基于simulink的DSB調(diào)制解調(diào) 設(shè)計(jì)報(bào)告

1、信息處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目：基于simulink的DSB調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于simulink的DSB調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行DSB調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。在本次課程設(shè)計(jì)中先根據(jù)DSB調(diào)制與解調(diào)原理構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，從Simulink工具箱中找所各元件，合理設(shè)置好參數(shù)并運(yùn)行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號(hào)，之后分別加入高斯白噪聲，并分析對(duì)信號(hào)的影響，最后通過對(duì)輸出波形和功率譜的分析得出DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真是否成功。關(guān)鍵詞：Simulink；DSB；調(diào)制；相干解調(diào)目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)- 1 -1.1 設(shè)計(jì)的目的和

2、意義- 1 -1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求- 1 -2 系統(tǒng)原理- 1 -2.1 DSB調(diào)制原理- 1 -2.2 DSB解調(diào)原理- 2 -3 設(shè)計(jì)方案- 3 -3.1 仿真平臺(tái)- 3 -3.2 錄音功能的實(shí)現(xiàn)- 5 -3.3 調(diào)制模塊設(shè)計(jì)- 7 -3.4 高斯白噪聲信道- 9 -3.5 解調(diào)模塊設(shè)計(jì)- 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(jié)- 14 -5.1 遇到的問題- 14 -5.2 致謝- 15 -參考文獻(xiàn)- 15 -1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，通信系統(tǒng)也日趨復(fù)雜，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，軟件仿真

3、已成為必不可少的一部分，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA技術(shù)已成為電子設(shè)計(jì)的潮流。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多功能強(qiáng)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)基礎(chǔ)課，由于內(nèi)容抽象，基本概念較多，是一門難度較大的課程，要想學(xué)好并非易事。采用Matlab及Simulink作為輔助教學(xué)軟件，擺脫了繁雜的計(jì)算，可以使學(xué)生對(duì)書本上抽象的原理有進(jìn)一步的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)基本原理的理解。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)題目：DSB調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：（1）錄制一段2s左右的語音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行8000Hz的采樣，

4、畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；（2）采用正弦信號(hào)和自行錄制的語音信號(hào)（.wav文件）進(jìn)行DSB調(diào)制與解調(diào)；信道使用高斯白噪聲；畫出相應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖。2 系統(tǒng)原理2.1 DSB調(diào)制原理在消息信號(hào)m(t)上不加上直流分量，則輸出的已調(diào)信號(hào)就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，或稱抑制載波雙邊帶（DSB-SC）調(diào)制信號(hào)，簡(jiǎn)稱雙邊帶（DSB）信號(hào)。DSB調(diào)制器模型如圖2-1，可見DSB信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是基帶信號(hào)與載波直接相乘。圖2-1 DSB信號(hào)調(diào)制器模型其時(shí)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(hào)的頻譜與AM信號(hào)的完全相同，仍由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組

5、成。故DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬與AM信號(hào)相同，也為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，DSB信號(hào)的波形和頻譜分別如圖2-2： 圖2-2 DSB信號(hào)的波形與頻譜2.2 DSB解調(diào)原理因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB信號(hào)的調(diào)制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與m(t)成正比，故不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)。圖2-3 DSB信號(hào)相干解調(diào)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(shí)域分析如下： (式2-3)Sp(t)經(jīng)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()為L(zhǎng)

6、PF的系統(tǒng)函數(shù)。頻域分析的過程如圖2-4所示。事實(shí)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(duì)解調(diào)結(jié)果的影響。圖2-4 DSB信號(hào)相干解調(diào)過程示意圖3 設(shè)計(jì)方案3.1 仿真平臺(tái)近幾年，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域，Simulink已經(jīng)成為在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。它的魅力在于強(qiáng)大的功能和使用方法。確切的說，它是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)等，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就像你用筆和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的

7、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(diǎn)。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞接層次結(jié)構(gòu)，及允許用戶建立自己的子系統(tǒng)。在察看時(shí)，用戶可以從最頂層開始，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，從而進(jìn)入自信同模塊進(jìn)行察看，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(jié)構(gòu)以及各模塊之間的關(guān)系。Simulink是MATLAB為模擬動(dòng)態(tài)系統(tǒng)而提供的一個(gè)面向用戶的交互式程序，它采用鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式，允許用戶在屏幕上繪制框圖，模擬系統(tǒng)并能動(dòng)態(tài)的控制該系統(tǒng)。它還提供了兩個(gè)應(yīng)用程序擴(kuò)展集，分別是Simulink EXTENSION和BLOCKSET。Simulik提供了一些按功能分類的

8、基本的系統(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(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析?；谶@些特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中使用Simulink軟件作為仿真平臺(tái)搭建系統(tǒng)模型。對(duì)Simulink的使用步驟簡(jiǎn)要介紹如下。（1）模型庫在MATLAB命令窗口輸入“simulink”并回車，就可進(jìn)入Simulink模型庫，單擊工具欄上的 按鈕也可進(jìn)入。Simulink模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Mat

9、h（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)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(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級(jí)樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinus等下一級(jí)模型庫Continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。Simulink主界面如圖3-1所示。圖3-1 Simulink主界面（2）設(shè)計(jì)仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單

10、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(yùn)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(dòng)仿真進(jìn)程比較這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式的優(yōu)點(diǎn)在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號(hào)。命令行方式啟動(dòng)模型后，不能觀察仿真進(jìn)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(shí)現(xiàn)音頻文件的錄制和分析處理采用MatLa

11、b文本編程實(shí)現(xiàn)。首先調(diào)用函數(shù)wavrecord()進(jìn)行為時(shí)2s、采樣率為8000Hz的錄音，然后調(diào)用wavwrite()函數(shù)將音頻信號(hào)保存為test.wav文件，保存完成后再調(diào)用wavread('test.wav')來讀取波形，并繪制其時(shí)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(hào)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

12、'); %以8000的采樣率、8bit的位速錄音，并保存錄音為“test.wav”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(hào)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(shù)組下標(biāo)乘以采樣周期，得出時(shí)間軸figu

13、re(1),plot(t,wave); %做語音信號(hào)的時(shí)域波形圖title('語音信號(hào)時(shí)域波形圖');xlabel('時(shí)間'),ylabel('幅值');%-頻譜圖-%fprintf('繪制頻譜圖.n'); y1=fft(wave,2048); %語音信號(hào)1024點(diǎn)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(hào)頻譜圖');xlabel('Hz'),ylabel('幅值');f

14、printf('全部處理完畢！nn'); %-%程序運(yùn)行結(jié)果如下圖3-3所示：圖3-3 語音信號(hào)時(shí)域、頻域波形圖3.3 調(diào)制模塊設(shè)計(jì)新建一個(gè)仿真空白模型，將DSB信號(hào)調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中。圖3-4中Baseband wave為正弦基帶信號(hào)、Carrier wave為正弦載波，均使用離散化的信號(hào)。product為乘法器、scope為示波器。連接各模塊如下圖所示。圖3-4 DSB調(diào)制模型雙擊模塊設(shè)置基帶信號(hào)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，具體如下圖3-5所示：圖3-5 基帶信號(hào)參數(shù)設(shè)置用同樣的方式設(shè)置載波信號(hào)屬性

15、如下圖3-6所示：圖3-6 載波參數(shù)設(shè)置圖設(shè)置完成點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，并雙擊示波器，顯示波形如下圖3-7：圖3-7 DSB信號(hào)調(diào)制波形圖中三路信號(hào)波形，第一路為基帶信號(hào)，第三路為載波，第二路為調(diào)制的DSB波形。從圖中可以清楚地看出，雙邊帶信號(hào)時(shí)域波形的包絡(luò)不同于調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。在調(diào)制信號(hào)零點(diǎn)前處已調(diào)波的相位發(fā)生了180°的突變。在調(diào)制信號(hào)的正半周期內(nèi)，已調(diào)波的高頻相位與載波相同，在調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周期內(nèi)，已調(diào)波的高頻相位與載波相反。并且雙邊帶的帶寬為基帶信號(hào)的兩倍。3.4 高斯白噪聲信道加性高斯白噪聲 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的

16、噪聲與干擾模型。加性噪聲是疊加在信號(hào)上的一種噪聲，通常記為n(t)，而且無論有無信號(hào)，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。若噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數(shù)，則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，則稱這樣的噪聲為高斯白噪聲。在通信系統(tǒng)中，經(jīng)常碰到的噪聲之一就是白噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在信道中加入高斯白噪聲，把Simulink中的AWGN模塊加入到模型中。噪聲參數(shù)設(shè)置、模型與波形圖如下：圖3-8 高斯噪聲參數(shù)設(shè)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(diào)制后未經(jīng)傳輸?shù)腄S

17、B信號(hào)波形，第二路為加性高斯白噪聲信道中傳輸?shù)牟ㄐ?。相比較可看出，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(diào)模塊設(shè)計(jì)因?yàn)镈SB信號(hào)包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)基帶信號(hào)，而必須采用相干解調(diào)。相干解調(diào)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(hào)，再通過低通濾波器即可輸出解調(diào)信號(hào)。解調(diào)模塊設(shè)計(jì)模型如圖3-11所示：圖3-11 相干解調(diào)模塊模型圖中In1為DSB信號(hào)輸入端，Refer wave為與載波相干的參考信號(hào)，二者相乘后經(jīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行低通濾波，再進(jìn)

18、行2倍增益后，輸出的既是解調(diào)波。這里的數(shù)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(shù)。在這里選擇了低通Elliptic濾波器，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它具有很好的頻響特性。根據(jù)系統(tǒng)基帶信號(hào)頻率范圍和載波的頻率，設(shè)置其通帶和截止頻率如下圖3-12所示：圖3-12 數(shù)字濾波器設(shè)置為了方便連線和放置模塊，在這里將解調(diào)模塊封裝為子系統(tǒng)Coherent Demodulation，并對(duì)帶有高斯白噪聲的DSB信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其模型如圖3-13所示。圖3-13 解調(diào)模塊模型基帶信號(hào)、帶有噪聲的DSB信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的波形如圖3-14，由圖可看出，解調(diào)波形較接近基帶信號(hào)波形，表明解調(diào)

19、模塊特性較好，能夠從帶有高斯白噪聲的DSB信號(hào)中解調(diào)出需要的原始波形。圖3-14 解調(diào)模塊波形3.6 總體模型連接各模塊并進(jìn)行仿真調(diào)試，不斷修改各模塊參數(shù)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)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(gè)點(diǎn)信號(hào)頻譜圖，在信號(hào)和頻譜分析儀之間加一個(gè)采樣保持器，根據(jù)信號(hào)頻率設(shè)置適當(dāng)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(hào)的預(yù)處理模型用頻譜示波器觀察系統(tǒng)各點(diǎn)信號(hào)頻譜，頻譜圖如圖4-2： (a) 基帶信號(hào)頻譜 (b) 載波信號(hào)頻譜 (c) 未經(jīng)

20、傳輸?shù)腄SB信號(hào)頻譜 (d) 在AWGN信道中傳輸?shù)腄SB信號(hào)頻譜（e） 解調(diào)信號(hào)頻譜圖4-2 系統(tǒng)各點(diǎn)信號(hào)頻譜由頻譜可以看出，DSB信號(hào)的頻譜由上邊帶、下邊帶兩部分組成，上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像,它的帶寬仍是是基帶信號(hào)帶寬的2倍?？梢奃SB調(diào)制的實(shí)質(zhì)是對(duì)頻譜進(jìn)行線形搬移，同時(shí)抑制了載波；而解調(diào)正好是將高頻部分信號(hào)頻譜搬回低頻的過程。5 總結(jié)5.1 遇到的問題通過本次課程設(shè)計(jì)，我熟悉了Matlab下用Simulink進(jìn)行通信仿真的過程，對(duì)一些過去沒有弄懂或認(rèn)識(shí)模糊的概念、理論有了正確認(rèn)識(shí)，也為以后的工作和學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。在課程設(shè)計(jì)中有收獲，同樣也有許多不足之處。其中之一就是沒有很好地實(shí)現(xiàn)題目要求的“采用正弦信號(hào)和自行錄制的語音信號(hào)（.wav文件）進(jìn)行DSB調(diào)制與解調(diào)”。設(shè)計(jì)過程中，我使用了“From wave file”模塊來加載wav文件，將音頻信號(hào)作為基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，但可能因?yàn)镸atLab版本問題，“From wave file”模塊始終無法正確運(yùn)行，具體表現(xiàn)為Simulink提