基于simulink的DSB調制解調-設計報告

信息處理課程設計報告題目：基于simulink的DSB調制與解調系統(tǒng)設計基于simulink的DSB調制與解調系統(tǒng)設計摘要本課程設計主要運用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺設計進行DSB調制與相干解調系統(tǒng)仿真。在本次課程設計中先根據DSB調制與解調原理構建調制解調電路，從Simulink工具箱中找所各元件，合理設置好參數并運行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號，之后分別參加高斯白噪聲，并分析對信號的影響，最后通過對輸出波形和功率譜的分析得出DSB調制解調系統(tǒng)仿真是否成功。關鍵詞：Simulink；DSB；調制；相干解調目錄1設計任務-1-1.1設計的目的和意義-1-1.2設計任務與要求-1-2系統(tǒng)原理-1-2.1DSB調制原理-1-2.2DSB解調原理-2-3設計方案-3-3.1仿真平臺-3-3.2錄音功能的實現(xiàn)-5-3.3調制模塊設計-7-3.4高斯白噪聲信道-9-3.5解調模塊設計-10-3.6總體模型-11-4系統(tǒng)特性分析-12-4.1頻譜分析-12-5總結-14-5.1遇到的問題-14-5.2致謝-15-參考文獻-15-1設計任務1.1設計的目的和意義通信技術的開展日新月異，通信系統(tǒng)也日趨復雜，在通信系統(tǒng)的設計研發(fā)過程中，軟件仿真已成為必不可少的一局部，電子設計自動化EDA技術已成為電子設計的潮流。隨著信息技術的不斷開展，涌現(xiàn)出了許多功能強大的電子仿真軟件，如Workbench、Protel、Systemview、Matlab等。《通信原理》是電子通信專業(yè)的一門極為重要的專業(yè)根底課，由于內容抽象，根本概念較多，是一門難度較大的課程，要想學好并非易事。采用Matlab及Simulink作為輔助教學軟件，擺脫了繁雜的計算，可以使學生對書本上抽象的原理有進一步的感性認識，加深對根本原理的理解。1.2設計任務與要求設計題目：DSB調制與解調系統(tǒng)設計設計要求：〔1〕錄制一段2s左右的語音信號，并對錄制的信號進行8000Hz的采樣，畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖；〔2〕采用正弦信號和自行錄制的語音信號〔.wav文件〕進行DSB調制與解調；信道使用高斯白噪聲；畫出相應的時域波形和頻譜圖。2系統(tǒng)原理2.1DSB調制原理在消息信號m(t)上不加上直流分量，那么輸出的已調信號就是無載波分量的雙邊帶調制信號，或稱抑制載波雙邊帶〔DSB-SC〕調制信號，簡稱雙邊帶〔DSB〕信號。DSB調制器模型如圖2-1，可見DSB信號實質上就是基帶信號與載波直接相乘。圖2-1DSB信號調制器模型其時域和頻域表示式分別如下(式2-1)(式2-2)除不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號的頻譜與AM信號的完全相同，仍由上下對稱的兩個邊帶組成。故DSB信號是不帶載波的雙邊帶信號，它的帶寬與AM信號相同，也為基帶信號帶寬的兩倍，DSB信號的波形和頻譜分別如圖2-2：圖2-2DSB信號的波形與頻譜2.2DSB解調原理因為不存在載波分量，DSB信號的調制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB信號的包絡不再與m(t)成正比，故不能進行包絡檢波，需采用相干解調。圖2-3DSB信號相干解調模型圖2-3中SL(t)為本地載波，也叫相干載波，必須與發(fā)送端的載波完成同步。即頻率相同時域分析如下：(式2-3)Sp(t)經過低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，為(式2-4)頻域分析如下：(式2-5)式中的H(ω)為LPF的系統(tǒng)函數。頻域分析的過程如圖2-4所示。事實上本地載波和發(fā)端載波完全一致的條件是是不易滿足的，因此，需要討論有誤差情況下對解調結果的影響。圖2-4DSB信號相干解調過程示意圖3設計方案3.1仿真平臺近幾年，在學術界和工業(yè)領域，Simulink已經成為在動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應用最廣泛的軟件包之一。它的魅力在于強大的功能和使用方法。確切的說，它是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的一個軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)等，而且系統(tǒng)可以是多進程的。Simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，采用這種方法進行系統(tǒng)設計，就像你用筆和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。用Simulink創(chuàng)立的模型可以具有遞接層次結構，及允許用戶建立自己的子系統(tǒng)。在觀察時，用戶可以從最頂層開始，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，從而進入自信同模塊進行觀察，這樣非常便于模型的條理化，從而幫助用戶理解模型的整體結構以及各模塊之間的關系。Simulink是MATLAB為模擬動態(tài)系統(tǒng)而提供的一個面向用戶的交互式程序，它采用鼠標驅動方式，允許用戶在屏幕上繪制框圖，模擬系統(tǒng)并能動態(tài)的控制該系統(tǒng)。它還提供了兩個應用程序擴展集，分別是SimulinkEXTENSION和BLOCKSET。Simulik提供了一些按功能分類的根本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內部是如何實現(xiàn)的，通過對這些根本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。基于這些特點，在本設計中使用Simulink軟件作為仿真平臺搭建系統(tǒng)模型。對Simulink的使用步驟簡要介紹如下?！?〕模型庫在MATLAB命令窗口輸入“simulink〞并回車，就可進入Simulink模型庫，單擊工具欄上的按鈕也可進入。Simulink模塊庫按功能進行分為以下8類子庫：Continuous〔連續(xù)模塊〕Discrete〔離散模塊〕Function&Tables〔函數和平臺模塊〕Math〔數學模塊〕Nonlinear〔非線性模塊〕Signals&Systems〔信號和系統(tǒng)模塊〕Sinks〔接收器模塊〕Sources〔輸入源模塊〕用戶可以根據需要混合使用歌庫中的模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級樹結構Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinus等下一級模型庫Continous模型庫中又包含了假設干模塊，可直接參加仿真模型。Simulink主界面如圖3-1所示。圖3-1Simulink主界面〔2〕設計仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File〞|“New〞|“Model〞，即可生成空白仿真模型窗口，如圖3-2所示。圖3-2新建仿真模型窗口〔3〕運行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇"Simulation"|"Start"或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim〞啟動仿真進程比擬這兩種不同的運行方式：菜單方式的優(yōu)點在于交互性，通過設置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號。命令行方式啟動模型后，不能觀察仿真進程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。3.2錄音功能的實現(xiàn)音頻文件的錄制和分析處理采用MatLab文本編程實現(xiàn)。首先調用函數wavrecord()進行為時2s、采樣率為8000Hz的錄音，然后調用wavwrite()函數將音頻信號保存為test.wav文件，保存完成后再調用wavread('test.wav')來讀取波形，并繪制其時域和頻域波形圖。編寫的腳本文件wav_process.m如下：%錄音并保存%fs=8000;%語音信號采樣頻率為8000fprintf('按任意鍵開始2秒錄音...\n');pausefprintf('錄音中...\n');wavwrite(wavrecord(2*fs,fs),fs,8,'test.wav');%以8000的采樣率、8bit的位速錄音，并保存錄音為“〞fprintf('錄音保存完畢！\n');wave=wavread('test.wav');%讀取保存的錄音文件，將幅值賦給變量wavefprintf('錄音讀取完畢！\n');sound(wave,fs);%以8000Hz的采樣率播放語音信號fprintf('錄音播放完畢！\n');%波形圖%fprintf('繪制波形圖...\n');t=(0:length(wave)-1)/fs;%數組下標乘以采樣周期，得出時間軸figure(1),plot(t,wave);%做語音信號的時域波形圖title('語音信號時域波形圖');xlabel('時間'),ylabel('幅值');%頻譜圖%fprintf('繪制頻譜圖...\n');y1=fft(wave,2048);%語音信號1024點FFT，得出幅值軸f=fs*(0:2047)/2048;%得出頻率軸figure(2),plot(f,abs(y1(1:2048)));title('語音信號頻譜圖');xlabel('Hz'),ylabel('幅值');fprintf('全部處理完畢！\n\n');%%程序運行結果如下列圖3-3所示：圖3-3語音信號時域、頻域波形圖3.3調制模塊設計新建一個仿真空白模型，將DSB信號調至所需要的模塊拖入空白模型中。圖3-4中Basebandwave為正弦基帶信號、Carrierwave為正弦載波，均使用離散化的信號。product為乘法器、scope為示波器。連接各模塊如下列圖所示。圖3-4DSB調制模型雙擊模塊設置基帶信號屬性：幅度為1，頻率為500HZ，初相位為0，離散方式，采樣間隔為1×10-5s，具體如下列圖3-5所示：圖3-5基帶信號參數設置用同樣的方式設置載波信號屬性如下列圖3-6所示：圖3-6載波參數設置圖設置完成點擊“運行〞按鈕，并雙擊示波器，顯示波形如下列圖3-7：圖3-7DSB信號調制波形圖中三路信號波形，第一路為基帶信號，第三路為載波，第二路為調制的DSB波形。從圖中可以清楚地看出，雙邊帶信號時域波形的包絡不同于調制信號的變化規(guī)律。在調制信號零點前處已調波的相位發(fā)生了180°的突變。在調制信號的正半周期內，已調波的高頻相位與載波相同，在調制信號的負半周期內，已調波的高頻相位與載波相反。并且雙邊帶的帶寬為基帶信號的兩倍。3.4高斯白噪聲信道加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhiteGaussianNoise)是最根本的噪聲與干擾模型。加性噪聲是疊加在信號上的一種噪聲，通常記為n(t)，而且無論有無信號，噪聲n(t)都是始終存在的。因此通常稱它為加性噪聲或者加性干擾。假設噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數，那么稱這樣的噪聲為白噪聲。如果白噪聲取值的概率分布服從高斯分布，那么稱這樣的噪聲為高斯白噪聲。在通信系統(tǒng)中，經常碰到的噪聲之一就是白噪聲。在理想信道調制與解調的根底上，在信道中參加高斯白噪聲，把Simulink中的AWGN模塊參加到模型中。噪聲參數設置、模型與波形圖如下：圖3-8高斯噪聲參數設置圖3-9高斯白噪聲信道傳輸模型圖3-10高斯白噪聲信道傳輸波形如圖3-10所示，第一路為調制后未經傳輸的DSB信號波形，第二路為加性高斯白噪聲信道中傳輸的波形。相比擬可看出，波形出現(xiàn)了一定程度的失真。失真是隨著信噪比SNR的變化而變化的，SNR越小，通過AWGN信道的波形就越接近理想信道波形。3.5解調模塊設計因為DSB信號包絡不再與調制信號的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡檢波來恢復基帶信號，而必須采用相干解調。相干解調也稱同步檢波，是指用載波乘以一路與載波相干〔同頻同相〕的參考信號，再通過低通濾波器即可輸出解調信號。解調模塊設計模型如圖3-11所示：圖3-11相干解調模塊模型圖中In1為DSB信號輸入端，Referwave為與載波相干的參考信號，二者相乘后經數字濾波器進行低通濾波，再進行2倍增益后，輸出的既是解調波。這里的數字濾波器用到了Simulink模型庫中的FDATool，雙擊模塊可以選擇濾波器類型及更改參數。在這里選擇了低通Elliptic濾波器，試驗發(fā)現(xiàn)它具有很好的頻響特性。根據系統(tǒng)基帶信號頻率范圍和載波的頻率，設置其通帶和截止頻率如下列圖3-12所示：圖3-12數字濾波器設置為了方便連線和放置模塊，在這里將解調模塊封裝為子系統(tǒng)CoherentDemodulation，并對帶有高斯白噪聲的DSB信號進行解調，其模型如圖3-13所示。圖3-13解調模塊模型基帶信號、帶有噪聲的DSB信號和解調信號的波形如圖3-14，由圖可看出，解調波形較接近基帶信號波形，說明解調模塊特性較好，能夠從帶有高斯白噪聲的DSB信號中解調出需要的原始波形。圖3-14解調模塊波形3.6總體模型連接各模塊并進行仿真調試，不斷修改各模塊參數使系統(tǒng)能正確穩(wěn)定地工作。系統(tǒng)總體模型如圖3-15所示，系統(tǒng)各個關鍵點波形如圖3-16。圖3-15系統(tǒng)總體模型圖圖3-16系統(tǒng)各關鍵點波形4系統(tǒng)特性分析4.1頻譜分析為了顯示系統(tǒng)各個點信號頻譜圖，在信號和頻譜分析儀之間加一個采樣保持器，根據信號頻率設置適當采樣周期，之后送入頻譜分析儀顯示頻譜圖。圖4-1頻譜顯示信號的預處理模型用頻譜示波器觀察系統(tǒng)各點信號頻譜，頻譜圖如圖4-2：(a)基帶信號頻譜(b)載波信號頻譜(c)未經傳輸的DSB信號頻譜(d)在AWGN信道中傳輸的DSB信號頻譜〔e〕解調信號頻譜圖4-2系統(tǒng)各點信號頻譜由頻譜可以看出，DSB信號的頻譜由上邊帶、下邊帶兩局部組成，上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像,它的帶寬仍是是基帶信號帶寬的2倍?？梢奃SB調制的實質是對頻譜進行線形搬移，同時抑制了載波；而解調正好是將高頻局部信號頻譜搬回低頻的過程。5總結5.1遇到的問題通過本次課程設計，我熟悉了Matlab下用Simulink進行通信仿真的過程，對一些過去沒有弄懂或認識模糊的概念、理論有了正確認識，也為以后的工作和學習打下了根底。在課程設計中有收獲，同樣也有許多缺乏之處。其中之一就是沒有很好地實現(xiàn)題目要求的“采用正弦信號和自行錄制的語音信號〔.wav文件〕進行DSB調制與解調〞。設計過程中，我使用了“Fromwavefile〞模塊來加載wav文件，將音頻信號作為基帶信號進行調制，但可能因為MatLab版本問題，“Fromwavefile〞模塊始終無法正確運行，具體表現(xiàn)為Simulink提示找不到用于