基于Simulink的调幅广播系统的仿真与分析

福建师范大学 - 1 - 毕业设计 题 目 基于 Simulink 的调幅广播系统的仿真与分析 学 院 应用科技学院 专 业 电子信息工程 姓 名 郑发凯 学 号 120352010065 年 级 2010 级 指导老师吴淑莲 日期：2013-11-13 福建师范大学 - 2 - 目录目录 第一章第一章 引言引言.3 1.1设计的目的设计的目的 3 1.2设计的内容与要求设计的内容与要求 .3 第二章第二章调幅广播系统的模型及仿真环境调幅广播系统的模型及仿真环境.4 2.1MATLAB 及及 SIMULINK 建模环境的简介建模环境的简介.4 2.2调幅广播系统的介绍调幅广播系统的介绍4 2.3仿真参数的设计仿真参数的设计.5 第三章第三章调幅广播系统的建立与仿真调幅广播系统的建立与仿真 7 3.1 建立系统的模拟仿真图建立系统的模拟仿真图7 3.2 调幅广播系统中仿真模块的参数设置调幅广播系统中仿真模块的参数设置 .7 3.3 仿真结果与分析仿真结果与分析.9 第四章第四章调幅包络检波和相干解调的建立与仿真调幅包络检波和相干解调的建立与仿真10 4.1 建立模拟仿真图建立模拟仿真图 .10 4.2 仿真模块的参数设置仿真模块的参数设置10 4.3 仿真结果与分析仿真结果与分析 .13 第五章第五章脚本程序脚本程序 13 5.1脚本程序脚本程序 13 5.2 性能曲线性能曲线.14 第六章第六章总结与体会总结与体会.15 参考文献参考文献16 福建师范大学 - 3 - 基于基于 Simulink 的调幅广播系统的仿真与分析的调幅广播系统的仿真与分析 电电子信息工程子信息工程专业专业 120352010065郑发凯郑发凯 指指导导教教师师：吴淑：吴淑莲莲 【 【摘要摘要】 】随着信息科学技随着信息科学技术术的的发发展，原本展，原本应应用于研用于研发发、 、测试测试的的仪仪器更新速度也相器更新速度也相应应加快，加快，计计算机仿真算机仿真 可以广泛用于大部分可以广泛用于大部分电电子信息工程、子信息工程、现现代通信技代通信技术术和通信系和通信系统统的的实验实验研究工作。研究工作。Simulink 是是 MATLAB 中中 的其中一种可的其中一种可视视化仿真工具。化仿真工具。Simulink 是一种用来是一种用来对动态对动态系系统进统进行建模、仿真和分析的行建模、仿真和分析的软软件包。本件包。本课题设计课题设计 是使用是使用 MATLAB/Simulink 的的计计算机仿真，它包含有算机仿真，它包含有经济经济、安全、可靠、安全、可靠、编编程程简简易以及易以及试验试验周期短等周期短等优优点。点。 本本论论文主要的工作是文主要的工作是调调幅广播系幅广播系统统的建模与仿真，主要从的建模与仿真，主要从调调制与解制与解调调两方面来两方面来对对本系本系统统加以加以论论述。述。 【 【关关键词键词】 】 计计算机仿真算机仿真 Simulink 建模建模 MATLAB/Simulink 的的计计算机仿真算机仿真 调调制解制解调调 第一章第一章 引言引言 通信就是从一个地方到另一地方的传递和交换消息。消息是由信息源产生的，是信息 的物理表现，主要由模拟消息（语音、图像）和数字消息（数据、文字）组成。所有的消 息必须先转换成电信号（简称信号）后才可以在通信系统中传输。与之相应的可分为模拟 信号和数字信号。通信的目的就是为了传递信息。 1.1 设计的目的设计的目的 （1）学会使用仿真的方法对通信传输系统的基本理论、基本算法进行仿真验证； （2）熟练使用 MATLAB 语言及工具箱进行基本信号的分析与处理的方法； （3）培养同学们的合作精神和独立分析解决问题的能力，通过传输系统仿真来加深了 解对通信传输系统理论的理解； （4）使用 MATLAB 语言和 Simulink 仿真设计完成中波调幅广播系统的仿真。 1.2 设计的内容与要求设计的内容与要求 1.接收带通滤波器使用 Analog Filter Design 模块来实现，在同一示波器上观察调幅输 出信号，观察在未加入白噪声和加入白噪声后两种情况经过滤波器后的输出波形。为了直 观比较测量输出信噪比，以参数相同的另外两个滤波器模块分别对纯信号和纯噪声进行滤 波，通过统计模块计算信号功率及噪声功率，从而计算输出信噪比，用 Disply 来显示结果。 对于中波调幅广播传输系统进行仿真实验，模型参数指标如下： （1）基带信号：最大幅度为 1 的音频信号，调制度（信号最大幅度与载波幅度之比） =0.5。基带测试信号中波频率在 1006000Hz 之间可调。 a m （2）载波信号：给定幅度为 1 及初相位 0 的正弦波，频率在 5501605kHz 之间可调。 福建师范大学 - 4 - （3）接收机选频滤波器带宽取为 12kHz，中心频率取为 1000kHz。 （4）在信道中加入白噪声，将接收机选频滤波器输出信噪比设为 30dB 后，通过计算 出在信道中应加入白噪声的方差值，从而测量出接收机选频滤波器实际输出信噪比。 2.将调幅广播系统当作传输模型，构建成包络检波和相干解调电路，用示波器显示出 解调输出波形。创建一个信噪比子系统，该系统能够让两输入的解调信号中的信号和噪声 近似分离，并分别算出信号和噪声分量的功率，从而计算出信噪比，用 Display 来显示， 同时将信噪比数据送入 Workspace 工作空间。 3.将噪声方差设为 MATLAB 变量，并将输出 SNR 值用变量的形式输出到工作空间， 然后编写程序，使系统在若干信道信噪比条件下执行仿真并记录，最后绘出信噪比曲线。 第二章第二章调幅广播系统的模型及仿真环境调幅广播系统的模型及仿真环境 2.1 MATLAB 及及 Simulink 建模环境的简介建模环境的简介 美国 MathWorks 公司曾经开发出一种跨平台的 MATLAB 平台，它适用于算法开发， 建模仿真，实时实现的理想集成环境，主要由 MATLAB 和 Simulink 两大部分组成1。 MATLAB 中的 Simulink 模块是一种建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境， 也是一个对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析的软件包2。对系统进行可视 化建模可以选择使用 Simulink，Simulink 还可以进行基于时间流的系统级仿真，从而使得 仿真系统建模与工程中的方框图相结合。用户可以通过简单直观的鼠标操作来控制 Simulink 模块，从而构成更为复杂的系统3。 在 Simulink 模块中，全方位地支持动态系统的建模仿真，还支持连续系统、离散系统、 混合系统、线性系统、非线性系统、时不变系统、时变系统等的建模仿真，也支持具有多 速率传输系统3。 Simulink 还提供了专门用于显示输出信号模块，使用户可以更好地在仿真过程中随时 观察仿真实验结果。同时，通过 Simulink 的存储模块，使仿真数据以多姿多样的形式保存 到 MATLAB 工作空间或文件中，方便用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。另外， Simulink 仿真环境下还附带许多专业仿真模块库。同时 Simulink 还具有等级结构的子系统， 它是通过具有特定功能的代码组成的模块方式组成，从而具有内在的模块化设计功能3。 Simulink 是一种通用的仿真建模工具，Simulink 广泛使用于通信仿真、数字信号处理、 模糊逻辑、数字控制神经网络、机械控制和虚拟现实等领域中。也可以这样说，在通信传 输系统仿真领域中，Simulink 是无所不包的存在3。 2.2 调幅广播系统的介绍调幅广播系统的介绍 最早期存在的无线电远距离传输技术称为模拟幅度调制。电磁波辐射是在幅度调制的 过程中，由声音信号来控制高频率正弦信号的幅度，经过幅度的变化高频率正弦信号放大 后，再由天线发射出去。电磁波的频率满足 fc/ 其中，f 表示电磁波频率，单位：赫兹（Hz） ；表示波长，单位：米（m） ；c 表示传播速 福建师范大学 - 5 - 度，单位：（m/s） ，自由空间中电磁波的传播速度是 c=3*10 m/s。由此可得，电磁波的频 8 率和波长呈反比例关系。 如果波动的电信号要正常有效地从天线发送出去（有效地从天线将信号正常接收回来） ， 就需要满足天线的等效长度至少达到波长的 1/4 左右，其波长大约为 1515000km。像这样 的长度和范围的天线要进行正常有效信号的收发，对于现实生活来讲是不可能实现的。为 了方便可以通过较短的天线发射出去，故需要将声音这样低频的信号给搬移到高频段上去。 举个例子：移动通信公司使用 900MHz 频率段的电磁波信号波长大约为 0.33m，其收发天 线的尺寸就应该为波长的 1/4 左右，即约为 8cm。 在调幅广播中，短波频率范围在 330MHz 之间，其波长范围大约在几百米之间。而 中波频率范围在 5501605kHz 之间，其波长范围大约在几十米之间。与之相应的短波天线 就需要更长一些。调幅广播通常采用的是常规调幅方式，使用的波段可分为中波和短波两 种情况3。故这次毕业设计实验采用中波调幅。 我们人类可以听到的声音信号通过话筒转换为波动的电信号，其频率范围在 2020000Hz 之间。通过多次的实验证明结果，我们人耳大约在语音频率 3003400Hz 之间 属于敏感地区。国际标准中将电话通信的传输频带带宽规定为 3003400Hz 是为了节约频 带带宽资源。调幅广播除了要传输语音之外，还要播送音乐节目等，这就需要有更宽的频 带，故设调幅广播的传输频率范围大约在 1006000Hz 之间。 2.3 仿真参数的设计仿真参数的设计 中波调幅广播系统工作最高频率为调幅载波频率 1605kHz，设计仿真采样速率为最高 工作频率的 10 倍左右，故取仿真步长为 skftstep 8 max 1023 . 6 )1605*10/(1)10/(1 相应的仿真带宽可取为仿真采样率的一半，即 kHztW step 7 . 8025)2/(1 设基带信号为，载波位，则调制指数为 m 的调制FtAtm2cos)(tftc c 2cos)( a 输出信号 s（t）表达式为 tfFtmAtS ca 2cos)2cos()( 0 显然，s(t)的平均功率为 4/2/ 22 0a mAP 设信道无衰减，则在信道中加入白噪声功率谱密度为，那么在仿真带宽为（-2/n W,W）内噪声样值的方差表达式为 nWWn22/ 2 将接收选频滤波器的功率增益设为 1，带宽为 B，则选频滤波器的输出噪声功率表达 式为 nBBnN22/ 福建师范大学 - 6 - 于是，接收选频滤波器输出信噪比表达式为 )/()/(/ 2 0 WBPBnPNPSNRout 由此，信道中的噪声方差为 BWSNRP out / 2 根据以上的所有公式，编程计算得出的噪声方差，并将方差值和其它已知值作为系统 仿真的参数设置。 在 MATLAB 中 M 文件输入如下： clear; SNR_dB=30; A_0=2; SNR=10.(SNR_dB/10); m_a=0.5; P=(A_02)/2+(m_a2)/4; W=8025.7e3; ;312eB ;BWSNRPsigma/2 sigma2 在命令窗口输入保存名：如 sheji 得 如果觉得建立 M 文件麻烦时，也可以通过计算机根据以上公式计算出方差值。 福建师范大学 - 7 - 第三章第三章调幅广播系统的建立与仿真调幅广播系统的建立与仿真 3.1 建立系统的模拟仿真图建立系统的模拟仿真图 图 1: 中波调幅广播传输系统仿真模型图 3.2 调幅广播系统中仿真模块的参数设置调幅广播系统中仿真模块的参数设置 选用模块名称：Signal Generator/Constant/Random Number 位置：SimulinkSources 选用模块名称 设置参数名称 设置参数值 Wave form sine TimeUse simulation time Amplitude 0.5 Frequency 1000 Signal Generator Units Hertz Wave form sine TimeUse simulation time Amplitude 1 Frequency 1e6 Signal Generator1 Units Hertz Constant value 2Constant Sample time inf Random NumberMean 0 福建师范大学 - 8 - Variance 1.3794 Intital seed 0 Sample time 6.23e-8 选用模块名称：Scope/Display 位置：Simulinksinks 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Number of axes 2 Time range 0.01 Decimation 1 Y-max 5 Y-min -5 Scope Title 纯信号/信道输出信号 Format short Decimation 1 Display Sample time -1 选用模块名称：Analog Filter Design 位置：Signal Processing BlockestFilteringFilter Designs 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Design method Butterworth Filter type Bandpass Filter order 2 Lower passband edge frequency(rads/sec) 2*pi*(1e6-6e3) Analog Filter Design Upper passband edge frequency(rads/sec) 2*pi*(1e6+6e3) 其他两个模块设置参数一样 选用模块名称：dB Conversion 位置：Signal Processing BlockestMath FunctionsMath Operations 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Convert to dB Input signal Power dB Conversion Add eps to input to protect against “log(0)=-inf” 选中 选用模块名称：Variance 位置：Signal Processing BlockestStatistics 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Running variance 选中Variance Reset port None 选用模块名称：Zero-Order Hold 位置：SimulinkDiscrete 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Zero-Order HoldSample time 6.23e-8 福建师范大学 - 9 - 选用模块名称：Fcn 位置：SimukinkUser-Defined Functions 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Expression u(1)-u(2)Fcn Sample time -1 Simulation Parameters 仿真参数的设置 设置参数名称 设置参数值 Start time 0 Stop time 0.03 Max step size 6.23e-8 3.3 仿真结果与分析仿真结果与分析 执行仿真实验后，测试出信噪比为 29.63dB，与设计值的信噪比 30dB 相符合。 图 2: 发送调幅信号和输出调幅信号仿真图 分析： 1.基带信号：幅度为 0.5 与频率为 1kHz 的正弦波； 2.经过加法器将基带信号与外加直流分量得出新的调幅信号； 3.经过加法器调幅得到信号与幅度为 1、频率为 1MHz 的载波调幅信号相乘； 4.经过加法器和乘法器调幅后的信号，再由滤波器滤波后为纯信号； 5.经过加法器和乘法器调幅后的信号与 Random Number 模型产生零均值方差为 1.3794 的噪声序列经过加法器实现 AWGN 信道，最后再由滤波器滤波后输出的带 有噪声的信号即信道输出信号。 福建师范大学 - 10 - 第四章第四章调幅包络检波和相干解调的建立与仿真调幅包络检波和相干解调的建立与仿真 4.1 建立模拟仿真图建立模拟仿真图 图 3: 包络检波和相干解调仿真模型图 图 4：信噪比测试模块内部结构图 4.2 仿真模块的参数设置仿真模块的参数设置 选用模块名称：Signal Generator/Constant/Random Number 位置：SimulinkSources 选用模块名称 设置参数名称 设置参数值 Wave form sine TimeUse simulation time Amplitude 0.5 Frequency 1000 Signal Generator Units Hertz 福建师范大学 - 11 - Wave form sine TimeUse simulation time Amplitude 1 Frequency 1e6 Signal Generator1 Units Hertz Constant value 2Constant Sample time inf Mean 0 Variance 1 Intital seed 0 Random Number Sample time 6.23e-8 选用模块名称：Scope/Display 位置：Simulinksinks 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Number of axes 2 Time range 0.01 Decimation 1 Y-max 2 Y-min -2 Scope Title 包络检波输出信号/相干解调输出信号 DisplayFormat short Decimation 1 Sample time -1 选用模块名称：Analog Filter Design 位置：Signal Processing BlockestFilteringFilter Designs 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Design method Butterworth Filter type Bandstop Filter order 2 Lower passband edge frequency(rads/sec) 2*pi*(1e6-6e3) Analog Filter Design （两个带阻滤波器） Upper passband edge frequency(rads/sec) 2*pi*(1e6+6e3) Design method Butterworth Filter type Bandpass Filter order 2 Lower passband edge frequency(rads/sec) 2*pi*(1e6-6e3) Analog Filter Design （两个带通滤波器） Upper passband edge frequency(rads/sec) 2*pi*(1e6+6e3) Design method Butterworth Filter type Lowpass Analog Filter Design （两个低通滤波器） Filter order 2 福建师范大学 - 12 - Passband edge frequency(rad/sec) 2*pi*6000 选用模块名称：dB Conversion 位置：Signal Processing BlockestMath FunctionsMath Operations 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Convert to dB Input signal Power dB Conversion Add eps to input to protect against “log(0)=-inf” 选中 选用模块名称：Variance 位置：Signal Processing BlockestStatistics 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 VarianceRunning variance 不选中 选用模块名称：Zero-Order Hold 位置：SimulinkDiscrete 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Zero-Order HoldSample time 6.23e-8 选用模块名称：Fcn 位置：SimukinkUser-Defined Functions 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Expression u(1)-u(3)Fcn Sample time -1 Expression u(2)-u(4)Fcn1 Sample time -1 选用模块名称：Buffer 位置：Signal Processing BlockestSignal ManagementBuffers 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Output buffer size(per channel) 1.6051e+005 Buffer overlap 0 Buffer Intital conditions 0 选用模块名称：Saturation 位置：SimulinkCommonly Used Blocks 选用模块名称设置参数名称 设置参数值 Upper limit inf Lower limit 0 Saturation Sample time -1 选用模块名称：To Workspace 位置：SimulinkSinks Variable name SNR_out Limit data points last inf To Workspace Decimation 1 福建师范大学 - 13 - Sample time -1 Save format Structure Simulation Parameters 仿真参数的设置 设置参数名称 设置参数值 Start time 0 Stop time 0.03 Max step size 6.23e-8 4.3 仿真结果与分析仿真结果与分析 设定信道噪声方差为 1 时，输出信噪比得结果如图 3 中包络检波和相干解调仿真模型的 Display 模块输出结果。由图 3 得出，包络检波输出 SNR 值为 71.46，相干解调输出 SNR 值为 105.3。 图:5: 噪声方差为 1 的两种解调输出信号波形图 分析： 6.由图 5 中的信噪比输出结果，检验了相干解调输出 SNR 比包络检波输出 SNR 来 得大，而且波形中噪声成分也相对比较小一些。 7.第一条波形是调幅信号通过 AWGN 信道后，再由包络检波器和低通滤波器输出的 信号结果，第二条波形是调幅信号通过 AWGN 信道后，再由相干解调器和同样参 数设置的低通滤波器后输出的信号结果。 第五章第五章脚本程序脚本程序 5.1 脚本程序脚本程序 clear all; SNR_in_dB=-10:10:50; SNR_in=10.(SNR_in_dB/10); 福建师范大学 - 14 - A_0=2; m_a=0.5; W=8025.7e3; B=12e3; P=(A_02)/2+(m_a2)/4; for k=1:length(SNR_in) sigma2=P/SNR_in(k)*W/B; sim(jietiao.mdl); SNRdemod(k,:)=SNR_out(:,1); end plot(SNR_in_dB,SNRdemod(:,size(SNR_out); 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); 5.2 性能曲线性能曲线 为了得出两种解调的性能曲线，将噪声方差设为 MATLAB 变量，并以输出结果用 变量的形式输出到工作空间。 模块名称：Random Number 位置：SimulinkSources Mean 0 Variance sigma2 Intital seed 0 Random Number Sample time 6.23e-8 模块名称：To Workspace 位置：SimulinkSinks Variable name SNR_out Limit data points last inf Decimation 1 Sample time -1 To Workspace Save format Array 福建师范大学 - 15 - 图 6: 相干解调和包络检波的输出信噪比曲线 分析： 1.由图 6 可知，在低输入信噪比情况中，包络检波的输出信号质量急剧下降，通过仿 真实验验证了包络检波的门限效应。 2.相干解调的输出信噪比比包络检波法好 05dB 左右。 3.在具有一定的输入信噪比情况中，包络检波与相干解调的输出信噪比相接近。 第六章第六章总结与体会总结与体会 通过这次毕业实验课题的设计，我加强了对信息和通信系统的认识和理解，特别 是在传输系统设计方面，无论是一个设计简单的调幅广播传输系统的仿真实验，也是 通过若干设备共同工作下，才可以保证信号正常有效的传输，尽管是一个参数设置有 误，也会导致整个的传输系统无法正常工作。 通过这次毕业实验课题的设计，我通过 MATLAB 平台中的 Simulink 模块对数字 信号的传输系统进行了仿真实验，从而让我在学习过程中，实践碰到的不足加以改善， 同时，也加强了对 MATLAB 平台的操作和仿真。 通过在 Simulink 环境下对传输系统进行建模和仿真实验，使我得到了三个宝贵的 具体经验，首先是 MATLAB 中 Simulink 功能模块的使用方法；其次是子系统建立的 两种方法；最后是参数设置一些注意事项。也通过这次毕业实验课题的设计，确实了 解到 MATLAB 矩阵实验室的强大功能和运用领域。 在整个仿真实验过程中，碰到了很多实际问题，比如参数设置的不合理而导致结 果出现了偏差；每个模块参数的代表意思等问题。但是，通过查询相关参考书、有道 在线翻译英文意思和上网查询相关例子，使我成功的完成了这次毕业实验课题的设计， 同时，这次毕业课题的设计也让我能够更好地应用 MATLAB 平台和 Simulink 仿真。 福建师范大学 - 16 - 参考文献参考文献 1徐明远,邵玉斌.MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用M.西安:西安电子科技大学 出版社,2010. 2唐昌建,张巍.MATLAB 基础及应用M.四川:四川大学物理科学与技术学院,2012. 3张水英,徐伟强.通信原理及 MATLAB/Simulink 仿真M.北京:人民邮电出版社,2012. 4樊昌信,曹丽娜.通信原理（第六版）M.北京:国防工业出版社,2009:86-124. 5钟麟,王峰.MATLAB 仿真技术及应用教程M.北京:国防工业出版社,2004. 6赵静,张瑾.基于 MATLAB 的通信系统的仿真M.北京：北京航空航天大学出版社, 2007. 7邵玉斌.Matlab/Simulink 通信系统建模与仿真实例分析EB.北京:清华大学出版社 8刘敏,魏玲.MATLAB 通信仿真与技术应用M.北京:国防工业出版社,2010. 9邓华.MATLAB 通信仿真及应用实例详解EB.北京:人民邮电出版社 10张德来.MATLAB 通信工程仿真M.北京:机械工业出版社,2010. 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