基于matlabsimulink模塊微弱信號仿真

1、基于matlab和simulink關(guān)于信號調(diào)制解調(diào)及濾波的仿真實驗 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 機(jī)械工程 導(dǎo) 師： 指導(dǎo)教師： 微弱信號長距離傳輸?shù)姆抡鎸嶋H生產(chǎn)生活中，許多信號源并不是那么的強(qiáng)，甚至很弱；要么就是信號在長距離傳送過程中常常會因能量泄漏而造成信號越來越弱。那么人們對微弱信號進(jìn)行處理的呢？其實際就是將微弱信號進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)、濾波等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)微弱信號的長距離傳輸。本文就是基于matlab及其simulink模塊來針對這一種情況進(jìn)行讓真試驗。其中simulink是matlab模塊之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀

2、的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點simulink被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計?；诖吮疚囊仓饕\(yùn)用simulink來進(jìn)行微弱信號長距離傳輸?shù)姆抡嬖囼灐８鱾€仿真模型模塊的建立以及相關(guān)原理一：在調(diào)制之前是否加噪聲對比1、 調(diào)制 所謂調(diào)制，就是將各種數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(已調(diào)信號)，用基帶信號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號傳輸。調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘?，這就意味著把基帶信號（信源

3、）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號。該信號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。調(diào)制可以通過使高頻載波隨信號幅度的變化而改變載波的幅度、相位或者頻率來實現(xiàn)。在此次仿真實驗中，采用調(diào)幅調(diào)制，使載波的幅度隨著調(diào)制信號的大小變化而變化的調(diào)制方式。根據(jù)作業(yè)原始信號為幅值為1.5、頻率為5hz的正弦信號；調(diào)制信號為幅值為1.5，頻率為100hz的高頻正弦信號；干擾信號為服從高斯分布的隨機(jī)信號，均值為0，方差為0.05的基本要求首先得出調(diào)制的仿真模型及其調(diào)制原理。1） 不加噪聲的調(diào)制模型圖1.0不加噪聲的調(diào)制模型圖2）加噪聲的調(diào)制模型圖1.1加噪聲調(diào)制仿真模型2) 各信號及其波形：1 原信號

4、：加噪聲與否并不影響原信號波形都一樣，皆為頻率,幅值為1.5的正弦信號，其波形如圖1.2所示：圖1.2原信號波形圖2 噪聲：服從高斯分布的隨機(jī)信號，均值為0，方差為0.05，圖1.3隨機(jī)噪聲信號波形圖3 載波信號：的高頻正弦信號圖1.4載波信號波形圖4 調(diào)制后信號：圖1.5加噪聲調(diào)制后的信號波形圖圖1.6不加噪聲調(diào)制后的信號波形圖3) 各信號波形以及調(diào)制原理分析：原信號為頻率為5hz的低頻正弦信號，載波信號為頻率為100hz的高頻正弦信號。由各波形圖，載波信號比原信號密集，單位時間傳播的信號數(shù)比原信號多。經(jīng)過調(diào)制后，由調(diào)制后波形圖可看出，信號波形的頻率和載波信號一致，而信號波形的包絡(luò)線與原信號

5、波形基本一致。其中的波形有輕微的波動則是由于噪聲影響而引起的。根據(jù)調(diào)幅調(diào)制的原理，調(diào)幅使載波的振幅按照所需傳送信號的變化規(guī)律而變化，但頻率保持不變。2、解調(diào)所謂解調(diào)，就是在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號還原成數(shù)字基帶信號，將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的接受者（信宿）處理和理解的過程。1） 不加噪聲解調(diào)模型圖2.0不加噪聲解調(diào)模型2）加噪聲解調(diào)模型：圖2.1解調(diào)仿真模型2）各信號及其波形：1 調(diào)制后信號： 因為這個是噪音加在調(diào)制之前的解調(diào)模型，所以調(diào)制信號和上一小節(jié)的加噪聲調(diào)制后信號一樣，其波形圖和圖1.5一樣。圖2.2加噪聲調(diào)制后的波形圖2 解調(diào)信號：的高頻正弦信號圖2.3解調(diào)信號波形圖3

6、解調(diào)后信號：經(jīng)解調(diào)后產(chǎn)生的信號。圖2.4加噪聲解調(diào)后信號的波形圖圖2.5不加噪聲解調(diào)后信號的波形圖3） 各信號波形及解調(diào)原理分析：由解調(diào)信號圖知，解調(diào)信號與調(diào)制信號是一致的。解調(diào)后的信號波形，其大致輪廓與原信號波形大致相似。信號波動比較大，是因為其內(nèi)包含有噪聲、調(diào)制信號和解調(diào)信號這三種信號波，在這些信號波的影響下，信號的波動較明顯。解調(diào)是從攜帶消息的已調(diào)信號中恢復(fù)消息的過程，是調(diào)制的逆過程。調(diào)幅信號的解調(diào)需要一個頻率和相位與被抑制載波完全一致的正弦振蕩波，使這個由接收機(jī)復(fù)原的載波和調(diào)幅信號相乘，這種方式稱為同步檢波，也稱為相干解調(diào)。3、濾波所謂濾波（wave filtering）指的是將信號中

7、特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。現(xiàn)代濾波，用模擬電子電路對模擬信號進(jìn)行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率濾波特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時，是把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。a、當(dāng)允許信號中較高頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做高通濾波器。b、當(dāng)允許信號中較低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通濾波器。c、設(shè)低頻段的截止頻率為fp1,高頻段的截止頻率為fp2:頻率在

8、fp1與fp2之間的信號能通過其它頻率的信號被衰減的濾波器叫做帶通濾波器；反之，頻率在fp1到fp2的范圍之間的被衰減，之外能通過的濾波器叫做帶阻濾波器。而本次仿真試驗用到的是現(xiàn)代濾波中的低通濾波器。1) 濾波模型模塊：圖3.0不加噪聲濾波模型圖圖3.1加噪聲濾波模型圖2) 低通濾波器設(shè)置：濾波器的作用是可以對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的信號。而所謂低通濾波器則是指允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。本仿真試驗使用的低通濾波器為fir濾波器，又稱為非遞歸型濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，在進(jìn)入f

9、ir濾波器前，首先要將信號通過a/d器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；為了使信號處理能夠不發(fā)生失真，信號的采樣速度必須滿足奈奎斯特定理，一般取信號頻率上限的4-5倍做為采樣頻率。在matlab的“命令行窗口”中輸入指令fdatool，進(jìn)入濾波器設(shè)計界面，對濾波器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：圖3.2濾波器設(shè)置界面然后通過“file - export to simulink model”將設(shè)計好的fir濾波器導(dǎo)入simulink模塊中。3) 各信號及其波形：1 解調(diào)后信號：同理其波形就是圖2.4的波形。圖3.3加噪聲解調(diào)后的波形圖圖3.4不加噪聲解調(diào)后的波形圖2 經(jīng)濾波后的輸出信號：圖3.4加噪聲

10、濾波后的輸出信號波形圖3.5不加噪聲濾波后的輸出信號波形4) 各信號波形及濾波原理分析：通過解調(diào)后的信號波形與濾波后的信號波形相比較，后者波形大致是前者的輪廓線。并且，最終輸出信號除了波峰、波谷處有略微的波動外，基本上與原信號一致。因為載波信號的幅值的設(shè)置恰好與原信號一致，因此不需要增益回復(fù)信號。濾波，對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的信號，除去高頻信號，得到原信號，即可得到驗證。二：基于噪聲不同位置輸入情況下，從信噪比、相關(guān)系數(shù)以及頻譜三個方面比較原信號和最終輸出信號1、噪聲在調(diào)制之前輸入 1）信噪比： 把原信號和最終輸出信號數(shù)

11、據(jù)導(dǎo)出，令原信號為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過下列程序進(jìn)行信噪比的計算： x=max(a1); y=max(a2); z=x-y; snr=20*log10 (y/z)；可得：snr=9.1386信噪比的值比較小。因為原信號的幅值為1.5，是一個相對來說比較小的值，因而噪聲對其的影響比較大，從而信噪比的值較小。 2）相關(guān)系數(shù)： 把原信號和最終輸出信號數(shù)據(jù)導(dǎo)出，令原信號為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過下列程序進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計算： p=min(min(corrcoef(a1,a2); 可得：p=0.9796 相關(guān)系數(shù)與1相差不是很大。觀察最終輸出信

12、號的波形圖，波峰、波谷處對干擾的濾波不完全，因此與原信號由差異。因為干擾的影響相對比較小，因此最終輸出信號與原信號的相關(guān)性還是比較大的。 3）相關(guān)頻譜：原信號頻譜：圖1不加噪聲原信號頻譜圖圖2加噪聲原信號頻譜圖濾波后最終輸出信號頻譜：圖3不加噪聲濾波后信號頻譜圖圖4加噪聲濾波后信號頻譜圖由上圖可以看出，原信號的頻譜圖穩(wěn)定，而最終輸出信號的頻譜圖不穩(wěn)定，變化無規(guī)律，但兩者總體變化趨勢基本一致。雖然信號中的干擾信號經(jīng)過了濾波處理，但還是有一些影響不可消除。因此不同頻率處由于干擾的存在，能量變化無規(guī)律，便造成了最終輸出信號頻譜圖的不穩(wěn)定波動，而總體變化滿足正弦信號頻譜圖變化規(guī)律的要求。2、噪聲在解調(diào)

13、之后，濾波之前輸入1）信噪比： 把原信號和最終輸出信號數(shù)據(jù)導(dǎo)出，令原信號為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過下列程序進(jìn)行信噪比的計算： x=max(a1); y=max(a2); z=x-y; snr=20*log10 (y/z)；可得：snr=21.6886信噪比的值比前面一種情況下要大。噪聲是在信號解調(diào)后加入，解調(diào)后信號的能量相對比原信號的能量值要大，且前者影響整個信號的傳輸過程，因此噪聲的相對影響比前面一種情況要小。故此，此時的信噪比變大。 2）相關(guān)系數(shù)： 把原信號和最終輸出信號數(shù)據(jù)導(dǎo)出，令原信號為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過下列程序進(jìn)行相關(guān)

14、系數(shù)的計算： p=min(min(corrcoef(a1,a2);可得：p=0.9818相關(guān)系數(shù)與1還有一點差距，但與前者的相關(guān)系數(shù)相比，可以說，該種情況下與原信號的相關(guān)性比前者好。噪聲在信號解調(diào)后加入，解調(diào)后信號的能量相對比原信號的能量值要大，且前者影響整個信號的傳輸過程，因此噪聲的相對影響比前面一種情況要小。那么，在波峰、波谷處的波動相對要小。所以相關(guān)性比前者要提高。 3）相關(guān)頻譜：原信號頻譜：圖5加噪聲原信號頻譜圖濾波后最終輸出信號頻譜：圖6不加噪聲原信號頻譜圖由上圖可以看出，原信號的頻譜圖穩(wěn)定，而最終輸出信號的頻譜圖不穩(wěn)定，變化無規(guī)律，但兩者總體變化趨勢基本一致。雖然信號中的干擾信號經(jīng)

15、過了濾波處理，但還是有一些影響不可消除。因此不同頻率處由于干擾的存在，能量變化無規(guī)律，便造成了最終輸出信號頻譜圖的不穩(wěn)定波動，而總體變化滿足正弦信號頻譜圖變化規(guī)律的要求。3、從表達(dá)式比較分析：調(diào)至之前輸入噪聲時，解調(diào)后信號表達(dá)式：；解調(diào)之后、濾波之前輸入噪聲時的表達(dá)式： 。由以上兩個表達(dá)式，前者的噪聲乘了個2.25，噪聲值大于后者，對信號的干擾性比后者大。因此，后者在信噪比和相關(guān)系數(shù)上面顯示的效果比前者好。三、心得體會通過上次小作業(yè)的基礎(chǔ)奠定，本次仿真實驗變得輕松了許多。當(dāng)然了我所學(xué)到的僅僅是matlab里面的一點皮毛，而且即使是已經(jīng)運(yùn)用過的simulink模塊，在使用過程中也有一些的不解之處。所以我認(rèn)為這次大作業(yè)通過運(yùn)用matlab中的simulink模塊建立各個仿真模型進(jìn)行仿真試驗，加深了對調(diào)制、解調(diào)和濾波的理解，也深化了我對matlab的認(rèn)識，并熟練了simulink操作還學(xué)會了運(yùn)用fdatool工具箱。具體如下： 首先，我更加清晰明了的認(rèn)識到simulink能夠提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，并且具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點。還有就是matlab的fdatool工具箱，