中波调幅广播传输系统仿真 设计报告.docx
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中波调幅广播传输系统仿真设计报告
通信系统课程设计报告
中波调幅广播传输系统仿真
摘要
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
本次设计主要是以simulink为设计平台，进行中波调幅广播系统的仿真，进行调制和解调、参数仿真等过程，加深对通信原理基本原理和simulink应用技术的理解,学习使用计算机建立通信系统仿真模型的基本方法及基本技能,学会利用仿真的手段对于实用通信系统的基本理论、基本算法进行实际验证。
关键词：
MATLAB；Simulink；中波调幅
Mediumwaveamplitudemodulatedradio
transmissionsystemsimulation
Abstract
SimulinkisavisualizationsimulationtoolofMATLAB,itisakindofblockdiagramdesignbasedonMATLABenvironment,istorealizethedynamicsystemmodeling,simulationandanalysisofasoftwarepackagethatiswidelyusedinlinearsystems,nonlinearsystems,digitalcontrolanddigitalsignalprocessing（DSP）inthemodelingandsimulation.
Maindesignisbasedonsimulinkplatform,thedesignofmediumwaveamplitudemodulationbroadcastingsystemsimulation,modulationanddemodulation,parametersimulationprocess,suchasdeepeningofcommunicationprinciple,theunderstandingofthebasicprincipleandapplicationtechniqueofsimulink,learningtouseacomputertoestablishacommunicationsystemsimulationmodel,thebasicmethodsandbasicskills,learntousethemethodofsimulationforpracticalcommunicationsystem'sbasictheory,basicalgorithmforactualtestandverify.
Keywords:
MATLAB;Simulink;Mediumwaveamplitudemodulation
1引言
1.1课程要求
1.1.1构建调制模块
采用接收滤波器AnalogFilterDesign模块，在同一示波器上观察调幅信号在未加入噪声和加入噪声后经过滤波器后的波形。
采用另外两个相同的接收滤波器模块，分别对纯信号和纯噪声滤波，利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比，用Disply显示结果。
对中波调幅广播传输系统进行仿真的技术指标为：
1）基带信号：
最大幅度为1，频率在100-6000Hz内可调；
2）载波信号：
幅度一定，正弦波，设初相为0，频率在550-1605kHz内可调；
3）接收机带宽：
12KHz，中心频率为1000KHz；
4）在信道中加入加性高斯噪声。
1.1.2构建解调模块
构建包络解调和相干解调电路，用示波器显示解调波形。
构建一个信噪比测试子系统，该系统能使输入的两路解调信号中的信号和噪声近似分离，以分别计算信号和噪声分量的功率，进而计算信噪比，并用Display显示，同时将信噪比数据送入Workspace。
1.2调幅广播系统的模型及仿真环境
1.2.1MATLAB及Simulink建模环境简介
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果.
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
1.2.2调幅广播系统介绍
模拟幅度调制是无线电最早的远距离传输技术。
在幅度调制中，以声音信控制高频率正弦信号的幅度，并以幅度变化的高频率正选信号放大后经过天线发射出去，成为电磁波辐射。
波动的信号要能够有效地从天线发送出去，或者有效地将信号接收过来，需要天线的长度至少达到波长的四分之一。
声音转换成电信号后其波长为15～15000km之间，实际中不能造出这样长度的天线进行有效的信号收发。
因此需要将象声音信号这样的低频信号搬到较高的频段上去，以便通过较短的天线发射出去。
例如：
移动通信所使用的900MHz频率段上的电磁波信号长度约为0.33米，其收发天线的尺寸应为波长的四分之一，即约8cm左右。
而调幅广播中波范围为550~1605kHz，短波约为330MHz，其波长范围在几十米到几百米，相应的天线要长一些。
人耳可闻的声音信号通过话筒转化为波动的电信号，其频率范围为20~20kHz。
大量实验发现，人耳对语音频率敏感区域约为300~3400Hz,为了节约频带带宽资源，国际标准中将电话通信的传输频带规定为300~3400Hz。
调幅广播除了传输语音之外，还要播送音乐节目，这就需要更宽的频带。
一般而言，调幅广播的传输频率范围约为100~6000Hz。
2系统模型的建立
2.1模型参数
1）基带信号：
调制度（信号最大幅度与载波幅度之比）ma=0.3，频率在100~600Hz内可调；
2）载波信号：
幅度为1的正弦波，设初相为0，频率在550~1605kHz内可调；
3）接收机选频滤波器带宽为12kHz，中心频率为1000kHz。
4）信道中加入噪声。
当调制度为0.3时，设计接收机选频滤波器输出信噪比为20dB。
要求设计信道中应加入噪声的方差，并能够测量接收选频滤波器实际输出信噪比。
2.2仿真参数设计
系统工作最高频率为调幅载波频率1605kHz，设计仿真采样率为最高工作频率的10倍左右，因此取仿真的步长为
相应的仿真带宽为仿真采样频率的一半，即
设基带测试正弦信号为
，载波为
，则调制度为为
的调制输出信号
为
则
的平均功率为
设信道无衰减，其中加入的白噪声功率谱密度为
，那么仿真带宽内噪声的方差为
设接收选频滤波器的功率增益为1，带宽为B，择选通滤波器的输出噪声功率为
因此，接收选通滤波器输出信噪比为
故信道中的噪声方差为
根据上面的公式以及仿真设计要求的输出信噪比SNRout可计算出相应信道中应加入的噪声方差值，计算程序和结果如下：
SNR_dB=20;
SNR=10.^（SNR_dB/10）;
m_a=0.3;
P=0.5+（m_a^2）/4;
W=8025.7e3;
B=12e3;
sigma2=P/SNR*W/B
运行结果：
sigma2=3.4945
根据以上结果及其他已知值进行仿真系统的参数的设置。
3系统仿真
3.1中波调幅系统调制过程的仿真
3.1.1simulink仿真图
图3.1.1中波调幅系统调制过程的仿真图
3.1.2仿真过程参数设置及过程分析
SignalGenerator:
信号发生器，产生基带信号
Waveform:
sine
Amplitude:
0.3
Frequency:
1000
SignalGenerator1:
信号发生器，产生载波信号
Waveform:
sine
Amplitude:
1
Frequency:
1000000
GaussianNoiseGenerator:
高斯噪声发生器，产生加性高斯噪声
Mean:
0
Variance:
3.4945
AnalogFilterDesign:
模拟滤波器设计，三个模拟滤波器分别用于纯信号，纯噪声以及信号和噪声混合信号的滤波
Designmethod:
Butterworth
Filtertype:
Bandpass
Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*（1e6-6e3）
Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*（1e6+6e3）
Zero-OrderHold:
零界保持器
Sampletime:
6.23e-8
Variance:
计算向量的方差
选中Runningvariance
dBConversion:
分别对纯信号和混合信号做对数变换
Convertto:
dB
Inputsignal:
Power
Fun:
运算函数
Expression:
u
（1）-u
（2）
Display:
显示SNR的结果
Format:
short
在系统仿真模型图中，用加法器和乘法器实现调幅，用GaussianNoiseGenerator产生高斯噪声样值序列，并用加法器实现AWGN通道。
为了测量输出信噪比，以参数完全相同的三个滤波器模块分别对纯信号，纯噪声以及信号和噪声混合信号的滤波，最后利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比，如仿真图所示输出信噪比为19.36dB，满足设置要求。
3.1.3仿真结果
图3.1.2中波调幅系统调制过程的仿真结果
3.2中波调幅系统解调过程的仿真
3.2.1simulink仿真图
图3.2.1中波调幅系统解调过程的仿真图
图3.2.2解调输出信噪比近似于测量子系统Subsystem的内部结构
3.2.2仿真过程参数设置及过程分析
解调图参数设置：
SignalGenerator:
信号发生器，产生基带信号
Waveform:
sine
Amplitude:
0.3
Frequency:
1000
SignalGenerator1:
信号发生器，产生载波信号
Waveform:
sine
Amplitude:
1
Frequency:
1000000
GaussianNoiseGenerator:
高斯噪声发生器，产生加性高斯噪声
Mean:
0
Variance:
1
AnalogFilterDesign:
Designmethod:
Butterworth
Filtertype:
Lowpass
FilterOrder:
2
passbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*6000
Display:
显示SNR的结果
Format:
short
Scope
Timerange:
0.01
子系统参数设置：
AnalogFilterDesign:
Filtertype:
Bandstop
Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*900
Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*1100
AnalogFilterDesign:
Filtertype:
Bandpass
Lowerpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*900
Upperpassbandedgefrequency（rads/sec）:
2*pi*1100
Zero-OrderHold:
零界保持器
Sampletime:
6.23e-8
Variance:
计算向量的方差
选中Runningvariance
Buffer
Outputbuffersize:
1.6051e+005
dBConversion:
分别对纯信号和混合信号做对数变换
Convertto:
dB
Inputsignal:
Power
Fun:
运算函数
Expression:
u（3）-u
（1）
Expression:
u（4）-u
（2）
Display:
显示SNR的结果
Format:
short
调幅信号通过AWGN信道后，分别送入包络检波器和同步相干解调器。
包络检波器由Saturation模块来模拟具有单向导通性能的检波二极管，模块的上下门限分别设置为inf和0。
两解调器后接的低通滤波器相同。
解调后的两路信号送到示波器显示，同时送入信噪比测试模块，即图中的子系统Subsystem，其内部如图3.2.2所示。
在Subsystem模块中，输入的两路解调信号通过滤波器将信号和噪声近似分离，以分别计算信号和噪声分量的功率，进而计算信噪比。
两个带通滤波器参数相同，其中心频率为1000Hz，带宽为200Hz，对应于发送基带测试信号频率，其输出近似视为纯信号分量。
两个带阻滤波器参数也相同，其中心频率为1000Hz，带宽为200Hz，其输出可近似为信号中的噪声分量。
之后，通过零阶保持模块将信号离散化，再由buffer模块和方差模块计算出信号和噪声的功率，buffer缓冲区长设置为1.6051e+005个样值，这样将在0.01s内进行一次统计计算。
最后，由分贝转换模块dBConversion和Fcn函数模块计算出两解调器的输出信噪比。
计算输出Display显示的同时，ToWorkspace模块将其送入工作空间。
当设置信道噪声方差等于1时，执行仿真所得到的解调信号波形如图3.2.3所示。
可以看出，相干解调输出波形中，噪声成分相对要小一些.
3.2.3仿真结果
图3.2.3中波调幅系统解调输出波形
4总结与体会
本次的课程设计通过在Simulink环境下对中波调幅系统进行模块化设计与仿真，让我进一步了解了MATLAB中Simulink功能模块的使用方法以及它图形化和结构化的系统设计方法。
并且对通信系统有了更进一步的认识，将课本中所学到的知识运用到实际当中来，加深了理解，系统中每个参数、每一条线路都有着决定性的作用，都有可能导致整个系统无法正常运行。
在课程设计的过程中也遇到很多问题，比如参数设置的不理想因此总是会出现波形失真的现象，以及不同的模块会对设计有不同的影响，还有若要使信号不失真的能够传输到接收端就要考虑很多的因数，在发送端要注意噪声的加入，尽量的减少噪声进入信道中，以免在接收端使信号失真度过大而不能够恢复成原来的信
号。
而在接收端，采用不同的解调方式恢复出原来的信号也有差异。
虽然设计过程并不顺利，但是通过咨询了老师以及自己一次次的试验，最后还是比较成功地完成了设计。
这要感谢指导教师在课程设计中的热心帮助，让我在课程设计中获益匪浅。
5主要参考文献
【1】邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析.北京:
清华大学出版社,2008
【2】张化光,刘鑫蕊,孙秋野.MATLAB/SIMULINK实用教程.北京:
人民邮电出版社,2009
【3】樊昌信,曹丽娜.通信原理.北京:
国防工业出版社,2013
【4】刘卫国.MATLAB程序设计教程.北京:
中国水利水电出版社,2005
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