-400-300-200-100010020030040050000.050.1确知信号频谱图1 确知信号的时频域波形(二)随机信号②的时域信号及频谱的m 语言代码%随机信号时频域分析clear all;clc;echo ont0 = 0.15; %信号持续时间ts = 0.0001; %信号采样率fs = 1/ts; %采样频率df = 0.2; %频谱分辩率 0.3t = [0:ts:t0]; %时间矢量%传输的信号m =[ones(1,ceil(t0/(3*ts))),-2*ones(1,ceil(t0/(3*ts))),zeros(1,ceil(t0/ (3*ts)+1))]; %%传输信号1[M,m,df1]=fftseq(m,ts,df); %传输的信号的频谱M = M/fs; %频谱采样%频谱矢量f = [0:df1:df1*(length(m)-1)]-fs/2;%信号的能量signal_power=spower(m(1:length(t)));snr = 20; %信噪比，单位dBsnr_lin = 10^(snr/10); %线性的信噪比%噪声的能量noise_power=signal_power/snr_lin;%噪声的标准差noise_std=sqrt(noise_power);%产生最后的噪声n=noise_std*randn(1,length(m));[N,n,df1]=fftseq(n,ts,df); %对噪声进行fftN = N/fs; %频率采样%显示出随机信号的时频域波形figure %显示第二章图片（第二题解）subplot(2,1,1) %噪声时域显示plot(t,n(1:length(t)))title('采样的噪声')axis([0 0.15 -1 1])subplot(2,1,2) %噪声频域显示plot(f,abs(fftshift(N)))title('噪声频谱')axis([-500 500 0 0.05])实验结果如图2所示：00.050.10.15-1-0.50.51采样的噪声-500-400-300-200-100010020030040050000.020.04噪声频谱结合上述实验结果，分析随机信号的频谱特性为什么使用功率谱密度表示。

另外，可以使用matlab 均值和标准方差函数求随机信号的均值和标准方差。

(三) 确知信号①和随机信号②叠加的时域信号及频谱的m 语言代码%随机信号时频域分析clear all;clc;echo ont0 = 0.15; %信号持续时间ts = 0.0001; %信号采样率fs = 1/ts; %采样频率df = 0.2; %频谱分辩率 0.3t = [0:ts:t0]; %时间矢量%传输的信号m =[ones(1,ceil(t0/(3*ts))),-2*ones(1,ceil(t0/(3*ts))),zeros(1,ceil(t0/(3*ts)+1))];[M,m,df1]=fftseq(m,ts,df); %传输的信号的频谱M = M/fs; %频谱采样%频谱矢量f = [0:df1:df1*(length(m)-1)]-fs/2;%信号的能量signal_power=spower(m(1:length(t)));snr = 20; %信噪比，单位dBsnr_lin = 10^(snr/10); %线性的信噪比%噪声的能量noise_power=signal_power/snr_lin;%噪声的标准差noise_std=sqrt(noise_power);%产生最后的噪声n=noise_std*randn(1,length(m));[N,n,df1]=fftseq(n,ts,df); %对噪声进行fftN = N/fs; %频率采样r=m+n;[R,r,df1]=fftseq(r,ts,df); %对最后的信号进行fft R = R/fs; %进行采样%显示出混合高斯白噪声确知信号的时频域波形figuresubplot(2,1,1) %混合信号时域显示plot(t,r(1:length(t)))title('混合信号')axis([0 0.15 -3 3])subplot(2,1,2) %混合信号频域显示plot(f,abs(fftshift(R)))title('混合信号频谱')axis([-500 500 0 0.15])实验结果如图3所示。

00.050.10.15-3-2-10123混合信号-500-400-300-200-100010020030040050000.050.1混合信号频谱图3 混合信号的时频域波形上述实验内容使用的子函数fftseq.m 和spower.m 代码如下：function [M,m,df]=fftseq(m,ts,df)% [M,m,df]=fftseq(m,ts,df)% [M,m,df]=fftseq(m,ts)% FFTSEQ 生成M, 它是时间序列m 的FFT% 要求的频率分辨率df 作为输入% 对序列填充零，以满足所要求的频率分辨率df% ts 是采样间隔. 输出df 是最终的频率分辨率% 输出m 是输入m 的补过零的版本，M 是FFT.fs=1/ts;if nargin == 2 %函数变量个数为2，表示 [M,m,df]=fftseq(m,ts)n1=0;else %否则函数变量个数为3，表示[M,m,df]=fftseq(m,ts,df) n1=fs/df;endn2=length(m); %求序列长度n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2))); %将n1或n2值按2的幂次度量，取大者M=fft(m,n); %得到FFTm=[m,zeros(1,n-n2)]; %时间序列补零df=fs/n; %得到最终的频率分辨率function p=spower(x)% p=spower(x)%SPOWER Returns the power in signal xp=(norm(x)^2)/length(x);~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~六、实验报告1、比较确知信号和随机信号的时频特性，并将观察到的结论写成实验报告，将程序脚本作为报告的组成部分。

2、使用m语言绘制确知信号s(100),0.1()0,a t t sm totherwise⎧≤⎪=⎨⎪⎩的时域波形和频谱图。

*3、使用m语言绘制混有10dB高斯白噪声确知信号s(100),0.1 ()0,a t t s m totherwise⎧≤⎪=⎨⎪⎩的时域波形和频谱图。

并思考如何使用matlab语言绘出随机信号的功率谱密度。

（此题可选作）实验二模拟信号调制解调一、实验目的1、使用Matlab 软件验证模拟信号的调制；2、使用Matlab 软件验证模拟信号的解调；3、掌握模拟信号调制解调的原理，并分析其性能。