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通信原理课程设计

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2020年4月19日
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通信原理课程设计

专 业
学 号
学生姓名
指导教师

完成日期 1 月 5 日

一、课程设计目的
在本课程设计中使用的软件工具是MATLAB。目的是希望在以下几方面有所收获：
1.会MATLAB软件的最基本运用。
MATLAB是一种很实用的数学软件，它易学易用。MATLAB对于许多的通信仿真类问题来说是比较合适的。
2.了解计算机仿真的基本原理及方法，知道怎样经过仿真的方法去研究通信问题。
3.加深对信号与系统和通信原理及其相关课程内容的理解。
二 软件实现特点
与硬件实验相比，软件实验具如下一些特点：
1.软件实验具有广泛的实用性和极好的灵活性。在硬件实验中改变系统参数可能意味着要重做硬件，而在软件实验中这只是该一两个数据，或者只是在屏幕上按几下鼠标。
2.软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统。有许多问题，经过硬件试验来研究可能非常困难，但在软件实验中却易于解决。
3.硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平，软件实现的精确度取决于CPU的运算速度或者说是程序的运算量。
4.软件实验开发周期短，成本低。
三 基本要求
1 掌握matlab的基本操作及了解基本的仿真方法。
2 按以下要求编制仿真程序并调试运行
（1） 基本信号的仿真
（2） 数字基带传输码型的仿真
（3） 调制解调系统设计及仿真
（4） 数字基带系统设计及仿真

四 课程设计内容
1、 编程实现基本信号的仿真

（1）产生并绘出以下信号
单位阶跃序列

k= -30:30;
uk=[zeros(1,30),ones(1,31)];
stem(k,uk)

图1 单位阶跃序列图

周期方波square()
t=-2*pi/100:pi/1024:2*pi/100;
y=square(2*pi*30*t,50);
plot(t,y);
ylim([-1.5 1.5])
grid

图2 周期方波图

sin2πf1t*sin2πf2t （信号频率自定，不得雷同）
f1=10;
f2=20;
t=-2*pi/100:pi/1024:2*pi/100;
y=sin(2*pi*f1.*t).*sin(2*pi*f2.*t);
plot(t,y);
grid

图3

（2）正弦信号及其频谱
%正弦信号及其频谱
f=100;
t=-2*pi/100:pi/1024:2*pi/100;
y=sin(f.*t);
subplot(2,1,1)
plot(t,y)
N=256;t=0:N-1;
y1=sin(f.*t);
k=0:N/2;w=2*pi/N*k;
X=fft(y1,N);
magX=abs(X(1:N/2+1));
subplot(2,1,2)
plot(w/pi,magX);

图4 正弦信号及其频谱图

（3）利用MATLAB/SIMULINK功能建立如下模型，并对信号频谱进行观察。一个频率为3Hz,幅值为3，另外一个频率为1Hz,幅值为1。

图5 模型图

图6 示波器波形图
2、编程实现数字基带信号的码型的仿真
（1） 试做单极性归零码、双极性非归零码、单极性非归零码、双极性归零码，占空比50%（选择其中2种）

单极性归零码（随机产生码型）
close all
clear all
global dt t df N
N=2^14; %采样点数
L=64; %每码元的采样点数
M=N/L; %码元数
Rb=2; %码速率为2Mb/s
Ts=1/Rb; %码元间隔
dt=Ts/L; %时域采样间隔
Rt=0.5; %占空比
T=N*dt; %截短时间
t=linspace(-T/2,T/2,N); %时域横坐标 分成N个点
for jj=1:100
a=round(rand(1,M)); %产生M个取值0，1等概的随机码
s=zeros(1,N); %产生一个N个元素的零序列
for ii=1:Rt*Ts/dt
s(ii+[0:M-1]*L)=a;%产生单极性归零码
end
end
plot(t,s,'r')
xlabel('t(ms)')
ylabel('s(t)(V)')
axis([-10,+10,1.1*min(s),1.1*max(s)])
grid on

图7 单极性归零码
双极性不归零码
%时间单位 us 频率单位 MHz 码元速率 Mb/s
close all %关闭所有的窗口
clear all %清除所有的变量
k=14;
N=2^k; %总采样点数
L=128; %每码元采样点数
M=N/L; %码元数
Rb=2; %码元速率
Ts=1/Rb; %码元间隔
dt=Ts/L; %时域分辨率dt(时域取样间隔)
df=1.0/(N*dt); %频域分辨率df，满足df*dt=1/N
T=N*dt; %计算时间宽度T
Bs=N*df/2; %系统带宽
t=linspace(-T/2,T/2,N); %产生时间取样点矩阵
f=linspace(-Bs,Bs,N); %产生频域取样点矩阵

for ii=1:20
n=1;%赋初值
while rem(n,2)~=0;%保证仿真时有偶数个1
nrz=round(rand(1,M));%随机产生单极性归零码
n=length(find(nrz==1));
end
po0=find(nrz==0);%找出nrz中0的位置
nrz(po0)=-1;%将0赋为-1
copy0=ones(1,L);%定义复制的次数L
temp0=nrz(copy0,:); %将nrz第一行复制L次，生成L*M的矩阵
dnrz=reshape(temp0,1,L*M);%将temp0重排成1*L*M的矩阵
end
%开窗口1
figure(1)
plot(t,dnrz)
title('双极性不零码')
axis([0,10,-1.5,1.5])%设置坐标范

图8 双极性不归零码

（2） 双相码、AMI码、HDB3码等的仿真（选其中2种）。
AMI码的仿真
xn=[0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0];% 输入单极性码
yn=xn;% 输出yn初始化
num=0;% 计数器初始化
for k=1:length(xn)
if xn(k)==1
num=num+1; % "1"计数器
if num/2 == fix(num/2) % 奇数个1时输出-1,进行极性交替
yn(k)=1;
else
yn(k)=-1;
end
end
yh=yn;
end % 以上部分完成AMI码编码
input=yh; % AMI码输入
decode=input; % 输出初始化
for k=1:length(yh)

if input(k)==0
decode(k)=0;
else
decode(k)=1;
end
end
decode=abs(decode); % 整流
subplot(3,1,1);stairs([0:length(xn)-1],xn);axis([0 length(xn) -2 2]);
subplot(3,1,2);stairs([0:length(xn)-1],yh);axis([0 length(xn) -2 2]);
subplot(3,1,3);stairs([0:length(xn)-1],decode);axis([0 length(xn) -2 2])

图9 AMI码图
HDB3码的仿真
xn=[1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0];% 输入单极性码
yw=xn;% 输出yn初始化
num=0;% 计数器初始化
for k=1:length(xn)
if xn(k)==1
num=num+1; % "1"计数器
if num/2 == fix(num/2) % 奇数个1时输出-1,进行极性交替
yw(k)=1;
else
yw(k)=-1;
end
end
end
num=0; % 连零计数器初始化
yz=yw; % 输出初始化
sign=0; % 极性标志初始化为0
V=zeros(1,length(yw));% V脉冲位置记录变量
B=zeros(1,length(yw));% B脉冲位置记录变量
for k=1:length(yw)
if yw(k)==0
num=num+1; % 连“0”个数计数
if num==4 % 如果4连“0”
num=0; % 计数器清零
yz(k)=1*yz(k-4);
V(k)=yz(k); % V脉冲位置记录
if yz(k)==sign % 如果当前V符号与前一个V符号的极性相同
yz(k)=-1*yz(k);
yz(k-3)=yz(k); % 添加B符号,与V符号同极性
B(k-3)=yz(k); % B脉冲位置记录
V(k)=yz(k); % V脉冲位置记录
yz(k+1:length(yw))=-1*yz(k+1:length(yw));
end
sign=yz(k); % 记录前一个V符号的极性
end
else
num=0; % 当前输入为“1”则连“0”计数器清零
end
end % 编码完成
re=[xn',yw',yz',V',B']; % 结果输出: xn AMI HDB3 V&B符号
input=yz; % HDB3码输入
decode1=input; % 输出初始化
sign=0; % 极性标志初始化
for k=1:length(yz)
if input(k) ~= 0
if sign==yz(k) % 如果当前码与前一个非零码的极性相同
decode1(k-3:k)=[0 0 0 0];% 则该码判为V码并将*00V清零
end
sign=input(k); % 极性标志
end
end
decode1=abs(decode1); % 整流
error=sum([xn'-decode1']); % 解码的正确性检验,作图
subplot(3,1,1);stairs([0:length(xn)-1],xn);axis([0 length(xn) -2 2]);
subplot(3,1,2);stairs([0:length(xn)-1],yz);axis([0 length(xn) -2 2]);
subplot(3,1,3);stairs([0:length(xn)-1],decode1);axis([0 length(xn) -2 2]);

图10 HDB3码图
3、 调制解调系统设计及仿真
AM和SSB调制解调系统设计及仿真：
要求：
（1）根调制和解调的原理框图，利用matlab的simulink功能，建立通信系统模型，观察各点波形及其频谱或功率谱。
（2）模拟调制系统输入模拟信号至少包含两个频率（频率自定）；其它参数自定，不可雷同。
（3）加上噪声与上面图形作对比。
（4）结合所的波形及频谱或功率谱密度图分析系统的工作原理及性能。

1、AM调制相干解调

图11 AM调制相干解调系统图

图12 调制解调波形图

2、滤波法产生SSB调制信号并相干解调

图13 SSB系统图

图14 调制解调图

4、数字基带系统设计与仿真(输入数据自定)
（1）用simulink对系统建模设计一个数字基带系统
（2）采用开根号升余弦滤波器。滚降系数自定。
（3）观察各点波形，并对发送信号和接收信号的功率谱进行估计。
（4）要求观察接收信号眼图，对比发送数据与恢复数据波形。
滚降系数α=0.5，数字基带系统如下：

图15 系统结构模型图
接收眼图波形与分析：

图16 眼图

从上图中能够看出，眼图的线迹比较细，比较清晰，而且“眼睛”很大，说明误码率比较低，码间串扰与噪声对系统传输可靠性影响不大。
发送信号与接收信号功率谱估计与分析：

图17 发送功率谱和接收功率谱图

从两图比较中能够看出，接收信号的功率谱与发送信号的功率谱基本完全一样，说明整个基带传输系统模型的设计是合理的，能满足要求，具有较好的抗码间串扰的能力。

曼彻斯特码编码前后波形如图18所示：

图18 曼彻斯特码编码前后波形图

发送数据波形与接收数据波形

图19 发送数据波形与接收数据波形图

经过滤波器、信道的各点时域波形

图20 经过滤波器、信道的各点时域波形

五、 实验总结
在这次课程设计中，从刚开始对系统的整体构成不是很熟悉，思维比较模糊，到后来和其它小组同学进行了交流，明白了整个系统的构成。知道了程序设计的步骤和流程。课程设计主要是我们理论知识的延伸，我们在设计中发现问题，而且找到解决问题的方案。在课程设计过程中还发现不做系统，许多细小的环节是注意不到的。而这诸多环节往往影响你整个系统的正常运转。这可真应验了“细节决定一切”这句话。这一切告诉我做任何事情必须从全局出发，而且要注意其中的任何一个细节。我们还能从设计中检验我们所学的理论知识，查漏补缺把这门课学的扎实。

六、参考文献
通信原理——基于Matlab的计算机仿真 郭文彬等编著 北京邮电出版社
Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析 邵玉斌 北京:清华大学出版社,
现代通信实验系统的计算机仿真 陈平等编著 国防工业出版社
Matlab电子仿真与应用 韩利竹等编著 国防工业出版社
Matlab及其在电子信息类课程中的应用 唐向宏等主编 电子工业出版社
《MATLAB仿真技术与实例应用教程》 张森主编 机械工业出版社 .1
《MATLAB仿真技术与应用》 张葛祥主编 清华大学出版社 .6
通信原理樊昌信，误成柯等编著 国防工业出版社
现代通信原理与技术 张辉等 西安电子工业出版社