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1、课程设计任务书计算机与通信工程学院通信工程专业课程名称通信原理课程设计学生姓名袁清欣时间20132014学年第一学期1819周指导老师|曹敦题目 噪声产生器的MATLAB实现及性能分析一一噪声带宽为1.7MHz主要内容:本课程设计的目的主要是仿真噪声产生器。利用 m序列模拟高斯白噪 声，调制频率搬移到17MHz后，送入一带宽为1.7MHz的带通滤波器，得 到带宽为1.7MHz的带限白噪声，示波器上观察该噪声波形，并观察其频谱, 与同组同学比较各种不同带宽噪声的波形和性能。要求：(1)本设计开发平台为 MATLAB中的Simulink。(2)模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合
2、。(3)处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。(4)独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。应当提交的文件：(1)课程设计学年论文。(2)课程设计附件(主要是模型文件和源程序)袁清欣噪声产生器的 MATLA取现及性能分析第7页共13页噪声产生器的MATLAB；现及性能分析噪声带宽为 1.7MHz学生姓名：袁清欣指导老师：曹敦摘 要 本课程设计的目的主要是仿真噪声产生器，分析其性能并与同组同学对比。首 先利用MATLAB中的Simulink产生m序列来模拟高斯白噪声，再将其送入一带宽为 1.7MHz的带通滤波器，得到带宽为1.7MHz的带限白噪声，示波器上观察该噪声波形。在本课程设计中
3、采用的是一个 4级的m序列模拟高斯白噪声，仿真后得到了 1.7MHz的 带限白噪声，通过对其性能分析达到设计要求。关键词 噪声产生器；高斯白噪声； MATLAB/Simulink1引言噪声产生器可以用来测量通信系统在不同信噪比条件下的性能。而噪声二极管做 成的噪声产生器，在测量数字通信系统的性能时不很适用。因为它在一段观察时间内产 生的噪声的统计特性，不一定和同样长的另一段观察时间内的统计特性相同。测量得到 常误码率常常很难重复得到。本课程设计主要是借助 MATLAB中的Simulink为平台， 用m序列的一部分频谱作为噪声产生器的噪声输出，产生带限高斯白噪声，进行噪声产 生器的仿真。虽然是伪
4、噪声，但有可重复性。1.1 课程设计的目的本课程设计的目的主要是仿真噪声产生器。利用m序列模拟高斯白噪声，调制频率搬移到17MHz后，送入一带宽为1.7MHz的带通滤波器，得到带宽为1.7MHz的带限 白噪声，示波器上观察该噪声波形，并观察其频谱，与同组同学比较各种不同带宽噪声 的波形和性能。从而加深对m序列伪噪声特性的理解，增强独立思考与解决问题的能力， 为以后的研究和就业带来一定的帮助。1.2 课程设计的要求(1)本设计开发平台为 MATLAB中的Simulink。(2)模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。(3)处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。(4)独立完成
5、课程设计并按要求编写课程设计报告书。1.3 设计平台本设计开发平台为MATLAB中的Simulink。1.4 课程设计的步骤(1)利用Simulink产生一个4级的m序列，示波器观察其波形。(2)通过与高频正弦波信号相乘使 m序列频率搬移到17Mhz(3)通过带宽为1.7Mhz的带通滤波器，设置相应的参数，得到帚限白噪声。(4)示波器观察该噪声波形并且通过频谱仪观察其功率谱密度等特性。(5)与同组同学分析对比不同带宽噪声的性能。2基本原理2.1 设计平台简介MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术 计算语言和交互式环境。1Simulink是MATLAB里的工具
6、箱之一，可提供14类基本模块库和许多专业模块子 集。主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析。Simulink提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动，便能迅速地建立起系统框图模型，并在此基础上对系统进行仿真 分析和改进设计。2.2 m序列m序列是目前广泛应用的一种伪随机序列，不能预先确定但可以重复产生。其在通信领域有着广泛的应用，如扩频通信，卫星通信的码分多址，数字数据中的加密、加 扰、同步、误码率测量等领域。对于一个n级反馈移位寄存器来说，最多可以有2n个状态，对于一个线性反馈移位寄存器来说，全“0状态不会转入其他状态，所以线性移位寄存器的序列的最长周期为2n 1 0当n级线性移位寄存器产
7、生的序列ai的周期为T = 2n - 1时，称ai为n图2-1线性反馈移位寄存器由于带有反馈，因此在移位脉冲作用下，移位寄存器各级的状态将不断变化，通常 移位寄存器的最后一级做输出，输出序列为二汹久T。当移位寄存器 的级数及时钟一定时，输出序列就由移位寄存器的初始状态及反馈逻辑完全确定。1线性反馈移位寄存器的特征多项式是用多项式f(x)来描述线性反馈移位寄存器的n反馈连接状态：f (x) = C0+cx+ ,.+CnXn =工qxi。若一个n次多项式f(x)满足下 i =0列条件(1)f(x)为既约多项式(即不能分解因式的多项式)；(2) f(x)可整除(xp + 1),p = 2n - 1
8、；(3)f (x)除不尽(xq + 1) , q 2fH来计算,1fs2 M 17 +、=2.80112e - 8s ,此处取 文 1000000)袁清欣噪声产生器的 MATLA取现及性能分析第10页共13页T =(2.7e 8)s,其参数设置如图3-7所示。图3-7零阶保持器模块参数设置功率谱密度分析仪(Power Spectral Density疹数设置如图3-8所示。图3-8功率谱密度分析仪参数设置将示波器(Scope股为四个/&入，使m序列、正弦载波、已调信号和带通信号一起 显示。其参数设置如图3-9所示。Scope parametersGeneralData historyTip:
9、try Flight clicking on aixesAxesNtunber of Sixes: 4floatirtg scopeTime range: |4e-0D5Tick labels: | bottom 君xks only SamplingDecimationi |-1OKCancelHelpApply由于周期极短，将运行时间设为1e-4,即可运行，观察示波器输出波形以及功率 谱密度曲线。4仿真结果及性能分析本课程设计的仿真结果通过连接一个四输入端的示波器来观察，可直观地看出m序列反馈移位寄存器输出的 m序列波形，正弦高频载波波形，搬移频率后的已调信号波 形，以及通过带通滤波器(An
10、alog Filter Design)后的信号波形。其频谱分析则通过零阶保 持器(Zero-Order Hold)采样后，由功率谱密度分析仪(Power Spectral Density球呈现。4.1 时域波形m序列反馈移位寄存器的初始值设为 1111,则此m序列产生器产生的m序列为： 111101011001000示波器的4个窗口分别用来显示 m序列码型、高频正弦载波信号、 乘法器(Product)输出已调信号、通过带通滤波器(Analog Filter Design)后的带通白噪声 波形。为观察方便，将示波器y值分别设为01.5, 01.5, 01.5, -1.51.5o 4幅时域波 形图
11、如图4-1所示。ThraMHd OKE勘图4-1时域波形图1104.2 频谱分析o . A - D A - Dm序列的自相关函数为R(j ) = ATTd = mm 0其中A表示该序列与其j次移 位序列一个周期中对应元素相同的数目；D表示该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目;m表示该序列的周期。由m序列的均衡性可知，m序列一周期中=0=1,2, m _ 1“0”的数目比“ 1”的数目少一个，所以1， jR(j ) =1.，j m若把m序列当作周期性连续函数求其自相关函数，则可以求出其自相关函数为: m + 1 ；丁_ T1 - T00 w T-i T w，,i = 0, 1, 2
12、,R(e)= T0m!_!其他m由于信号的自相关函数与功率谱密度构成一对傅里叶变换。因此，很容易对m序列的自相关函数式作傅里叶变换，求出其功率谱密度:- mPS( )2m2CO1俨3T0/2叫Zi(叫 / 2m)ny、n -0功率谱密度曲线图如图4-2所示。石图4-2功率谱密度曲线Ps (w)的特性趋于白噪声的功率谱可见，m序列的功率谱密度的包络是(叫*)2形的, x密度特性。而通过功率谱密度分析仪(Power Spectral Density)观察到的第一个图即为 时域波形，第二个为横坐标对应-pi0的功率谱密度曲线。显示如图4-3所示。癌吉产生哭的|/|ATI 国:例乃枇台RA桁9第11页
13、共13页图4-3频谱图1米样频率fs=1/2.7e-8=3.7037037e7hz约为37Mhz。由频谱图的第二幅可以读 出，横坐标值为-2.904,主瓣宽度为0.291,而横坐标的-冗0对应的是频率的0，,所、，、 f_， 、以频率为-2.904 / (-兀)区工 =17115103Hz,约为17Mhz,符合实验设置。带宽2 J为 0.291 / （冗）m，、2)=1715337,约为1.7Mhz,符合实验设置。其形状呈高斯分布,符合高斯白噪声特性，与上述原理相符。与同组同学对比发现，带宽越大，噪声产生器输出频谱的高斯统计特性就越明显。15Mhz频率，1Mhz带宽，采样率为31Mhz的带通白
14、噪声频谱图如图4-4(a)所示；12Mhz 频率，1.2Mhz带宽，采样率为25.2Mhz的输出频谱图如图4-4 (b)所示；10Mhz频率， 1.5Mhz带宽，采样率为21.5Mhz的如图4-4 (c)所示。袁清欣噪声产生器的 MATLA取现及性能分析第13页共13页3J6D BO too 130TmetwcaJPo-Br Spodnil 口cnsilyJ Fuarc 5|iru1 t m.B Dcna-jl yTirry hisloijf口百 01D.5司 网 印 印 1ml加Tima (wi)Tims hHtnrf加 朝 凰 80Timr (isn)10012Q5 43-3-POWfr
15、SpttlM 口印切丁-3-2.5-2-1.5-1-05Fiequmcy (rfedi内电目Pggi Spscirai Dmhy(phftw)(a)(b)(c)Pdwqi SpaU曲 Dtnsriy.16 J J 5-14J.Frequency nd谒e)Pe*Tf Spe?clr-3l CMr1he)。百 J1 -l.S d 0.5Frsquenr (radiZsKl图4-4其它带宽白噪声频谱图5结束语课程设计刚开始进行的时候无从下手，网上的资源相对其它课题也非常的贫瘠。 通过老师的讲解、同学的探讨以及翻阅书籍，我逐渐了解了本设计的原理及流程。在各 个模型的参数设置上我也遇到了一些障碍。 例
16、如设计过程中有一些不合法的错误导致无 法运行、运行时示波器显示过慢以致观察不到波形、某些参数计算错误导致波形不符合 实验要求等等。在一遍遍地思考、更改、运行过后，将各个模型的采样时间根据实验原 理重新计算取值，例如零阶保持器的采样时间改为根据采样频率大于 2倍最高频率计算, 运行时间也缩短为1e-4,最终成功地观察到了正确的时域波形及频谱。这一课程设计使我们对课堂上的理论知识有了进一步的理解，提高了分析和解决问题的能力。同时增强了对通信原理这门课程的兴趣以及独立思考的意识。尽管最终呈现 容内容并不复杂，但探索的过程却是艰难而曲折的，这也正是我们的收获所在。在以后的学习生活中，我会更加努力，更多的思考理论知识与生活实践的联系，在深入理解原理的基础上，灵活的加以运用，积极参与各种设计实践活动，不断提高自己 的综合能力，真正做到学以致用。参考文献1樊昌信，曹丽娜.通信原理.第6版.国防工业出版社2殷春芳，许波.基于Simulink的通信系统仿真3邓华 等.Matlab通信仿真及应用实例详解.人民邮电出版社