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

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，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(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)的目的和意義-1-1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求-1-2系統(tǒng)原理-1-2.1DSB調(diào)制原理-1-2.2DSB解調(diào)原理-2-3設(shè)計(jì)方案-3-3.1仿真平臺-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)的開展日新月異，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，軟件仿真已成為必不可少的一局部，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)的不斷開展，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?！锻ㄐ旁怼肥请娮油ㄐ艑I(yè)的一門極為重要的專業(yè)根底課，由于內(nèi)容抽象，根本概念較多，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)生對書本上抽象的原理有進(jìn)一步的感性認(rèn)識，加深對根本原理的理解。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，并對錄制的信號進(jìn)行8000Hz的采樣，畫出采樣后語音信號的時(shí)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(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2.1DSB調(diào)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(diào)信號就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號，或稱抑制載波雙邊帶〔DSB-SC〕調(diào)制信號，簡稱雙邊帶〔DSB〕信號。DSB調(diào)制器模型如圖2-1，可見DSB信號實(shí)質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘。圖2-1DSB信號調(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信號的頻譜與AM信號的完全相同，仍由上下對稱的兩個(gè)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(diào)原理因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB信號的調(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2-3DSB信號相干解調(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(ω)為LPF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解調(diào)結(jié)果的影響。圖2-4DSB信號相干解調(diào)過程示意圖3設(shè)計(jì)方案3.1仿真平臺近幾年，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)立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)。在觀察時(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(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(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對這些根本模塊的調(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(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)和平臺模塊〕Math〔數(shù)學(xué)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(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樹結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計(jì)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(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)程比擬這兩種不同的運(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。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MatLab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(shù)組下標(biāo)乘以采樣周期，得出時(shí)間軸figure(1),plot(t,wave);%做語音信號的時(shí)域波形圖title('語音信號時(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('語音信號頻譜圖');xlabel('Hz'),ylabel('幅值');fprintf('全部處理完畢！\n\n');%%程序運(yùn)行結(jié)果如下列圖3-3所示：圖3-3語音信號時(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信號調(diào)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(diào)制模型雙擊模塊設(shè)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(shù)設(shè)置用同樣的方式設(shè)置載波信號屬性如下列圖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，顯示波形如下列圖3-7：圖3-7DSB信號調(diào)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(diào)制的DSB波形。從圖中可以清楚地看出，雙邊帶信號時(shí)域波形的包絡(luò)不同于調(diào)制信號的變化規(guī)律。在調(diào)制信號零點(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(shè)噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數(shù)，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(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(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SB信號波形，第二路為加性高斯白噪聲信道中傳輸?shù)牟ㄐ?。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(diào)模塊設(shè)計(jì)因?yàn)镈SB信號包絡(luò)不再與調(diào)制信號的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)基帶信號，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，再通過低通濾波器即可輸出解調(diào)信號。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信號輸入端，Referwave為與載波相干的參考信號，二者相乘后經(jīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行低通濾波，再進(jìn)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)基帶信號頻率范圍和載波的頻率，設(shè)置其通帶和截止頻率如下列圖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)CoherentDemodulation，并對帶有高斯白噪聲的DSB信號進(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、帶有噪聲的DSB信號和解調(diào)信號的波形如圖3-14，由圖可看出，解調(diào)波形較接近基帶信號波形，說明解調(diào)模塊特性較好，能夠從帶有高斯白噪聲的DSB信號中解調(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)信號頻譜圖，在信號和頻譜分析儀之間加一個(gè)采樣保持器，根據(jù)信號頻率設(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頻譜顯示信號的預(yù)處理模型用頻譜示波器觀察系統(tǒng)各點(diǎn)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(jīng)傳輸?shù)腄SB信號頻譜(d)在AWGN信道中傳輸?shù)腄SB信號頻譜〔e〕解調(diào)信號頻譜圖4-2系統(tǒng)各點(diǎn)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(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號的頻譜結(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帶寬的2倍?？梢奃SB調(diào)制的實(shí)質(zhì)是對頻譜進(jìn)行線形搬移，同時(shí)抑制了載波；而解調(diào)正好是將高頻局部信號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，對一些過去沒有弄懂或認(rèn)識模糊的概念、理論有了正確認(rèn)識，也為以后的工作和學(xué)習(xí)打下了根底。在課程設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行DSB調(diào)制與解調(diào)〞。設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)制，但可能因?yàn)镸atLab版本問題，“Fromwavefile〞模塊始終無法正確運(yùn)行，具體表現(xiàn)為Simulink提示找不到用于