matlab仿真实验指导书-附程序

《Matlab与通信仿真》实验指导书(下)

上课时间：系 部：班 级：姓 名：班内序号：指导教师：

通信基础教研室

学年第 学期 实验课程成绩：

目 录

实验一 MATLAB基础实验.......................................................... 1

实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八

实验一成绩

绘图和确知信号分析实验 ................................................ 8

实验二成绩

随机信号与数字基带实验 .............................................. 15

实验三成绩

模拟调制实验 .................................................................. 24

实验四成绩

模拟信号数字传输实验（一）...................................... 32

实验五成绩

模拟信号数字传输实验（二）...................................... 41

实验六成绩

数字频带传输系统实验 .................................................. 47

实验七成绩

通信系统仿真综合实验 .................................................. 57

实验八成绩

Matlab与通信仿真 实验一 MATLAB基础实验

一、实验目的

? 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

二、实验内容及步骤

1.在Command Window里面计算

①(3?5?8)?5?10； ②sin(3?)?9/5；

?123??789?????③A?456，B?456，计算：C?A?B,D?A?B,A\\C,C/B； ???????789???123???31.24???④D?7.56.63.1，求D',D?1,D； ????5.43.46.1???1?2i3?4i?⑤Z???，输入复数矩阵；

5?6i7?8i???12?10??23?11??,将A矩阵进行水平2.建立.m文件，用for循环语句生成10×10的矩阵A：?????????1011?19??和垂直翻转得到矩阵B和C。将A矩阵的前5行，5列变成0并赋值给D。

3.建立.m文件，随机产生一个50×50的矩阵，元素值为从0到255，要求用0和255对该矩阵进行标记，元素值大于128的标记为255，元素值小于128的标记为0。 4.产生一个均值为2.4方差为0.2大小为3×4的随机矩阵。

5.（选做）编写函数使用0.618搜索法（近似黄金分割法）求给定函数的极值：搜索法求解

min?(t)的基本过程：给出[a,b]，使得t*在[a,b]中。[a,b]称为搜索区间。迭代缩短[a,b]的长度。

t?0当[a,b]的长度小于某个预设的值，或者导数的绝对值小于某个预设的正数，则迭代终止。

1

Matlab与通信仿真

以函数min?(t)?t?2t?1，作

t?03理对象，其中搜索区间定为[0,3],精度?定为0.5。

四、实验报告：（调试好的程序，实验结果及分析） 1.在Command Window里面计算

①(3?5?8)?5?10；解：32 ②sin(3?)?9/5；解：2.7384e-016

?123??789?????③A?456，B?456，计算：C?A?B,D?A?B,A\\C,C/B； ???????789???123??解：C?A?B?

D?A?B A\\C C/B

?31.24????1④D?7.56.63.1，求：D',D,D

????5.43.46.1??3解：D'?1.27.55.443.16.142.15556.63.4?rot90(D)?1.26.63.1，

3.16.137.55.40.4555?1.64491.5013，D?13.7880

0.7833D?1??2.1040?0.2393?0.7354?0.2698⑤Z???1?2i3?4i??1.0000?2.0000i3.0000?4.0000i?，输入复数矩阵； Z?????5?6i7?8i??5.0000?6.0000i7.0000?8.0000i?2

Matlab与通信仿真 ?12?10??23?11??,将A矩阵进2.建立.m文件，用for循环语句生成10×10的矩阵A：?????????1011?19??行水平和垂直翻转得到矩阵B和C。将A矩阵的前5行，5列变成0并赋值给D。

解：

% 实验一的第二个实验 exp0102.m clear all

x=1:10; % 生成1*50的矢量

A=[x]; % 给A矩阵赋第一行元素 for i=1:9

A=[A;x+i]; % 生成余下的49行A矩阵的元素，当前行元素是前一行的对应元素加1 end A

% 水平翻转A

B=fliplr(A) % 本句和下一句都可实现水平翻转 B=flipdim(A,2) % 垂直翻转A

C=flipud(A) % 本句和下一句都可实现垂直翻转 C=flipdim(A,1)

% 将A矩阵的前10行，10列变成0并负值给D A(1:5,1:5)=0 D=A

学生程序一： % 学生程序 A=zeros(10); for i=1:10 for j=1:10 if i==j

A(i,j)=2*i-1; else

A(i,j)=i+j-1; end end end A

学生程序二： % 学生程序 A=zeros(10); for i=1:10 for j=1:10

A(i,j)= i+j-1; end end A

3

Matlab与通信仿真 学生程序三： % 学生程序 B=rot90(A',3) %水平翻转 B=rot90(A',1) %垂直翻转 学生程序四： A=ones(10);

n=linspace(1,10,10)； for m=1:10 A(m,?=n+linspace(1,1,10); End

% 学生程序 B=rot90(A',3) %水平翻转 B=rot90(A',1) %垂直翻转

3.建立.m文件，随机产生一个10×10的矩阵，元素值为从0到255，要求用0和255对该矩阵进行标记，元素值大于128的标记为255，元素值小于128的标记为0。

解：

% 实验一的第三个实验 exp0103.m

% 建立.m文件，随机产生一个50×50的矩阵，元素值为从0到255，要求用0和255对该矩阵进行标记，

% 元素值小于128的标记为0。 clear all n=5;

%A=fix((90-10+1)*rand(n)+10)

A=fix((255)*rand(5)) % 产生产生一个50×50的，元素值为从0到255随机矩阵 a=128*ones(n,n) % 产生产生一个50×50的，元素值全为128随机矩阵

B=A>a % 产生产生一个50×50的矩阵，元素值元素值大于128的标记为1，元素值小于128的标记为0

C=A

D=255*B % 产生产生一个50×50的矩阵，元素值元素值小于128的标记为255，元素值大于128的标记为0 % 实现的另一个方法 % a=find(A>128) % b=find(A<128) 学生程序： clear all

A=255*rand(10) for i=1:10 for j=1:10

if A(i,j)>128 A(i,j)=255; elseif A(i,j)<128 A(i,j)=0;

4

Matlab与通信仿真 end end end A A =

51.7051 106.7556 128.2173 177.9641 168.3580 179.1987 249.8355 168.6679 57.6172 144.7963

50.6740 215.7865 180.9152 96.4851 87.2025 139.3756 69.2191 72.5242 147.8508 202.5237

153.9671 133.9139 109.3676 219.3030 73.8801 113.4445 193.8931 15.0916

69.4079 51.6751 77.6774 217.6821 87.0044 177.1146 135.1049 153.7316

50.6976 171.3951 48.3617 151.3585 136.1901 158.4341 163.3343 12.8185

3.8949 213.7202 49.3249 126.6209 185.4139 202.6794 53.3127 105.9206

190.4303 5.0081 173.9669 229.4411 78.8690 243.9951 96.8537 77.7747

113.4996 173.7257 77.2049 209.5154 213.8165 133.2605 199.7488 222.9636

237.6127 96.7677 138.1268 164.4521 144.8585 224.4363 173.6157 3.8274

118.8286 212.1080 38.4726 208.5835 94.4555 44.1038 117.5793 195.8273 A =

0 0 255 255 255 255 255 255 0 255 0 255 255 0 0 255 0 0 255 255 255 255 0 255 0 0 0 0 255 0 0 0 0 255 0 255 255 0 255 255 0 255 0 255 255 255 255 255 255 0 0 255 0 0 255 255 0 255 0 0 255 0 255 255 0 255 0 0 0 0 0 255 0 255 255 255 255 255 255 255 255 0 255 255 255 255 0 0 255 0 0 255 0 255 0 0 0 0 0 255

4.产生一个均值为2.4方差为0.2大小为3×4的随机矩阵。

解：

% 实验一的第四个实验 exp0104.m

% 产生一个均值为2.4方差为0.2大小为3×4的随机矩阵。 % clear all close all

a=2.4+sqrt(0.2)*randn(1000,4)

5

64.3440 223.3142 188.0130 34.8123 2.9980 227.9440 50.7802 76.1744 119.6522 16.5192 252.0254 148.6119 107.9915 131.4555 85.1576 110.3912 Matlab与通信仿真 mean(a) var(a)

mean（a）=

2.3807 2.4204 2.4079 2.4118 var(a)=

0.1780 0.2127 0.2100 0.1965

5.（选做）编写函数使用0.618搜索法（近似黄金分割法）求给定函数的极值：搜索法求解min?(t)的基本过程：给出[a,b]，使得t*在[a,b]中。[a,b]称为搜索区间。

t?0迭代缩短[a,b]的长度。当[a,b]的长度小于某个预设的值，或者导数的绝对值小于某个预设的正数，则迭代终止。

% 学生程序

function f=factor(a,b) t1=a+0.382*(b-a); t2=a+0.618*(b-a);

if t1^3-2*t1+1<=t2^3-2*t2+1 if t2-a<=0.5 disp(t1); %break; else

factor(a,t2); end else

if b-t1<=0.5 disp(t2); %break; else

factor(t1,b); end end

三、实验问题：

1.第一个实验的A矩阵是一个近似奇异的矩阵，因此导致其求逆不确定 2.第二个实验，将50*50改为10*10 3.

实验二 绘图和确知信号分析实验

一、实验目的

? 掌握二维平面图形的绘制方法，能够使用这些方法进行常用的数据可视化处理 ? 理解周期信号的傅里叶级数展开的物理意义 ? 掌握信号的傅里叶变换及其反变换

6

Matlab与通信仿真 二、实验原理 1.周期信号的傅里叶级数

若一周期信号f?t??f?t?kT?，其中k为整数，T成为信号的周期。若周期信号在一个周期内可积，则可通过傅里叶级数对该信号进行展开。其傅里叶展开式如下：

f?t??n????Fen?j2?nfst1T/2f?t?e?j2?nfstdt ，Fn??T?T/2其中，T为信号最小周期；fs?1/T为信号的基波；Fn为傅里叶展开系数，其物理意义为频率分量nfs的幅度和相位。 2.信号的傅里叶变换及其反变换

对于非周期信号s?t?，满足绝对可积的条件下，可利用傅里叶变换对其进行频域分析。

S?f???s?t?e????j2?ftdt，s?t???S?f?ej2?ftdf

???其中，S?f?称为信号s?t?傅里叶变换，表示了该信号的频谱特性。

三、实验内容

1.二维平面图形的绘制（任选3个）

① 假设N=12.对于M=4,5,7,10,在0≤n≤2N-1区间上画出xM[n]?sin(当标注。用plot和stem分别绘制该信号，并比较。

② 考虑信号xk[n]?sin(?kn),式中?k=2πk/5.给出k=1,2,4,6,用stem画出每个信号在区间0≤n≤9内的图。利用subplot在同一幅图上用单独的坐标轴画出全部符号。

③ N=6，试画出x1[n]?cos(2?Mn),并添上适N2n3n2?n3?n)?2cos();x2[n]?2cos()?cos()

NNNN2?n5?nx3[n]?cos()?3sin()的图形。

N2N④ 在0≤n≤31内画出下面每一个信号：

x1[n]?sin(?n4)cos(?n4); x2[n]?cos2(?n4); x3[n]?sin(?n4)cos(?n8)。

⑤ 用stem画出信号

?2,n?0?1,n?2??x[n]???1,n?3

?3,n?4???0,其余n定义：y1[n]=x[n-2], y2[n]=x[n+1],y3[n]=x[-n], y4[n]=x[-n+1], 用stem分别画出y1～y4，并用legend 命令给出图例。

7

Matlab与通信仿真 2.设周期信号一个周期的波形为f?t????1,t?T/4?0，其他，求该信号傅里叶级数展开式，并用

MATLAB画出傅里叶技术展开后的波形，并通过展开式项数的变化考察其对f?t?的逼近程度，考察其物理意义。 3.设非周期信号s?t????1,t?T/4?0，其他，求该信号的傅里叶变换，MATLAB画出傅里叶变换后

的频谱，并对频谱进行反变换，画出s?t?的波形。

四、实验程序，实验结果及分析

1.二维平面图形的绘制（任选3个）

① 假设N=12.对于M=4,5,7,10,在0≤n≤2N-1区间上画出xM[n]?sin(当标注。用plot和stem分别绘制该信号，并比较。 % 程序

M=[4,5,7,10]; N=12; n=0:2*N-1; for i=1:length(M)

xn=sin(2*pi*M(i)*n/N); subplot(length(M),1,i) plot(n,xn);hold on s=int2str(M(i)) title(['M=' s]); stem(n,xn,'r'); end 结果：

M=410-110-110-110-105101520250510M=101520250510M=71520250510M=51520252?Mn),并添上适N

8

Matlab与通信仿真 ② 考虑信号xk[n]?sin(?kn),式中?k=2πk/5.给出k=1,2,4,6,用stem画出每个信号在区间0≤n≤9内的图。利用subplot在同一幅图上用单独的坐标轴画出全部符号。 程序： k=[1,2,3,6]; n=0:9; figure

for i=1:length(k)

xk=sin(2*pi*k(i)*n/5); subplot(length(k),1,i) % plot(n,xk);hold on s=int2str(k(i)) title(['k=' s]); stem(n,xk,'r'); end 结果：

10-110-110-110-10123456789012345678901234567890123456789

③ N=6，试画出x1[n]?cos(2n3n2?n3?n)?2cos();x2[n]?2cos()?cos()

NNNN2?n5?nx3[n]?cos()?3sin()的图形。

N2N程序：

N=6; n=0:100;

xn1=cos(2*pi*n/N)+2*cos(3*pi*n/N); xn2=cos(2*n/N)+2*cos(3*n/N);

9

Matlab与通信仿真 xn3=cos(2*pi*n/N)+3*sin(5*pi*n/N); figure

subplot(3,1,1) stem(n,xn1);hold plot(n,xn1,'r') subplot(3,1,2) stem(n,xn2);hold plot(n,xn2,'r') subplot(3,1,3) stem(n,xn3);hold plot(n,xn3,'r') 结果：

50-550-550-5010203040506070809010001020304050607080901000102030405060708090100

④ 在0≤n≤31内画出下面每一个信号：

x1[n]?sin(?n4)cos(?n4); x2[n]?cos2(?n4); x3[n]?sin(?n4)cos(?n8)。

程序： n=0:31;

xn1=cos(pi*n/4).*sin(pi*n/4); xn2=cos(pi*n/4).^2;

xn3=cos(pi*n/8).*sin(pi*n/4); figure

subplot(3,1,1) stem(n,xn1);hold plot(n,xn1,'r') subplot(3,1,2)

10

Matlab与通信仿真 stem(n,xn2);hold plot(n,xn2,'r') subplot(3,1,3) stem(n,xn3);hold plot(n,xn3,'r') 结果：

0.50-0.5-110.5010-1051015202530350510152025303505101520253035

⑤ 用stem画出信号

?2,n?0?1,n?2??x[n]???1,n?3

?3,n?4???0,其余n定义：y1[n]=x[n-2], y2[n]=x[n+1],y3[n]=x[-n], y4[n]=x[-n+1], 用stem分别画出y1～y4，并用legend 命令给出图例。 程序： function x=xn(t) %方法一

%x1=2*ones(1,length(t)); %x2=ones(1,length(t)); %x3=-1*ones(1,length(t)); %x4=3*ones(1,length(t));

11

Matlab与通信仿真 %x=x1.*(t==0)+x2.*(t==2)+x3.*(t==3)+x4.*(t==4); % 方法二

x=zeros(1,length(t));

x=2*(t==0)+1*(t==2)+(-1)*(t==3)+3*(t==4); %主程序

t= -10 : 10 ; y0=xn(t) ;

y1=xn(t-2) ; y2=xn(t+1) ; y3=xn(-t) ;

y4=xn(-t+1) ;

subplot(511);p=plot(t,y0,'k');set(p,'LineWidth',2);hold on;stem(t,y0,'r') xlabel('t');ylabel('x(t)');title('原始信号 x(t)');grid;

subplot(512);p=plot(t,y1,'k');set(p,'LineWidth',2);hold on;stem(t,y1,'r') xlabel('t');ylabel('x(t-2)');title('第一个变换');grid;

subplot(513);p=plot(t,y2,'k');set(p,'LineWidth',2);hold on;stem(t,y2,'r') xlabel('t');ylabel('x(t+1)');title('第二个变换');grid;

subplot(514);p=plot(t,y3,'k');set(p,'LineWidth',2);hold on;stem(t,y3,'r') xlabel('t');ylabel('x(-t)');title('第三个变换');grid;

subplot(515);p=plot(t,y4,'k');set(p,'LineWidth',2);hold on;stem(t,y4,'r') xlabel('t');ylabel('x(-t+1)');title('第四个变换');grid;

原始信号 x(t)5x(t)0-5-10-8-6-4-202t第一个变换4681050-5-10x(t-2)-8-6-4-202t第二个变换4681050-5-10x(t+1)-8-6-4-202t第三个变换4681050-5-10x(-t)-8-6-4-202t第四个变换468105x(-t+1)0-5-10-8-6-4-20t246810

12

Matlab与通信仿真 2.设周期信号一个周期的波形为f?t????1,t?T/4?0，其他，求该信号傅里叶级数展开式，并用

MATLAB画出傅里叶技术展开后的波形，并通过展开式项数的变化考察其对f?t?的逼近程度，考察其物理意义。 程序：

% 实验二 exp0302.m

% 设周期信号一个周期的波形为f(t)=1,|t|

ft=ft+Fn(m+N+1)*exp(j*2*pi*m*fs*t) ; % Fn是一个数组，其序号是从1开始的，到

% 2N＋1结束，

% 故该语句中为Fn(m+N+1)

% 而当n=0时，Fn=0，在数组中的位置

% 为第N+1个元素，故令Fn(N+1)=0

end

plot(t,ft)

1.510.50-0.5-1-1.5012345678910

13

Matlab与通信仿真 3.设非周期信号s?t????1,t?T/4?0，其他，求该信号的傅里叶变换，MATLAB画出傅里叶变换

后的频谱，并对频谱进行反变换，画出s?t?的波形。

程序：

close all

clear all % 删除所有工作空间的变量 tao=1; % 脉宽

tao_sample=512; % 为了画波形，在脉宽内的采样点数 %N_sample=30; % 为了画波形，在时间窗内的采样点数

dt=tao/ tao_sample; % 时间分辨率 add_zeros=1000;

t=(-tao/2-add_zeros*dt):dt:tao/2+(add_zeros-1)*dt; % 所有时间采样值 N_sample=length(t); % 为了画波形，在时间窗内的采样点数 T=t(end)-t(1); % 时间窗的大小

st=[zeros(1,add_zeros) ones(1,(N_sample-2*add_zeros)) zeros(1,add_zeros)]; % 依据T将信号离散化

subplot(411); % 设置3*1的1号窗 plot(t,st); % 在1号窗中画时间波形 axis([-1 1 0 2]); % 设置1号窗坐标轴的范围 xlabel('t');ylabel('s(t)'); % 标出横轴、纵轴变量 subplot(412) ; % 设置3*1的2号窗 [f,sf]=T2F(t,st) ; % 求st的FFT

plot(f,abs(sf)) ; % 在2窗中画st频谱sf波形的绝对值 axis([-10 10 0 2]); % 设置2号窗坐标轴的范围 xlabel('f');ylabel('|S(f)|'); % 标出横轴、纵轴变量 %sff=tao*sinc(f*tao) ; %例6信号谱

sff=tao*(sin(tao*pi*f)./(tao*pi*f)) ; %例6信号谱 subplot(413) ; % 设置3*1的2号窗

plot(f,abs(sff),'r') % 在2窗中画st频谱sf波形的绝对值，用红色 axis([-10 10 0 2]); % 设置2号窗坐标轴的范围 [tt,st]= F2T_3(f,sf); % 进行离散傅立叶反变换，求原始信号 subplot(414) ; % 设置3*1的3号窗 xlabel('t');ylabel('恢复的s(t)'); % 标出横轴、纵轴变量 plot(tt,st) ;hold off ; % 在3窗中画sf回复的st波形，关闭共画开关 axis([-1 1 0 2]); % 标出横轴、纵轴变量 结果：

14

Matlab与通信仿真 2s(t)10-12-0.8-0.6-0.4-0.20t0.20.40.60.81|S(f)|10-10210-10210-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-8-6-4-20246810-8-6-4-20f246810

实验三 随机信号与数字基带实验

一、实验目的

? 掌握库函数产生随机数方法 ? 基带信号波形生成和其功率谱密度 ? 理解采用蒙特卡罗算法仿真的思想

二、实验原理

（一）.库函数产生随机数

① 均匀分布的随机数

利用MATLAB库函数rand产生。rand函数产生（0，1）内均匀分布的随机数，使用方法如下：

1）x=rand(m)；产生一个m×m的矩阵，所含元素取值均为在（0，1）内均匀分布的随机数。

2）x=rand(m，n)；产生一个m×n的矩阵，所含元素取值均为在（0，1）内均匀分布的随机数。

3）x=rand；产生一个随机数。

4）调用rand(1,N)给出均值为0.5，功率为1/12=0.083的白噪声。

25）调用rand(1,N)给出均值为0.5，功率为?n现在要均值为0，?1/12?0.83的白噪声，

15

Matlab与通信仿真 功率为0.01。 调整均值：用u(n)减上均值即可；调整功率：令希望的功率为P，则需要求出常数a，a?2P/?n?12P，用a乘u(n)。

② 高斯分布的随机数

randn函数产生均值为0，方差为1的高斯分布的随机数，使用方法如下：

1）x=randn(m)；产生一个m×m的矩阵，所含元素都是均值为0，方差为1的高斯分布的随机数。

2）x=randn(m，n)；产生一个m×n的矩阵，所含元素都是均值为0，方差为1的高斯分布的随机数。

3）x=randn；产生一个均值为0，方差为1的高斯分布的随机数。

4）调用randn，生成均值为0，方差为1，服从高斯分布的白噪声信号u(n)。调整均值：

用u(n)加上均值即可；调整功率：令希望的功率为P，则需要求出常数a，a?u(n)。

（二）.基带信号波形生成和信号的功率谱密度

1).要画出完整的基带信号波形，每一个码元要采 n个样。 2）信号f(t)的功率谱密度为：P(?)?limP，用a乘

FT(?)T2T??。

（三）.蒙特卡罗算法

蒙特卡罗估计是指通过随机实验估计系统参数值的过程。蒙特卡罗算法的基本思想：由概率论可知，随机实验中实验的结果是无法预测的，只能用统计的方法来描述。故需进行大量的随机实验，如果实验次数为N，以NA表示事件A发生的次数。若将A发生的概率近似为相对频率，定义为NAN。这样，在相对频率的意义下，事件A发生的概率可以通过重复无限多次随机实验来求得，即：P?A??NA limNN??

在二进制数字通信系统中，若N是发送端发送的总码元数，NA是差错发生的次数，则

总误码率可通过蒙特卡罗算法计算。

三、实验内容

1.产生随机数

利用rand函数产生5×4的（0，2）内均匀分布的随机数；

利用randn函数产生5×4的均值为0，方差为2的高斯分布的随机数。

2. 利用随机数产生单极性基带信号，每一个码元要采 8个样值，并画出其波形和功率谱密。 3.利用蒙特卡罗算法仿真二进制基带通信系统的误码率

假定通信系统满足以下条件：

① 信源输出的数据符号是相互独立和等概的双极性基带信号

16

Matlab与通信仿真 ② 发送端没有发送滤波器，接收端没有接收滤波器 ③ 信道是加性高斯白噪声信道

数字基带信号传输系统模型如图1所示：

发送滤波器噪声图1 数字基带信号传输系统模型

接收滤波器抽样判决器

限：Vd??0，误码率：

当P?1??P?0??12时

?E?1?r?11Pe?erfc??erfc，利用Q(x)????2???2??222???n??可得Q(x)???xe?t/2dt，erfc(x)?22???xe?tdt，

21xerfc()，故可用Q函数表示误码率Pe?Q(r)。抽样判决器输入信噪比：22?r1?E?n1，发12 抽样判决器输入信号为：? r?E2?n?r0??E?n0，发02?E为判决器输入有用信号电压，n1，n0为信道输入的均值为0，方差为?n高斯噪声。

通信系统的蒙特卡罗仿真模型如图2所示。编程实现二进制基带通信系统的误码率的蒙特卡罗仿真，并和理论误码率比较。

图2 通信系统的蒙特卡罗仿真模型

四、预习报告：（原理，流程图，编程思想，基本程序）

17

Matlab与通信仿真 18

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8byx.html