試驗三基于simulink的通信系統(tǒng)仿真

1、實驗三基于simul ink通信系統(tǒng)的仿真實驗目的1掌握simulink仿真平臺的應用。2能對基本調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)進行仿真；3掌握數(shù)字濾波器的設計。二、實驗設備計算機，Mat lab軟件三數(shù)字濾波器設計(1) 、HR數(shù)字濾波器設計1、基于巴特沃斯法直接設計IIR數(shù)字濾波器例5.1：設計一個10階的帶通巴特沃斯數(shù)字濾波器，帶通頻率為100Hz到200Hz, 采樣頻率為1000Hz,繪出該濾波器的幅頻于相頻特性，以及其沖擊響應圖 clear all;N=10;Wn二100 2001/500;b, a=butter (X, Wn, bandpass?);freqz(b, d, 12& 1000

2、)figure (2)y, t =impz (b, a, 101);stem(t, y)2、基于切比雪夫法直接設計IIR數(shù)字濾波器例5. 2：設計一個切比雪夫I型數(shù)字低通濾波器，要求：Ws二200Hz, Wp二100Hz, Rp二3dB, Rs二30dB, Fs二1000Hz clear all;Wp二100;Rp二 3;Ws=200;Rs二30;Fs二1000;X, Wn=cheblord(Wp/(Fs/2), Ws/(Fs/2), Rp, Rs);b, a二chebyl (X, Rp, Wn);freqz(b,a,512,1000);例5.3：設計一個切比雪夫II型數(shù)字帶通濾波器，要求帶通

3、范圍100-250HZ,帶阻上 限為300Hz,下限為50Hz,通帶內(nèi)紋波小于3dB,阻帶紋波為30 dB,抽樣頻率為1000 Hz,并利用最小的階次實現(xiàn)。clear all;Wpl=100;Wph=25O;Wp=Wpl,Wph;Rp=3;Wsl二50;Wsh二300;Ws=Wsl,Wsh;Rs二30;Fs二1000;X, Wn=cheb2ord(Wp/(Fs/2), Ws/(Fs/2), Rp, Rs);b, a=cheby2 (X, Rp, Wn);freqz(b,a,512,1000);實驗內(nèi)容：1設計一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)，它的采樣率為Fs = 100Hz,希望在該系 統(tǒng)中設計一個But

4、terworth型高通數(shù)字濾波器，使其通帶中允許的最小衰減為0. 5dB,阻帶內(nèi)的最小衰減為40dB,通帶上限臨界頻率為30Hz,阻帶下限臨界頻率 為 40Hz。2試設計一個帶阻IIR數(shù)字濾波器，其具體的要求是:通帶的截止頻率:wpl=650Hz、 wp2=850Hz；阻帶的截止頻率：wsl=700Hz、ws2=800Hz；通帶內(nèi)的最大衰減為rp=0. ldB；阻帶內(nèi)的最小衰減為rs=50dB；采樣頻率為Fs=2000Hz。(2) 、FIR數(shù)字濾波器設計1、在MATLAB中產(chǎn)生窗函數(shù)十分簡單：(1) 矩形窗(Rectangle Window)調(diào)用格式：w=boxcar (n),根據(jù)長度n產(chǎn)生一

5、個矩形窗w。(2) 三角窗(Triangular Window)調(diào)用格式：w=triang(n),根據(jù)長度n產(chǎn)生一個三角窗w。(3) 漢寧窗(Hanning Window)調(diào)用格式：w=hanning(n),根據(jù)長度n產(chǎn)生一個漢宇窗w。(4) 海明窗(Hamming Window)調(diào)用格式：w=hamming(n),根據(jù)長度n產(chǎn)生一個海明窗w。(5) 布拉克曼窗(Blackman Window)調(diào)用格式：w=blackman(n),根據(jù)長度n產(chǎn)生一個布拉克曼窗w。(6) 愷撒窗(Kaiser Window)調(diào)用格式：w=kaiser (n, beta),根據(jù)長度n和影響窗函數(shù)旁瓣的B參數(shù)產(chǎn)生一

6、個愷 撒窗w。2、基于窗函數(shù)的FIR濾波器設訃利用MATLAB提供的函數(shù)firl來實現(xiàn)調(diào)用格式:firl (n, Wn, ' ftype* , Window), n為階數(shù)、Wn是截止頻率(如果輸入 是形如W1 W2的矢量時，本函數(shù)將設計帶通濾波器，其通帶為W13W2)、ftype是濾波器的類 型(低通-省略該參數(shù)、高通-ftype二high、帶阻-ftype二stop)、Window是窗函數(shù)。例6.1：設汁一個長度為8的線性相位FIR濾波器。其理想幅頻特性滿足1,0<6)<0.4=<0, elseWindow二boxcar (8);b二firl (7, 0. 4, W

7、indow);freqz (b, 1)例6. 2：設計線性相位帶通濾波器，其長度二15,上下邊帶截止頻率分別為W1二0.3 八，w2=0. 5jiWindow=blackman (16);b二firl (15, 0.3 0. 5, Window);freqz(b,1)例6. 3： MATLAB中的chirp, mat文件中存儲信號y的數(shù)據(jù)，該信號的大部分號能量集 中在Fs/4 (或二分之一奈奎斯特)以上，試設計一個34階的FIR高通濾波器，濾除頻 率低于Fs/4的信號成分，其中濾波器的截止頻率為0.48,阻帶衰減為30dB,濾波器 窗采用切比雪夫窗clear all;load chirpwin

8、dow二chebwin(35, 30);b=firl(34,0. 48, high' , window):yfit=filter(b, 1, y);Py, fy=pburg(y, 10, 512, Fs);Pyfit, fyfit=pburg(yfit, 10, 512, Fs);plot(fy, 10*logl0(Py), * J ,fyfit, 10*logl0(Pyfit);grid onylabel('幅度(dB)')xlabel('頻率(Hz')legend('濾波前的線性調(diào)頻信號'，'濾波后的線性調(diào)頻信號')實

9、驗內(nèi)容：1用矩形窗設計線性相位FIR低通濾波器。該濾波器的通帶截止頻率 wc=pi/4,單位脈沖響力S)的長度護21。并繪出h(n)及其幅度響應特性曲線。2試用頻率抽樣法設計一個FIR低通濾波器，該濾波器的截止頻率為0.5pi,頻率抽 樣點數(shù)為33。四實驗原理1模擬通信系統(tǒng)的仿真原理調(diào)制的作用：（1）實現(xiàn)信號的頻譜搬移，適應在頻帶信道內(nèi)的傳輸；（2）當頻帶信道帶寬遠大于信號帶寬時，可以將多路基帶信號調(diào)制到互不重疊的 頻帶上，充分利用信道帶寬，實現(xiàn)頻分復用（FDM）；（3）不同的調(diào)制方式具有不同的有效性和可幕性（如FM的可靠性好而有效性差， AM有效性好而可靠性差），可以根據(jù)需要選用合適的調(diào)制方

10、法。1.1 AM信號的調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制原理：AM調(diào)制是用調(diào)制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號 的規(guī)律變化的過程，就是按原始電信號的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過程。圖1-1 AM調(diào)制原理框圖AM信號的時域和頻域的表達式分別為：SAM (/)=人 +aw(/)cos%()=cos coc (z) + /n(r)cos coc (f)SAM (e) =b(e + 畋)+-畋)+g M (e + 如)+ M (ty - coc)式（IT）| 式（1-2）在式中，州為外加的直流分量；啲可以是確知信號也可以是隨機信號，但通常認為其平均值為0,即其頻譜是DSBSC-AM信號的頻譜加上離散大載波

11、的頻 譜。解調(diào)原理：AM信號的解調(diào)是把接收到的已調(diào)信號$血還原為調(diào)制信號心皿信號的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡檢波解調(diào)。AM相干解調(diào)原理框圖如圖1-2。相干解調(diào)（同步解調(diào)）：利用相干載波（頻率和 相位都與原載波相同的恢復載波）進行的解調(diào)，相干解調(diào)的關(guān)鍵在于必須產(chǎn)生一個 與調(diào)制器同頻同相位的載波。如果同頻同相位的條件得不到滿足，則會破壞原始信 號的恢復。相干載波的提?。海?）導頻法：在發(fā)送端加上一離散的載頻分量，即導 頻，在接收端用窄帶濾波器提取出來作為相干載波，導頻的功率要求比調(diào)制信號的 功率小；（2）不需導頻的方法：平方環(huán)法、COSTAS環(huán)法。圖1-2 AM相下解調(diào)原理框圖AM信號波形的包

12、絡與輸入基帶信號秒（£）成正比，故可以用包絡檢波的方法恢復原 始調(diào)制信號。包絡檢波器一般由半波或全波整流器和低通濾波器組成：（1）整流：只保留信號中幅度大于0的部分；（2）低通濾波器：過濾出基帶信號；（3）隔直流電容：過濾掉直流分量?？梢允褂冒j檢波器進行解調(diào)，成本低，大功率離散載波造成的成本問題山廣 播電臺解決，解調(diào)不需要載波提取電路。并且在高信噪比悄況下，包絡檢波解調(diào)具 有與相干解調(diào)相同的解調(diào)輸出信噪比，在小信噪比時，輸出信噪比不是按比例的隨 著輸入信噪比下降，而是急劇下降，這種現(xiàn)象稱為“門限效應”，相干解調(diào)不存在門 限效應，因為有用信號和噪聲在相干解調(diào)中不會相混，包絡檢波中輸出

13、有用信號和 噪聲不再是相加的，而是相混的，即是有用信號分量乘以噪聲，這時已經(jīng)很難從輸 出中區(qū)分出有用信號了。1.2 DSB信號的調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制原理：在幅度調(diào)制的一般模型中，若假設濾波器為全通網(wǎng)絡（日的）=1）, 調(diào)制信號滋©中無直流分量，則輸出的已調(diào)信號就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號 （DSB）o每當信源信號極性發(fā)生變化時，調(diào)制信號的相位都會發(fā)生一次突變?nèi)?。SqsbU）=加（f）COS CDct式（1-3 ）調(diào)制的LI的就是進行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從 而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴SB調(diào)制原理框圖如圖1-3：m(t)Sdsb (t)coso ct

14、圖1-3 DSB調(diào)制原理框圖DSB信號實質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘，頻域上就是卷積，表示式為:M(Q+畋)+冊(0_畋)式(1-4)(1) 經(jīng)調(diào)制后，調(diào)制信號的帶寬變?yōu)樵鶐盘柕?倍：模擬基帶信號帶寬為肌則調(diào)制信號的帶寬為2肌(2) 調(diào)制信號中不含離散的載頻分量：因為原模擬基帶信號中不含離散直流分量。(3) 包含上下兩個邊帶，且攜帶相同信息(雙邊帶)；(4) 不論是確定信號的頻譜，還是隨機信號的功率譜，都是基帶信號頻譜/功率譜 的線性搬移。因而被稱為線性調(diào)制。解調(diào)原理：DSB只能進行相干解調(diào)，其原理框圖與AM信號相干解調(diào)時完全相同, 利用恢復的載波與信號相乘，將頻譜搬移到基帶，還原出原基

15、帶信號。圖1-4 DSB解調(diào)原理框圖(1) 當恢復載波與原載波頻率不完全一樣時，解調(diào)信號是原基帶信號與低頻正弦 波的乘積；(2) 若恢復載波與原載波頻率相同，而相位不同時，輸出信號達不到最大值。2數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真原理數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實際應用中，大多數(shù)信道具 有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須使 用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號的過程稱為數(shù)字調(diào)制。通常使 用鍵控法來實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，比如對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控。數(shù)字調(diào)制：（1）數(shù)字信號通過正

16、弦載波調(diào)制成頻帶信號；（2）數(shù)字信號控制正弦載波的某個參量；（3）鍵控信號：對載波參量的離散調(diào)制。2.1 ASK信號的調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制原理：數(shù)字信號對載波振幅調(diào)制稱為振幅鍵控即ASK （Amplitude-Shift Keying）, 00K就是用單極性不歸零碼控制正弦載波的開啟與關(guān)閉，實現(xiàn)非常簡單， 抗噪聲性能不好。ASK有兩種實現(xiàn)方法：1.乘法器實現(xiàn)法2.鍵控法。乘法器實現(xiàn)法 的輸入是隨機信息序列，經(jīng)過基帶信號形成器，產(chǎn)生波形序列，乘法器用來進行頻 譜搬移，相乘后的信號通過帶通濾波器濾除高頻諧波和低頻干擾。鍵控法是產(chǎn)生ASK 信號的另一種方法。二元制ASK 乂稱為通斷控制（00K）o最典型

17、的實現(xiàn)方法是用一 個電鍵來控制載波振蕩器的輸出而獲得。Acosq/ 一心）/l=-X如脈沖成型低 A通濾波器X的）=工q&a-昭）圖1-8 ASK乘法器實現(xiàn)法框圖解調(diào)原理：ASK的解調(diào)有兩種方法：1.包絡檢波法2.相干解調(diào)。同步解調(diào)也稱相 干解調(diào)，信號經(jīng)過帶通濾波器抑制來自信道的帶外干擾，乘法器進行頻譜反向搬移， 以恢復基帶信號。低通濾波器用來抑制相乘器產(chǎn)生的高次諧波干擾。山于AM信號波 形的包絡與輸入基帶信號刑C）成正比，故也可以用包絡檢波的方法恢復原始調(diào)制信 號。包絡檢波器一般山半波或全波整流器和低通濾波器組成。相干解調(diào)框圖和包絡檢波框圖分別如圖4-9和圖4-10：帶通亠相乘4低通

18、亠抽樣濾波電路濾波判決S(t)COS( 3 °t)A(t)圖1-9 ASK相干解調(diào)框圖圖1-10 ASK包絡檢波框圖5.1.1.1 AM相干解調(diào)框圖圖5-1 AM相干解調(diào)框圖四.通信系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析5.1模擬通信系統(tǒng)結(jié)果分析Simulink仿真流程（完成的Simulink總體框圖、每個模塊所在位置及參數(shù)設置的說明，自定義模塊的框圖及參數(shù)）5.1.1 AM模擬通信系統(tǒng)f 口 HSoopo信源參數(shù)參數(shù)：幅度1頻率10rad/s載波參數(shù)：幅度1頻率lOOrad/sBPF參數(shù)：下限頻率90rad/s上限頻率110rad/sLPF參數(shù)：截止頻率10rad/s高斯口噪聲參數(shù)：均值0標準差001

19、5.1.1.2 AM包絡檢波解調(diào)框圖圖5-2 AM包絡檢波框圖信源參數(shù)：幅度1頻率10rad/s載波參數(shù)：幅度1頻率100rad/sBPF參數(shù)：下限頻率90rad/s上限頻率110rad/sLPF參數(shù)：截止頻率10rad/s高斯口噪聲參數(shù)：均值0標準差0.01全波整流器參數(shù)參數(shù)：下限0上限inf5.1.2 DSB模擬通信系統(tǒng)5. 1.2. 1 DSB相干解調(diào)框圖圖5-3 DSB相干解調(diào)框圖 信源參數(shù)參數(shù)：幅度1頻率10rad/s 載波參數(shù)：幅度1頻率100rad/sBPF參數(shù)：下限頻率90rad/s上限頻率110rad/sLPF參數(shù)：截止頻率10rad/s高斯口噪聲參數(shù)：均值0標準差0.01圖

20、5-4 SSB濾波法USB框圖5. 1.3.2濾波法LSB框圖5. 2仿真結(jié)果框圖5. 2. 1 AM模擬系統(tǒng)仿真結(jié)果5.2. 1.1 AM相干解調(diào)波形上：解調(diào)波形下：信源波形圖5-6 AM相干解調(diào)波形圖5-7 AM調(diào)制波形16125.2. 1.3 AM包絡檢波解調(diào)波形上：解調(diào)波形下：信源波形圖5-8 AM包絡檢波解調(diào)波形5. 2. 2 DSB模擬系統(tǒng)仿真結(jié)果5.2.2. 1 DSB相干解調(diào)波形上：解調(diào)波形下：信源波形0：04圖5-9 DSB相干解調(diào)波形5. 2. 2. 2 DSB在調(diào)制過程中的調(diào)制波形上：調(diào)制波形下：信源波形圖5-10 DSB調(diào)制波形從波形圖可以看出，不論是AM、SSB、DS

21、B,由于系統(tǒng)模型經(jīng)歷多個模塊，會造 成一定的時延。解調(diào)過后的信號波形不僅有相位的延遲，而且在幅度上也低于信源 波形。AM解調(diào)時，應注意濾除直流分量，AM相干解調(diào)減去的直流分量與計算結(jié)果相 符，然而AM包絡檢波需要減去一個工程值，這個數(shù)值并非計算所能得出，需要進行 仿真嘗試得出。5. 3數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)果分析Simulink仿真流程（完成的Simulink總體框圖、每個模塊所在位置及參數(shù)設置 的說明，自定義模塊的框圖及參數(shù)）5. 3.1 ASK數(shù)字通信系統(tǒng) 5. 3.1.1 ASK模擬相乘法、相干解調(diào)框圖圖5-14 ASK模擬相乘法、相解調(diào)框圖 信源參數(shù)：0碼概率0.5采樣時間Is載波參數(shù)：幅度1頻率100rad/s高斯口噪聲參數(shù)：均值0標準差0. 001BPF參數(shù)：下限頻率90rad/s上限頻率110rad/sLPF參數(shù)：截止頻率10rad/s判決器參數(shù)：門限0.255. 3. 1.2 ASK模擬相乘法、包絡檢波解調(diào)框圖圖5-15 ASK模擬相乘法、包絡檢波解調(diào)框圖信源參數(shù)：0碼概率0.5采樣時間Is載波參數(shù)：幅度1頻率lOOrad/s高斯口噪聲參數(shù)：均值0標準差0. 001BPF參數(shù)：下限頻率90rad/s上限頻率110rad/sLFF參數(shù)：截止頻率10rad/s判決器參數(shù)：門限0.25全波整流器