matlab课程设计——调幅广播系统的仿真设计.doc

南京工程学院课程设计任务书 课程名称_院(系) 专业班级 姓名 学号 指导教师 目 录1、引言3 1.1课程设计应达到的目的 3 1.2 课程设计题目及要求32、调频广播系统的模型及仿真环境 4 2.1 MATLAB及SIMULINK建模环境简介4 2.2 调幅广播系统介绍4 2.3 模型参数指标42.3 仿真参数设计 53、系统的建立与仿真 6 3.1 仿真参数设置6 3.2 系统中仿真模块参数的设置6 3.3 SCOPE端的最终波形图7 3.4 调幅的包络检波和相干解调性能仿真比较83.5脚本程序 94、总结与体会105、主要参考文献111引言1.1 设计目的及任务要求1课程设计应达到的目的（1）掌握使用Matlab语言及其工具箱进行基本信号分析与处理的方法。（2）用matlab和simulink设计一个通信系统，加深对通信原理基本原理和matlab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；（3）提高和挖掘学生将所学知识与实际应用相结合的能力，学习现有流行通信系统仿真软件MATLAB的基本使用方法，学会使用这些软件解决实际系统出现的问题；（4）培养学生的合作精神和独立分析问题和解决问题的能力；通过系统仿真加深对通信课程理论的理解。（5）用MATLAB 完成调幅广播系统的仿真，提高学生科技论文的写作水平。1.2 课程设计题目调幅广播系统的仿真设计设计任务：1.采用接收滤波器Analog Filter Design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。模型文件保存为ex1_1.mdl。对中波调幅广播传输系统进行仿真，其技术指标为：1)载波信号：幅度为1的正弦波，设初相为0，频率在5501605Hz内可调；2)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100600Hz内可调；3)接收机选频滤波器带宽为12KHz，中心频率为1000KHz；4)在信道中加入加性高斯噪声，需要先计算出信道中应该加入噪声的方差。设计接收机选频滤波器输出信噪比为20dB。2.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。模型文件保存为ex1_2.mdl。3.编写脚本程序ex1.m，通过选择不同信噪比，计算加性噪声的方差送入仿真模型，调用模型文件执行仿真，并通过matlab绘图得到包络解调和相干解调后的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线。2 调幅广播系统的模型及仿真环境2.1 MATLAB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。.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1515000km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5501605kHz，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2020kHz。大量实验发现，人耳对语音频率敏感区域约为3003400Hz,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3003400Hz。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1006000Hz。2.3 模型参数指标（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100600Hz内可调；（2）载波信号：幅度为1的正弦波，设初相为0，频率在5501605Hz内可调；（3）接收机选频滤波器带宽为12kHz，中心频率为1000 kHz。（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。2.4 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 为显然，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，编程计算出噪声的方差，并将方差值和其它已知值作为仿真系统的参数。根据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：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运行后结果：sigma2 =3.49453. 系统的建立与仿真3.1 仿真参数设置按照调幅广播系统的物理与数学模型建立系统模型。根据相干方式的原理图利用MATLAB的Simulink建立系统的模拟仿真图。如下图所示： 图3-1-1中波调幅广播传输系统仿真参考模型3.2 系统中仿真模块参数的设置Signal Generator: 信号发生器，产生基带信号Wave form: sineAmplitude: 0.3Frequency: 1000Signal Generator1: 信号发生器，产生载波信号Wave form: sineAmplitude: 1Frequency: 1000000Random Number: 随机噪声发生器，产生高斯正态分布随机信号，这里用来构造高斯白噪声信道Mean: 0Variance: 3.4945Analog Filter Design: 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Design method: ButterworthFilter type: BandpassLower passband edge 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: 计算向量的方差选中Running variancedB Conversion: 分别对纯信号和混合信号做对数变换Convert to: dB Input signal: Power l Fun: 运算函数Expression: u(1)-u(2)l Display: 显示SNR的结果Format: short3.3 Scope 端的最终波形图在系统仿真模型图中，用加法器和乘法器实现调幅，用 Random Number 产生噪声样值序列，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。某次仿真执行后，测试信噪比为20.11dB，与设计值 20dB相符。按接收滤波器输出的调幅信号以及发送调幅信号的波形对比仿真结果如下图所示：图3-2-1 接收滤波器输出调幅信号以及发送调幅信号的波形及仿真3.4 调幅的包络检波和相干解调性能仿真比较实例2：以实例1为传输模型，在不同输入信噪比条件下仿真测量包络检波解调和同步相干解调对调幅波的解调输出信噪比，观察包络检波解调的门限效应。图1-2所示的仿真模型(ex2.mdl)用于测量包络检波的门限效应，发送的调幅波参数以及仿真步进与实例1相同。首先，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SNR Detection，其内部如图1-3所示。在SNR Detection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dB Conversion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，也送入工作空间，以便能够编程作出两解调性能曲线，To Workspace模块设置为只将最后一次仿真结果以数组(Array)格式送入工作空间，变量名为SNR_out，它含有2个元素，即两个解调输出信号的检测信噪比。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1-4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. 图3-4-1 包络检波和相干解调性能测试仿真模型系统中仿真模块参数的设置Signal Generator: 信号发生器，产生基带信号Wave form: sineAmplitude: 0.3Frequency: 1000Signal Generator1: 信号发生器，产生载波信号Wave form: sineAmplitude: 1Frequency: 1000000Random Number: 随机噪声发生器，产生高斯正态分布随机信号，这里用来构造高斯白噪声信道Mean: 0Variance:1Analog Filter Design: Design method: ButterworthFilter type: LowpassFilter Order:2passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*6000l Display: 显示SNR的结果Format: shortl ScopeTime range:0.01 图3-4-2解调输出信噪比近似于测量子系统SNR Detection的内部结构系统中仿真模块参数的设置 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*900Upper passband edge frequency (rads/sec): 2*pi*1100Zero-Order Hold: 零界保持器Sample time: 6.23e-8Variance: 计算向量的方差选中Running varianceBuffer Output buffersize:1.6051e+005dB Conversion: 分别对纯信号和混合信号做对数变换Convert to: dB Input signal: Power l Fun: 运算函数Expression: u(3)-u(1)Expression: u(4)-u(2)l Display: 显示SNR的结果Format: short 图3-4-3 执行仿真所得到的解调信号波形噪声方差设为1 3.5任务三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; % 调制度P=0.5+(m_a2)/4; % 信号功率for k=1:length(SNR_in) sigma2=P/SNR_in(k); % 计算信道噪声方差并送入仿真模型 sim(ex12.mdl);% 执行仿真 SNRdemod(k,:)=SNR_out(:,1); % 记录仿真结果endplot(SNR_in_dB, SNRdemod(:,size(SNRdemod);xlabel(输入信噪比 dB);ylabel(解调输出信噪比 dB);legend(包络检波,相干解调);将图341中的Random Number: 设置为Mean: 0Variance: sigma2通过matlab绘图得到包络解调和相干解调后的输出信噪比与输入信噪比的关系曲线：4