基于simulink的DSB调制解调 设计报告概要.docx

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基于simulink的DSB调制解调设计报告概要

信息处理课程设计报告

题目：

基于simulink的DSB调制

与解调系统设计

基于simulink的DSB调制与解调系统设计

摘要

本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计进行DSB调制与相干解调系统仿真。

在本次课程设计中先根据DSB调制与解调原理构建调制解调电路，从Simulink工具箱中找所各元件，合理设置好参数并运行，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，之后分别加入高斯白噪声，并分析对信号的影响，最后通过对输出波形和功率谱的分析得出DSB调制解调系统仿真是否成功。

关键词：

Simulink；DSB；调制；相干解调

1设计任务

1.1设计的目的和意义

通信技术的发展日新月异，通信系统也日趋复杂，在通信系统的设计研发过程中，软件仿真已成为必不可少的一部分，电子设计自动化EDA技术已成为电子设计的潮流。

随着信息技术的不断发展，涌现出了许多功能强大的电子仿真软件，如Workbench、Protel、Systemview、Matlab等。

《通信原理》是电子通信专业的一门极为重要的专业基础课，由于内容抽象，基本概念较多，是一门难度较大的课程，要想学好并非易事。

采用Matlab及Simulink作为辅助教学软件，摆脱了繁杂的计算，可以使学生对书本上抽象的原理有进一步的感性认识，加深对基本原理的理解。

1.2设计任务与要求

设计题目：

DSB调制与解调系统设计

设计要求：

（1）录制一段2s左右的语音信号，并对录制的信号进行8000Hz的采样，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；

（2）采用正弦信号和自行录制的语音信号（.wav文件）进行DSB调制与解调；信道使用高斯白噪声；画出相应的时域波形和频谱图。

2系统原理

2.1DSB调制原理

在消息信号m（t）上不加上直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB-SC）调制信号，简称双边带（DSB）信号。

DSB调制器模型如图2-1，可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘。

图2-1DSB信号调制器模型

其时域和频域表示式分别如下

（式2-1）

（式2-2）

除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。

故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，DSB信号的波形和频谱分别如图2-2：

图2-2DSB信号的波形与频谱

2.2DSB解调原理

因为不存在载波分量，DSB信号的调制效率是100%，即全部功率都用于信息传输。

但由于DSB信号的包络不再与m（t）成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调。

图2-3DSB信号相干解调模型

图2-3中SL（t）为本地载波，也叫相干载波，必须与发送端的载波完成同步。

即频率相同时域分析如下：

（式2-3）

Sp（t）经过低通滤波器LPF，滤掉高频成份，

为

（式2-4）

频域分析如下：

（式2-5）

式中的H（ω）为LPF的系统函数。

频域分析的过程如图2-4所示。

事实上

本地载波和发端载波完全一致的条件是是不易满足的，因此，需要讨论

有误差情况下对解调结果的影响。

图2-4DSB信号相干解调过程示意图

3设计方案

3.1仿真平台

近几年，在学术界和工业领域，Simulink已经成为在动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一。

它的魅力在于强大的功能和使用方法。

确切的说，它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。

它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统等，而且系统可以是多进程的。

Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，采用这种方法进行系统设计，就像你用笔和纸来画一样容易。

它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

用Simulink创建的模型可以具有递接层次结构，及允许用户建立自己的子系统。

在察看时，用户可以从最顶层开始，然后用鼠标双击其中的子系统模块，从而进入自信同模块进行察看，这样非常便于模型的条理化，从而帮助用户理解模型的整体结构以及各模块之间的关系。

Simulink是MATLAB为模拟动态系统而提供的一个面向用户的交互式程序，它采用鼠标驱动方式，允许用户在屏幕上绘制框图，模拟系统并能动态的控制该系统。

它还提供了两个应用程序扩展集，分别是SimulinkEXTENSION和BLOCKSET。

Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

基于这些特点，在本设计中使用Simulink软件作为仿真平台搭建系统模型。

对Simulink的使用步骤简要介绍如下。

（1）模型库

在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入Simulink模型库，单击工具栏上的

按钮也可进入。

Simulink模块库按功能进行分为以下8类子库：

Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。

Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。

Simulink主界面如图3-1所示。

图3-1Simulink主界面

（2）设计仿真模型

在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File”|“New”|“Model”，即可生成空白仿真模型窗口，如图3-2所示。

图3-2新建仿真模型窗口

（3）运行仿真

两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：

在菜单栏中依次选择"Simulation"|"Start"或在工具栏上单击

。

命令行方式：

输入“sim”启动仿真进程

比较这两种不同的运行方式：

菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。

命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式。

3.2录音功能的实现

音频文件的录制和分析处理采用MatLab文本编程实现。

首先调用函数wavrecord（）进行为时2s、采样率为8000Hz的录音，然后调用wavwrite（）函数将音频信号保存为test.wav文件，保存完成后再调用wavread（'test.wav'）来读取波形，并绘制其时域和频域波形图。

编写的脚本文件wav_process.m如下：

%--------------------录音并保存-------------------%

fs=8000;%语音信号采样频率为8000

fprintf（'按任意键开始2秒录音...\n'）;pause

fprintf（'录音中...\n'）;

wavwrite（wavrecord（2*fs,fs）,fs,8,'test.wav'）;%以8000的采样率、8bit的位速录音，并保存录音为“test.wav”

fprintf（'录音保存完毕！

\n'）;

wave=wavread（'test.wav'）;%读取保存的录音文件，将幅值赋给变量wave

fprintf（'录音读取完毕！

\n'）;

sound（wave,fs）;%以8000Hz的采样率播放语音信号

fprintf（'录音播放完毕！

\n'）;

%---------------------波形图----------------------%

fprintf（'绘制波形图...\n'）;

t=（0:

length（wave）-1）/fs;%数组下标乘以采样周期，得出时间轴

figure

（1）,plot（t,wave）;%做语音信号的时域波形图

title（'语音信号时域波形图'）;

xlabel（'时间'）,ylabel（'幅值'）;

%---------------------频谱图----------------------%

fprintf（'绘制频谱图...\n'）;

y1=fft（wave,2048）;%语音信号1024点FFT，得出幅值轴

f=fs*（0:

2047）/2048;%得出频率轴

figure

（2）,plot（f,abs（y1（1:

2048）））;

title（'语音信号频谱图'）;

xlabel（'Hz'）,ylabel（'幅值'）;

fprintf（'全部处理完毕！

\n\n'）;

%-------------------------------------------------%

程序运行结果如下图3-3所示：

图3-3语音信号时域、频域波形图

3.3调制模块设计

新建一个仿真空白模型，将DSB信号调至所需要的模块拖入空白模型中。

图3-4中Basebandwave为正弦基带信号、Carrierwave为正弦载波，均使用离散化的信号。

product为乘法器、scope为示波器。

连接各模块如下图所示。

图3-4DSB调制模型

双击模块设置基带信号属性：

幅度为1，频率为500HZ，初相位为0，离散方式，采样间隔为1×10-5s，具体如下图3-5所示：

图3-5基带信号参数设置

用同样的方式设置载波信号属性如下图3-6所示：

图3-6载波参数设置图

设置完成点击“运行”按钮，并双击示波器，显示波形如下图3-7：

图3-7DSB信号调制波形

图中三路信号波形，第一路为基带信号，第三路为载波，第二路为调制的DSB波形。

从图中可以清楚地看出，双边带信号时域波形的包络不同于调制信号的变化规律。

在调制信号零点前处已调波的相位发生了180°的突变。

在调制信号的正半周期内，已调波的高频相位与载波相同，在调制信号的负半周期内，已调波的高频相位与载波相反。

并且双边带的带宽为基带信号的两倍。

3.4高斯白噪声信道

加性高斯白噪声AWGN（AdditiveWhiteGaussianNoise）是最基本的噪声与干扰模型。

加性噪声是叠加在信号上的一种噪声，通常记为n（t），而且无论有无信号，噪声n（t）都是始终存在的。

因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。

若噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。

如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。

在通信系统中，经常碰到的噪声之一就是白噪声。

在理想信道调制与解调的基础上，在信道中加入高斯白噪声，把Simulink中的AWGN模块加入到模型中。

噪声参数设置、模型与波形图如下：

图3-8高斯噪声参数设置

图3-9高斯白噪声信道传输模型

图3-10高斯白噪声信道传输波形

如图3-10所示，第一路为调制后未经传输的DSB信号波形，第二路为加性高斯白噪声信道中传输的波形。

相比较可看出，波形出现了一定程度的失真。

失真是随着信噪比SNR的变化而变化的，SNR越小，通过AWGN信道的波形就越接近理想信道波形。

3.5解调模块设计

因为DSB信号包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复基带信号，而必须采用相干解调。

相干解调也称同步检波，是指用载波乘以一路与载波相干（同频同相）的参考信号，再通过低通滤波器即可输出解调信号。

解调模块设计模型如图3-11所示：

图3-11相干解调模块模型

图中In1为DSB信号输入端，Referwave为与载波相干的参考信号，二者相乘后经数字滤波器进行低通滤波，再进行2倍增益后，输出的既是解调波。

这里的数字滤波器用到了Simulink模型库中的FDATool，双击模块可以选择滤波器类型及更改参数。

在这里选择了低通Elliptic滤波器，试验发现它具有很好的频响特性。

根据系统基带信号频率范围和载波的频率，设置其通带和截止频率如下图3-12所示：

图3-12数字滤波器设置

为了方便连线和放置模块，在这里将解调模块封装为子系统CoherentDemodulation，并对带有高斯白噪声的DSB信号进行解调，其模型如图3-13所示。

图3-13解调模块模型

基带信号、带有噪声的DSB信号和解调信号的波形如图3-14，由图可看出，解调波形较接近基带信号波形，表明解调模块特性较好，能够从带有高斯白噪声的DSB信号中解调出需要的原始波形。

图3-14解调模块波形

3.6总体模型

连接各模块并进行仿真调试，不断修改各模块参数使系统能正确稳定地工作。

系统总体模型如图3-15所示，系统各个关键点波形如图3-16。

图3-15系统总体模型图

图3-16系统各关键点波形

4系统特性分析

4.1频谱分析

为了显示系统各个点信号频谱图，在信号和频谱分析仪之间加一个采样保持器，根据信号频率设置适当采样周期，之后送入频谱分析仪显示频谱图。

图4-1频谱显示信号的预处理模型

用频谱示波器观察系统各点信号频谱，频谱图如图4-2：

（a）基带信号频谱（b）载波信号频谱

（c）未经传输的DSB信号频谱

（d）在AWGN信道中传输的DSB信号频谱

（e）解调信号频谱

图4-2系统各点信号频谱

由频谱可以看出，DSB信号的频谱由上边带、下边带两部分组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像,它的带宽仍是是基带信号带宽的2倍。

可见DSB调制的实质是对频谱进行线形搬移，同时抑制了载波；而解调正好是将高频部分信号频谱搬回低频的过程。

5总结

5.1遇到的问题

通过本次课程设计，我熟悉了Matlab下用Simulink进行通信仿真的过程，对一些过去没有弄懂或认识模糊的概念、理论有了正确认识，也为以后的工作和学习打下了基础。

在课程设计中有收获，同样也有许多不足之处。

其中之一就是没有很好地实现题目要求的“采用正弦信号和自行录制的语音信号（.wav文件）进行DSB调制与解调”。

设计过程中，我使用了“Fromwavefile”模块来加载wav文件，将音频信号作为基带信号进行调制，但可能因为MatLab版本问题，“Fromwavefile”模块始终无法正确运行，具体表现为Simulink提示找不到用于仿真的模块甚至直接崩溃。

我换过不同的软件版本和计算机，但始终没能圆满解决这个问题。

所以在最终的系统方案中，仍然采用了低频的正弦波代替音频文件作为基带信号，这个方案被证明是成功的。

今后需要进一步加强对通信系统的认识，并多用Simulink做系统仿真，以熟悉各模块的功能和适用场合。