matlab調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

1、南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 課程名稱(chēng)matlab調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)院(系) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 目 錄1、引言3 1.1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的 3 1.2 課程設(shè)計(jì)題目及要求32、調(diào)頻廣播系統(tǒng)的模型及仿真環(huán)境 4 2.1 matlab及simulink建模環(huán)境簡(jiǎn)介4 2.2 調(diào)幅廣播系統(tǒng)介紹4 2.3 模型參數(shù)指標(biāo)42.3 仿真參數(shù)設(shè)計(jì) 53、系統(tǒng)的建立與仿真 6 3.1 仿真參數(shù)設(shè)置6 3.2 系統(tǒng)中仿真模塊參數(shù)的設(shè)置6 3.3 scope端的最終波形圖7 3.4 調(diào)幅的包絡(luò)檢波和相干解調(diào)性能仿真比較83.5腳本程序 94、總結(jié)與體會(huì)105、主要參考文獻(xiàn)111引言1.1 設(shè)計(jì)目

2、的及任務(wù)要求1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的（1）掌握使用matlab語(yǔ)言及其工具箱進(jìn)行基本信號(hào)分析與處理的方法。（2）用matlab和simulink設(shè)計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)，加深對(duì)通信原理基本原理和matlab應(yīng)用技術(shù)的理解；學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能，學(xué)會(huì)利用仿真的手段對(duì)于實(shí)用通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證；（3）提高和挖掘?qū)W生將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的能力，學(xué)習(xí)現(xiàn)有流行通信系統(tǒng)仿真軟件matlab的基本使用方法，學(xué)會(huì)使用這些軟件解決實(shí)際系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題；（4）培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；通過(guò)系統(tǒng)仿真加深對(duì)通信課程理論的理解。（5）用matlab

3、 完成調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真，提高學(xué)生科技論文的寫(xiě)作水平。1.2 課程設(shè)計(jì)題目調(diào)幅廣播系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：1.采用接收濾波器analog filter design模塊，在同一示波器上觀察調(diào)幅信號(hào)在未加入噪聲和加入噪聲后經(jīng)過(guò)濾波器后的波形。采用另外兩個(gè)相同的接收濾波器模塊，分別對(duì)純信號(hào)和純?cè)肼暈V波，利用統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算輸出信號(hào)功率和噪聲功率，繼而計(jì)算輸出信噪比，用disply顯示結(jié)果。模型文件保存為ex1_1.mdl。對(duì)中波調(diào)幅廣播傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其技術(shù)指標(biāo)為：1)載波信號(hào)：幅度為1的正弦波，設(shè)初相為0，頻率在5501605hz內(nèi)可調(diào)；2)基帶信號(hào)：調(diào)制度 (信號(hào)最大幅度與載波幅度之比) ma=

4、0.3，頻率在100600hz內(nèi)可調(diào)；3)接收機(jī)選頻濾波器帶寬為12khz，中心頻率為1000khz；4)在信道中加入加性高斯噪聲，需要先計(jì)算出信道中應(yīng)該加入噪聲的方差。設(shè)計(jì)接收機(jī)選頻濾波器輸出信噪比為20db。2.構(gòu)建包絡(luò)解調(diào)和相干解調(diào)電路，用示波器顯示解調(diào)波形。構(gòu)建一個(gè)信噪比測(cè)試子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使輸入的兩路解調(diào)信號(hào)中的信號(hào)和噪聲近似分離，以分別計(jì)算信號(hào)和噪聲分量的功率，進(jìn)而計(jì)算信噪比，并用display顯示，同時(shí)將信噪比數(shù)據(jù)送入workspace。模型文件保存為ex1_2.mdl。3.編寫(xiě)腳本程序ex1.m，通過(guò)選擇不同信噪比，計(jì)算加性噪聲的方差送入仿真模型，調(diào)用模型文件執(zhí)行仿真，并通過(guò)m

5、atlab繪圖得到包絡(luò)解調(diào)和相干解調(diào)后的輸出信噪比與輸入信噪比的關(guān)系曲線(xiàn)。2 調(diào)幅廣播系統(tǒng)的模型及仿真環(huán)境2.1 matlab及simulink建模環(huán)境簡(jiǎn)介matlab 是美國(guó)mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)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(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(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(shí)際、效率高、

6、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于simulink。 simulink是matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線(xiàn)性系統(tǒng)、非線(xiàn)性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口(gui)

7、 ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果. simulink®是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.2.2 調(diào)幅廣播系統(tǒng)介紹模擬幅度調(diào)制是無(wú)線(xiàn)電最早的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。在幅度調(diào)制中，以聲音信控制高頻率正弦信號(hào)的幅度，并以幅度變化的高頻率正選信號(hào)放大后經(jīng)過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去，成為電磁波輻射。波動(dòng)的信號(hào)要能夠有效地從天線(xiàn)發(fā)送出去，或者有效地將信號(hào)接

8、收過(guò)來(lái)，需要天線(xiàn)的長(zhǎng)度至少達(dá)到波長(zhǎng)的四分之一。聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后其波長(zhǎng)為1515000km之間，實(shí)際中不能造出這樣長(zhǎng)度的天線(xiàn)進(jìn)行有效的信號(hào)收發(fā)。因此需要將象聲音信號(hào)這樣的低頻信號(hào)搬到較高的頻段上去，以便通過(guò)較短的天線(xiàn)發(fā)射出去。例如：移動(dòng)通信所使用的900mhz頻率段上的電磁波信號(hào)長(zhǎng)度約為0.33米，其收發(fā)天線(xiàn)的尺寸應(yīng)為波長(zhǎng)的四分之一，即約8cm左右。而調(diào)幅廣播中波范圍為5501605khz，短波約為330mhz，其波長(zhǎng)范圍在幾十米到幾百米，相應(yīng)的天線(xiàn)要長(zhǎng)一些。人耳可聞的聲音信號(hào)通過(guò)話(huà)筒轉(zhuǎn)化為波動(dòng)的電信號(hào)，其頻率范圍為2020khz。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人耳對(duì)語(yǔ)音頻率敏感區(qū)域約為3003400hz,為

9、了節(jié)約頻帶帶寬資源，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中將電話(huà)通信的傳輸頻帶規(guī)定為3003400hz。調(diào)幅廣播除了傳輸語(yǔ)音之外，還要播送音樂(lè)節(jié)目，這就需要更寬的頻帶。一般而言，調(diào)幅廣播的傳輸頻率范圍約為1006000hz。2.3 模型參數(shù)指標(biāo)（1）基帶信號(hào)：調(diào)制度 (信號(hào)最大幅度與載波幅度之比) ma=0.3，頻率在100600hz內(nèi)可調(diào)；（2）載波信號(hào)：幅度為1的正弦波，設(shè)初相為0，頻率在5501605hz內(nèi)可調(diào)；（3）接收機(jī)選頻濾波器帶寬為12khz，中心頻率為1000 khz。（4）信道中加入噪聲。當(dāng)調(diào)制度為0.3時(shí)，設(shè)計(jì)接收機(jī)選頻濾波器輸出信噪比為20db。要求設(shè)計(jì)信道中應(yīng)加入噪聲的方差，并能夠測(cè)量接收選頻濾波

10、器實(shí)際輸出信噪比。2.4 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作最高頻率為調(diào)幅載波頻率1605khz，設(shè)計(jì)仿真采樣率為最高工作頻率的10倍左右，因此取仿真步長(zhǎng)為相應(yīng)的仿真帶寬為仿真采樣頻率的一半，即設(shè)基帶測(cè)試正弦信號(hào)為 ，載波為，則調(diào)制度為為 的調(diào)制輸出信號(hào) 為顯然，的平均功率為設(shè)信道無(wú)衰減，其中加入的白噪聲功率譜密度為，那么仿真帶寬內(nèi)噪聲的方差為設(shè)接收選頻濾波器的功率增益為1，帶寬為b，擇選通濾波器的輸出噪聲功率為因此，接收選通濾波器輸出信噪比為故信道中的噪聲方差為根據(jù)上面的公式，編程計(jì)算出噪聲的方差，并將方差值和其它已知值作為仿真系統(tǒng)的參數(shù)。根據(jù)仿真設(shè)計(jì)要求的輸出信噪比snrout可計(jì)算出相應(yīng)信道中應(yīng)加入的

11、噪聲方差值，計(jì)算程序和結(jié)果如下：程序： snr_db=20;snr=10.(snr_db/10);m_a=0.3;p=0.5+(m_a2)/4;w=8025.7e3;b=12e3;sigma2=p/snr*w/b運(yùn)行后結(jié)果：sigma2 =3.49453. 系統(tǒng)的建立與仿真3.1 仿真參數(shù)設(shè)置按照調(diào)幅廣播系統(tǒng)的物理與數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)模型。根據(jù)相干方式的原理圖利用matlab的simulink建立系統(tǒng)的模擬仿真圖。如下圖所示： 圖3-1-1中波調(diào)幅廣播傳輸系統(tǒng)仿真參考模型3.2 系統(tǒng)中仿真模塊參數(shù)的設(shè)置signal generator: 信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生基帶信號(hào)wave form: sineam

12、plitude: 0.3frequency: 1000signal generator1: 信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生載波信號(hào)wave form: sineamplitude: 1frequency: 1000000random number: 隨機(jī)噪聲發(fā)生器，產(chǎn)生高斯正態(tài)分布隨機(jī)信號(hào)，這里用來(lái)構(gòu)造高斯白噪聲信道m(xù)ean: 0variance: 3.4945analog filter design: 模擬濾波器設(shè)計(jì)，三個(gè)模擬濾波器分別用于純信號(hào)，純?cè)肼曇约靶盘?hào)和噪聲混合信號(hào)的濾波design method: butterworthfilter type: bandpasslower passband e

13、dge frequency (rads/sec): 2*pi*(1e6-6e3)upper passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*(1e6+6e3)zero-order hold: 零界保持器sample time: 6.23e-8variance: 計(jì)算向量的方差選中running variancedb conversion: 分別對(duì)純信號(hào)和混合信號(hào)做對(duì)數(shù)變換convert to: db input signal: power l fun: 運(yùn)算函數(shù)expression: u(1)-u(2)l display: 顯示snr的結(jié)果format: sh

14、ort3.3 scope 端的最終波形圖在系統(tǒng)仿真模型圖中，用加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，用 random number 產(chǎn)生噪聲樣值序列，并用加法器實(shí)現(xiàn)awgn通道。為了測(cè)量輸出信噪比，以參數(shù)完全相同的三個(gè)濾波器模塊分別對(duì)純信號(hào)，純?cè)肼曇约靶盘?hào)和噪聲混合信號(hào)的濾波，最后利用統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算輸出信號(hào)功率和噪聲功率，繼而計(jì)算輸出信噪比。某次仿真執(zhí)行后，測(cè)試信噪比為20.11db，與設(shè)計(jì)值 20db相符。按接收濾波器輸出的調(diào)幅信號(hào)以及發(fā)送調(diào)幅信號(hào)的波形對(duì)比仿真結(jié)果如下圖所示：圖3-2-1 接收濾波器輸出調(diào)幅信號(hào)以及發(fā)送調(diào)幅信號(hào)的波形及仿真3.4 調(diào)幅的包絡(luò)檢波和相干解調(diào)性能仿真比較實(shí)例2：以實(shí)例1為傳輸模

15、型，在不同輸入信噪比條件下仿真測(cè)量包絡(luò)檢波解調(diào)和同步相干解調(diào)對(duì)調(diào)幅波的解調(diào)輸出信噪比，觀察包絡(luò)檢波解調(diào)的門(mén)限效應(yīng)。圖1-2所示的仿真模型(ex2.mdl)用于測(cè)量包絡(luò)檢波的門(mén)限效應(yīng)，發(fā)送的調(diào)幅波參數(shù)以及仿真步進(jìn)與實(shí)例1相同。首先，調(diào)幅信號(hào)通過(guò)awgn信道后，分別送入包絡(luò)檢波器和同步相干解調(diào)器。包絡(luò)檢波器由saturation模塊來(lái)模擬具有單向?qū)ㄐ阅艿臋z波二極管，模塊的上下門(mén)限分別設(shè)置為inf和0。兩解調(diào)器后接的低通濾波器相同。解調(diào)后的兩路信號(hào)送到示波器顯示，同時(shí)送入信噪比測(cè)試模塊，即圖中的子系統(tǒng)snr detection，其內(nèi)部如圖1-3所示。在snr detection模塊中，輸入的兩路解

16、調(diào)信號(hào)通過(guò)濾波器將信號(hào)和噪聲近似分離，以分別計(jì)算信號(hào)和噪聲分量的功率，進(jìn)而計(jì)算信噪比。兩個(gè)帶通濾波器參數(shù)相同，其中心頻率為1000hz，帶寬為200hz，對(duì)應(yīng)于發(fā)送基帶測(cè)試信號(hào)頻率，其輸出近似視為純信號(hào)分量。兩個(gè)帶阻濾波器參數(shù)也相同，其中心頻率為1000hz，帶寬為200hz，其輸出可近似為信號(hào)中的噪聲分量。之后，通過(guò)零階保持模塊將信號(hào)離散化，再由buffer模塊和方差模塊計(jì)算出信號(hào)和噪聲的功率，buffer緩沖區(qū)長(zhǎng)設(shè)置為1.6051e+005個(gè)樣值，這樣將在0.01s內(nèi)進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)計(jì)算。最后，由分貝轉(zhuǎn)換模塊db conversion和fcn函數(shù)模塊計(jì)算出兩解調(diào)器的輸出信噪比。計(jì)算輸出disp

17、lay顯示的同時(shí)，也送入工作空間，以便能夠編程作出兩解調(diào)性能曲線(xiàn)，to workspace模塊設(shè)置為只將最后一次仿真結(jié)果以數(shù)組(array)格式送入工作空間，變量名為snr_out，它含有2個(gè)元素，即兩個(gè)解調(diào)輸出信號(hào)的檢測(cè)信噪比。當(dāng)設(shè)置信道噪聲方差等于1時(shí)，執(zhí)行仿真所得到的解調(diào)信號(hào)波形如圖1-4所示?？梢钥闯?，相干解調(diào)輸出波形中，噪聲成分相對(duì)要小一些. 圖3-4-1 包絡(luò)檢波和相干解調(diào)性能測(cè)試仿真模型系統(tǒng)中仿真模塊參數(shù)的設(shè)置signal generator: 信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生基帶信號(hào)wave form: sineamplitude: 0.3frequency: 1000signal gener

18、ator1: 信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生載波信號(hào)wave form: sineamplitude: 1frequency: 1000000random number: 隨機(jī)噪聲發(fā)生器，產(chǎn)生高斯正態(tài)分布隨機(jī)信號(hào)，這里用來(lái)構(gòu)造高斯白噪聲信道m(xù)ean: 0variance:1analog filter design: design method: butterworthfilter type: lowpassfilter order:2passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*6000l display: 顯示snr的結(jié)果format: shortl scopetime

19、 range:0.01 圖3-4-2解調(diào)輸出信噪比近似于測(cè)量子系統(tǒng)snr detection的內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中仿真模塊參數(shù)的設(shè)置 analog filter design: filter type: bandstoplower passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*900upper passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*1100analog filter design: filter type: bandpasslower passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*90

20、0upper passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*1100zero-order hold: 零界保持器sample time: 6.23e-8variance: 計(jì)算向量的方差選中running variancebuffer output buffersize:1.6051e+005db conversion: 分別對(duì)純信號(hào)和混合信號(hào)做對(duì)數(shù)變換convert to: db input signal: power l fun: 運(yùn)算函數(shù)expression: u(3)-u(1)expression: u(4)-u(2)l display: 顯示snr

21、的結(jié)果format: short 圖3-4-3 執(zhí)行仿真所得到的解調(diào)信號(hào)波形噪聲方差設(shè)為1 3.5任務(wù)三matlab源程序ex1.mclc;clear all;snr_in_db=0:2:6;snr_in=10.(snr_in_db./10); % 信道信噪比m_a=0.3; % 調(diào)制度p=0.5+(m_a2)/4; % 信號(hào)功率for k=1:length(snr_in) sigma2=p/snr_in(k); % 計(jì)算信道噪聲方差并送入仿真模型 sim(ex12.mdl);% 執(zhí)行仿真 snrdemod(k,:)=snr_out(:,1); % 記錄仿真結(jié)果endplot(snr_in_db, snrdemod(:,size(snrdemod);xlabel(輸入信噪比 db);ylabel(解調(diào)輸出信噪比 db);legend(包絡(luò)檢波,相干解調(diào));將圖341中的random number: 設(shè)置為mean: 0variance: sigma2通過(guò)matlab繪圖得到包絡(luò)解調(diào)和相干解調(diào)后的輸出信噪比與輸入信噪比的關(guān)系曲線(xiàn)：4. 總結(jié)與體會(huì)通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我們對(duì)信息和通信系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，盡管是非?；A(chǔ)