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通信原理MATLAB仿真实验指导.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.78M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第一章 MALTAB基础知识
    1.1 MATLAB基础知识
    1.1.1 MATLAB程序设计语言简介
    1.1.2 MATLAB界面及帮助
    1.2 MATLAB基本运算
    1.2.1 MATLAB内部特殊变量和常数
    1.2.2 变量类型
    1.2.3 内存变量管理
    1.2.4 MATLAB常用数学函数
    1.2.5 MATLAB矩阵生成
    1.2.6 MATLAB矩阵运算
    1.2.7 MATLAB中的矩阵分析
    1.3 MATLAB程序设计
    1.3.1 M文件
    1.3.2 程序控制结构
    第二章 MATLAB计算结果可视化和确知信号分析
    2.1 计算结果可视化
    2.2 确知信号分析
    2.2.1周期信号的傅里叶级数
    2.2.2信号的傅里叶变换及其反变换
    第三章 随机信号与数字基带仿真
    3.1基本原理和实现示例
    3.1.1.库函数产生随机数
    3.1.2基带信号波形生成和其功率谱密度
    3.2蒙特卡罗算法
    第四章 模拟调制MATLAB实现
    4.1 模拟调制
    4.2 AM调制解调的MATLAB实现
    第五章 模拟信号的数字传输
    5.1脉冲编码调制
    5.2低通抽样定理
    5.3 均匀量化原理
    5.4 非均匀量化
    第六章 数字频带传输系统
    6.1 数字频带传输原理
    6.2信道加性高斯白噪声功率的讨论
    6.3仿真分析
    第七章 通信系统仿真综合实验
    7.1基本原理
    7.1.1数字频带传输通信系统
    7.1.2 数字基带传输通信系统
    7.2实验内容
    [请输入文档标题] [在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。在此处键入文档的摘要。 摘要通常是对文档内容的简短总结。] [请输入公司名称] [请输入公司地址] [请输入电话号码] [请输入传真号码] 2022 年 6 月 8 日
    第一章 MALTAB 基础知识 ................................................................................................................. 1 1.1 MATLAB 基础知识 ................................................................................................................ 1 1.1.1 MATLAB 程序设计语言简介 .....................................................................................1 1.1.2 MATLAB 界面及帮助 ..............................................................................................1 1.2 MATLAB 基本运算 .............................................................................................................2 1.2.1 MATLAB 内部特殊变量和常数 ..............................................................................2 1.2.2 变量类型 .................................................................................................................. 2 1.2.3 内存变量管理 .......................................................................................................... 3 1.2.4 MATLAB 常用数学函数 ..........................................................................................3 1.2.5 MATLAB 矩阵生成 ..................................................................................................3 1.2.6 MATLAB 矩阵运算 ..................................................................................................5 1.2.7 MATLAB 中的矩阵分析 ..........................................................................................6 1.3 MATLAB 程序设计 .............................................................................................................7 1.3.1 M 文件 .......................................................................................................................7 1.3.2 程序控制结构 .......................................................................................................... 8 第二章 MATLAB 计算结果可视化和确知信号分析 .......................................................................13 2.1 计算结果可视化............................................................................................................... 13 2.2 确知信号分析 ................................................................................................................... 17 2.2.1 周期信号的傅里叶级数......................................................................................... 17 2.2.2 信号的傅里叶变换及其反变换.............................................................................19 第三章 随机信号与数字基带仿真 ................................................................................................ 24 3.1 基本原理和实现示例 ........................................................................................................ 24 3.1.1.库函数产生随机数................................................................................................. 24 3.1.2 基带信号波形生成和其功率谱密度.....................................................................28 3.2 蒙特卡罗算法 .................................................................................................................... 31 第四章 模拟调制 MATLAB 实现 ...................................................................................................... 35 4.1 模拟调制 ........................................................................................................................... 35 4.2 AM 调制解调的 MATLAB 实现 ...................................................................................... 36 第五章 模拟信号的数字传输 ........................................................................................................ 45 5.1 脉冲编码调制 .................................................................................................................... 45 5.2 低通抽样定理 .................................................................................................................... 45 5.3 均匀量化原理 ................................................................................................................... 46 5.4 非均匀量化....................................................................................................................... 48 第六章 数字频带传输系统 .......................................................................................................... 52 6.1 数字频带传输原理 ........................................................................................................... 52 6.2 信道加性高斯白噪声功率的讨论 ....................................................................................53 6.3 仿真分析 ............................................................................................................................ 54 第七章 通信系统仿真综合实验 .................................................................................................... 68 7.1 基本原理 ............................................................................................................................ 68 7.1.1 数字频带传输通信系统......................................................................................... 68 7.1.2 数字基带传输通信系统 ........................................................................................68 7.2 实验内容 ............................................................................................................................ 68
    目 录 第一章 MALTAB 基础知识 ................................................................................................................. 1 1.1 MATLAB 基础知识 ................................................................................................................ 1 1.2 MATLAB 基本运算 .............................................................................................................2 1.3 MATLAB 程序设计 .............................................................................................................7 第二章 MATLAB 计算结果可视化和确知信号分析 .......................................................................13 2.1 计算结果可视化............................................................................................................... 13 2.2 确知信号分析 ................................................................................................................... 17 第三章 随机信号与数字基带仿真 ................................................................................................ 24 3.1 基本原理和实现示例 ........................................................................................................ 24 3.2 蒙特卡罗算法 .................................................................................................................... 31 第四章 模拟调制 MATLAB 实现 ...................................................................................................... 35 4.1 模拟调制 ........................................................................................................................... 35 4.2 AM 调制解调的 MATLAB 实现 ...................................................................................... 36 第五章 模拟信号的数字传输 ........................................................................................................ 45 5.1 脉冲编码调制 .................................................................................................................... 45 5.2 低通抽样定理 .................................................................................................................... 45 5.3 均匀量化原理 ................................................................................................................... 46 5.4 非均匀量化....................................................................................................................... 48 第六章 数字频带传输系统 .......................................................................................................... 52 6.1 数字频带传输原理 ........................................................................................................... 52 6.2 信道加性高斯白噪声功率的讨论 ....................................................................................53 6.3 仿真分析 ............................................................................................................................ 54 第七章 通信系统仿真综合实验 .................................................................................................... 68 7.1 基本原理 ............................................................................................................................ 68 7.2 实验内容 ............................................................................................................................ 68
    第一章 MATLAB 基础知识 第一章 MALTAB 基础知识 本章目标  了解 MATLAB 程序设计语言的基本特点，熟悉 MATLAB 软件运行环境  掌握创建、保存、打开 m 文件及函数的方法  掌握变量等有关概念，具备初步的将一般数学问题转化为对应的计算机模型并进 行处理的能力 1.1 MATLAB 基础知识 1.1.1 MATLAB 程序设计语言简介 MATLAB，Matrix Laboratory 的缩写，是由 MathWorks 公司开发的一套用于科学工 程计算的可视化高性能语言，具有强大的矩阵运算能力。与大家常用的 Fortran 和 C 等高 级语言相比，MATLAB 的语法规则更简单，更贴近人的思维方方式，被称为“草稿纸式的 语言”。MATLAB 软件主要由主包、仿真系统（simulink）和工具箱（toolbox）三大部分 组成。 1.1.2 MATLAB 界面及帮助 MATLAB 基本界面如图 1-1 所示，命令窗口包含标题栏、菜单栏、工具栏、命令行区、 状态栏、垂直和水平波动条等区域。 （1）菜单栏 图 1-1 MATLAB 基本界面 1
    第一章 MATLAB 基础知识 在 MATLAB 主窗口的菜单栏，共包含 File、Edit、View、Web、Window 和 Help 6 个菜单项。  File 菜单项：File 菜单项实现有关文件的操作。  Edit 菜单项：Edit 菜单项用于命令窗口的编辑操作。  View 菜单项：View 菜单项用于设置 MATLAB 集成环境的显示方式。  Web 菜单项：Web 菜单项用于设置 MATLAB 的 Web 操作。  Window 菜单项：主窗口菜单栏上的 Window 菜单，只包含一个子菜单 Close all，用于 关闭所有打开的编辑器窗口，包括 M-file、Figure、Model 和 GUI 窗口。  Help 菜单项：Help 菜单项用于提供帮助信息。 （2）工具栏 MATLAB 主窗口的工具栏共提供了 10 个命令按钮。这些命令按钮均有对应的菜单命 令，但比菜单命令使用起来更快捷、方便。 （3）命令行区 MATLAB 按以下顺序对输入命令进行解释：  检查它是否是工作空间中的变量，实则显示变量内容。  检查它是否是嵌入函数，是则运行之。  检查它是否是子函数。  检查它是否是私有函数。  检查它是否是位于 MATLAB 搜索路径范围内的函数文件或脚本文件。 MATLAB 里有以下几种方法可获得帮助： （1）帮助命令（help）是查询函数相关信息的最直接方式，信息会直接显示在命令窗口中。 键入 help sin，会显示 sin 相关信息。 （2）lookfor 命令可以从键入的关键字列出所有相关的题材，和 help 相比，lookfor 覆盖范 围更广，可查找到某个主题所有词组或短语。 （3）帮助窗口（help window）提供与帮助命令相同的信息，但帮助窗口界面更为方便直接。 （4）帮助桌面（help desk）通过在命令窗口中选择帮助菜单的“help desk”选项或键入 helpdesk 命令即可进入帮助桌面。 （5）在线帮助页是帮助桌面的在线帮助均有相应的 PDF 格式文件。 （ 6 ） Mathworks 网 站 ， 对 于 连 接 入 Internet 的 用 户 通 过 Mathworks 公 司 的 网 站 www.mathworks.com 询问有关问题。 1.2 MATLAB 基本运算 1.2.1 MATLAB 内部特殊变量和常数 MATLAB 内部有很多变量和常数，用来表达特殊含义，常用的有：  变量 ans：指示当前未定义变量名的答案。  常数 eps：表示浮点相对精度，其值是从 1.0 到下一个最大浮点数之间的差值。  常数 Inf：表示无穷大。  虚数单位 i j：表示不定型值，是由 0/0 运算产生。  常数 pi：表示圆周率π。 1.2.2 变量类型 （1）变量命名规则 MATLAB 中对变量的命名应遵循以下规则：  变量名可以由字母、数字和下划线混合组成，但必须以字母开头。 2
    第一章 MATLAB 基础知识  字符长度不能大于 31。  变量命名区分大小写。 （2）局部变量和全局变量 局部变量是指那些每个函数体内自己定义的，不能从其他函数和 MATLAB 工作空间访 问的变量。 全局变量是指用关键字“global”声明的变量。全局变量名应尽量大写，并能反映它本 身的含义。如果需要在工作空间和几个函数中都能访问一个全局变量，必须在工作空间和 几个函数中都声明该变量是全局的。 1.2.3 内存变量管理 （1）内存变量的删除与修改 clear 命令用于删除 MATLAB 工作空间中的变量。 clc 命令用于清空 MATLAB 命令窗口中的变量。 who 和 whos 这两个命令用于显示在 MATLAB 工作空间中已经驻留的变量名清单。who 命令只显示出驻留变量的名称，whos 在给出变量名的同时，还给出它们的大小、所占字节 数及数据类型等信息。 （2）内存变量文件 利用 MAT 文件可以把当前 MATLAB 工作空间中的一些有用变量长久地保留下来，扩 展名是.mat。MAT 文件的生成和装入由 save 和 load 命令来完成。常用格式为： save 文件名 [变量名表] load 文件名 [变量名表] 1.2.4 MATLAB 常用数学函数 [-append][-ascii] [-ascii] MATLAB 提供了许多数学函数，函数的自变量规定为矩阵变量，运算法则是将函数逐 项作用于矩阵的元素上，因而运算的结果是一个与自变量同维数的矩阵。函数使用说明：  三角函数以弧度为单位计算。  abs 函数可以求实数的绝对值、复数的模、字符串的 ASCII 码值。  用于取整的函数有 fix、floor、ceil、round，要注意它们的区别。  rem 与 mod 函数的区别。rem(x,y)和 mod(x,y)要求 x,y 必须为相同大小的实矩阵或为标 量。 1.2.5 MATLAB 矩阵生成 MATLAB 具有强大的矩阵运算和数据处理功能，对矩阵的处理必须遵从代数规则。 （1）矩阵的建立  直接输入法 最简单的建立矩阵的方法是从键盘直接输入矩阵的元素。具体方法如下：将矩阵的元 素用方括号括起来，按矩阵行的顺序输入各元素，同一行的各元素之间用空格或逗号分隔， 不同行的元素之间用分号分隔。  利用 M 文件建立矩阵 对于比较大且比较复杂的矩阵，可以为它专门建立一个 M 文件。下面通过一个简单例 子来说明如何利用 M 文件创建矩阵。  利用冒号表达式建立一个向量 冒号表达式可以产生一个行向量，一般格式是：e1:e2:e3，其中 e1 为初始值，e2 为步 长，e3 为终止值。 在 MATLAB 中，还可以用 linspace 函数产生行向量。其调用格式为：linspace(a,b,n)， 其中 a 和 b 是生成向量的第一个和最后一个元素，n 是元素总数。显然，linspace(a,b,n)与 3
    第一章 MATLAB 基础知识 a:(b-a)/(n-1):b 等价。  建立大矩阵 大矩阵可由方括号中的小矩阵或向量建立起来。 （2）矩阵的拆分  矩阵元素 通过下标引用矩阵的元素，例如 A=[1,2,3;4,5,6]; A(1,2) ans=2 采用矩阵元素的序号来引用矩阵元素。矩阵元素的序号就是相应元素在内存中的排列 顺序。在 MATLAB 中，矩阵元素按列存储，先第一列，再第二列，依次类推。例如 A=[1,2,3;4,5,6]; A(3) ans=2 显然，序号(Index)与下标(Subscript )是一一对应的，以 m×n 矩阵 A 为例，矩阵元素 A(i,j) 的序号为(j-1)*m+i。其相互转换关系也可利用 sub2ind 和 ind2sub 函数求得。  矩阵拆分 1) 利用冒号表达式获得子矩阵 ① A(:,j)表示取 A 矩阵的第 j 列全部元素；A(i,:)表示 A 矩阵第 i 行的全部元素；A(i,j) 表示取 A 矩阵第 i 行、第 j 列的元素。 ② A(i:i+m,:)表示取 A 矩阵第 i～i+m 行的全部元素；A(:,k:k+m)表示取 A 矩阵第 k～ k+m 列的全部元素，A(i:i+m,k:k+m)表示取 A 矩阵第 i～i+m 行内，并在第 k～k+m 列中的 所有元素。 此外，还可利用一般向量和 end 运算符来表示矩阵下标，从而获得子矩阵。end 表示某 一维的末尾元素下标。 2) 利用空矩阵删除矩阵的元素 在 MATLAB 中，定义[]为空矩阵。给变量 X 赋空矩阵的语句为 X=[]。注意，X=[]与 clear X 不同，clear 是将 X 从工作空间中删除，而空矩阵则存在于工作空间中，只是维数为 0。 （3）特殊矩阵 常用的产生通用特殊矩阵的函数有： zeros：产生全 0 矩阵(零矩阵)。 ones：产生全 1 矩阵(幺矩阵)。 eye：产生单位矩阵。 rand：产生 0～1 间均匀分布的随机矩阵。 randn：产生均值为 0，方差为 1 的标准正态分布随机矩阵。 例 1-1 分别建立 3×3、3×2 和与矩阵 A 同样大小的零矩阵。 (1) 建立一个 3×3 零矩阵。 zeros(3) (2) 建立一个 3×2 零矩阵。 zeros(3,2) (3) 设 A 为 2×3 矩阵，则可以用 zeros(size(A))建立一个与矩阵 A 同样大小零矩阵。 A=[1 2 3;4 5 6]; %产生一个 2×3 阶矩阵 A zeros(size(A)) %产生一个与矩阵 A 同样大小的零矩阵 4
    第一章 MATLAB 基础知识 例 1-2 建立随机矩阵：(1) 在区间[20,50]内均匀分布的 5 阶随机矩阵。(2) 均值为 0.6、方差 为 0.1 的 5 阶正态分布随机矩阵。 命令如下： x=20+(50-20)*rand(5) y=0.6+sqrt(0.1)*randn(5) 此外，常用的函数还有 reshape(A,m,n)，它在矩阵总元素保持不变的前提下，将矩阵 A 重新排成 m×n 的二维矩阵。 1.2.6 MATLAB 矩阵运算 （1）算术运算  基本算术运算 MATLAB 的基本算术运算有：＋(加)、－(减)、*(乘)、/(右除)、\(左除)、^(乘方)。注 意，运算是在矩阵意义下进行的，单个数据的算术运算只是一种特例。 1) 矩阵加减运算 假定有两个矩阵 A 和 B，则可以由 A+B 和 A-B 实现矩阵的加减运算。运算规则是：若 A 和 B 矩阵的维数相同，则可以执行矩阵的加减运算，A 和 B 矩阵的相应元素相加减。如 果 A 与 B 的维数不相同，则 MATLAB 将给出错误信息，提示用户两个矩阵的维数不匹配。 2) 矩阵乘法 假定有两个矩阵 A 和 B，若 A 为 m×n 矩阵，B 为 n×p 矩阵，则 C=A*B 为 m×p 矩 阵。 3) 矩阵除法 在 MATLAB 中，有两种矩阵除法运算：\和/，分别表示左除和右除。如果 A 矩阵是非 奇异方阵，则 A\B 和 B/A 运算可以实现。A\B 等效于 A 的逆左乘 B 矩阵，也就是 inv(A)*B， 而 B/A 等效于 A 矩阵的逆右乘 B 矩阵，也就是 B*inv(A)。对于含有标量的运算，两种除法 运 算 的 结 果 相 同 ， 如 3/4 和 4\3 有 相 同 的 值 ， 都 等 于 0.75。 又 如 ， 设 a=[10.5,25]， 则 a/5=5\a=[2.1000 5.0000]。对于矩阵来说，左除和右除表示两种不同的除数矩阵和被除数矩 阵的关系。对于矩阵运算，一般 A\B≠B/A。 4) 矩阵的乘方 一个矩阵的乘方运算可以表示成 A^x，要求 A 为方阵，x 为标量。  点运算 在 MATLAB 中，有一种特殊的运算，因为其运算符是在有关算术运算符前面加点，所 以叫点运算。点运算符有.*、./、.\和.^。两矩阵进行点运算是指它们的对应元素进行相关运 算，要求两矩阵的维参数相同。 （2）关系运算 MATLAB 提供了 6 种关系运算符：<(小于)、<=(小于或等于)、>(大于)、>=(大于或等 于)、==(等于)、～=(不等于)。它们的含义不难理解，但要注意其书写方法与数学中的不等 式符号不尽相同。关系运算符的运算法则为：  当两个比较量是标量时，直接比较两数的大小。若关系成立，关系表达式结果为 1，否 则为 0。  当参与比较的量是两个维数相同的矩阵时，比较是对两矩阵相同位置的元素按标量关 系运算规则逐个进行，并给出元素比较结果。最终的关系运算的结果是一个维数与原 矩阵相同的矩阵，它的元素由 0 或 1 组成。  当参与比较的一个是标量，而另一个是矩阵时，则把标量与矩阵的每一个元素按标量 关系运算规则逐个比较，并给出元素比较结果。最终的关系运算的结果是一个维数与 原矩阵相同的矩阵，它的元素由 0 或 1 组成。 5
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