课程设计---FDMA通信模型仿真.doc

课 程 设 计 报 告课程名称： 数字通信课程设计 设计名称： fdma通信模型仿真 课 程 设 计 任 务 书学生班级： 电子0802 学生姓名： 穆永 学号： 20084721 设计名称： fdma通信模型仿真 起止日期： 2011.6.21-2011.7.3 指导教师： 詹曦 设计要求：1、录制三段语音信号，作为三路原始语音信号，并分别绘制三路语音信号的波形和频谱；2、将各路语音信号分别与各自的高频载波信号相乘（即进行调制），由于各路高频载波信号将各路语音信号频谱移到不同频段，复用信号频谱为各路信号频谱的叠加，因此，只需传输该复用信号便可在同一信道上实现各路语音信号的同时传输。高频载波信号的频率自己确定，并分别绘制三路调制后信号的波形和频谱，以及复用信号（各路信号的叠加）的波形和频谱； 3、传输完成后，通过选择合适的带通滤波器，即可获得各路已调信号。分别设计三个带通滤波器对复用信号进行滤波，得到三路已调信号，并分别绘制三个带通滤波器的幅度响应曲线，以及得到的三路已调信号的波形； 4、进行解调，即将各路已调信号分别乘以各自的高频载波信号。将三路已调信号分别乘以各自的高频载波信号，得到三路解调后信号，并分别绘制三路解调后信号的波形和频谱； 5、最后通过选择合适的低通滤波器恢复出各路原始语音信号，从而实现fdma通信传输。设计低通滤波器分别对三路解调后信号进行滤波，从而恢复出三路原始语音信号，并分别绘制恢复出的三路原始语音信号的波形和频谱。课 程 设 计 学 生 日 志时间设计内容6.21-22开始接触题目查找相关资料。6.23-24对自己要用到的各种知识进行勾画和找到资料书上的地方标注。6.25-28开始对各个部分编程 相关的操作。 6.29-6.30完善各个部分的相关文档的调试和书写。7.1-2对各个部分进行完善，撰写报告。7.3复查7.4答辩课 程 设 计 考 勤 表周星期一星期二星期三星期四星期五课 程 设 计 评 语 表指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日fdma通信模型仿真一、 设计目的和意义综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用matlab作为编程工具进行计算机实现fdma通信，至少能同时传输三路语音信号，实现三路语音信号的调制与解调，并恢复出原来的三路语音信号。从实践上初步实现了对数字信号的处理二、 设计原理1、 根据要求，fdma通信模型如图所示产生信号源各路信号频率搬移各路信号复合传输哥路信号解复用各路信号解调各路信号滤波2、 fdma三路信号的具体模型频分多址（fdma）是一种以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接入的方法。该系统的模型如图：调制到频率f1 f1-b,f1+b调制到频率f2 f2-b,f2+b调制到频率f3 f3-b,f3+b带通滤波器解调f1带通滤波器解调f2带通滤波器解调f3高频载波1高频载波2高频载波3信号1信号2信号32、模型分析 因信号的时域特征不太明显，不易对信号进行分析，特别是录制的语音信号更是如此。而信号的频率特征清晰可见，为信号的分析提供了有效的途径。因而可以在频域上比较和分析信号传输前后的特征变化。 假设系统创数以连续非周期信号f（t），琪频率表征为傅立叶变换，则该信号的傅立叶变换为 为了有效的进行fdma通信，需将该信号进行调制，即需将该信号与高频载波信号相乘，所得信号的傅立叶变换为 比较上面两式可得，时域上原始信号与高频载波信号相乘，在频域上就是一个频谱搬移的过程，即原始信号的频谱线被线性的包一道正负载频的频率点上。由上分析，我们不难看出，当系统同时传输多路信号时，所传输的复信号就可以表示为其中、信号；、高频载波；复用信号。由于高频载波把各信号的频谱搬移到不同的频段，复用信号的频谱为各信号频谱的叠加，因此，只要传输该复用信号便可在同一信道上实现多路信号的同时传输，传输完成后，通过选择合适的带通滤波器，即可获得各个已调信号。再进行解调，即将各个已调信号分别乘以各自的高频载波信号，这样，原始低频信号被移到低频段。最后通过选择合适的低通滤波器恢复出各原始语音信号，从而实现fdma通信传输。三、 详细设计步骤 根据以上原理分析，在matlab 环境中，利用编程方法对fdma通信模型进行仿真研究。首先我们要通过matlab录制三段语音，对录制的语音进行频谱分析，找出各信号的主频率，结合分析的结果，为尽可能完整的恢复原信号和防止谱间干扰，为防止邻路信号的相互干扰，相邻两路间还要留有防护频带，因此各路载频之间的间隔应为每路信号的频带与保护频带之和。确定各语音信号的高频载波频率。对复用信号进行频谱分析，确定选用的带通滤波器的类型以及设计滤波器的各种参数，结合所得参数、针对各路信号设计出所需要的滤波器，对复用信号进行带通滤波，得到各信号的调制信号，对调制信号进行解调后，根据对信号频谱分析得到的参数设计出合适的低通滤波器，还原出原始信号。（1）matlab支持麦克风，可直接进行声音的录制，要求至少获取3路语音信号。（2）将各路语音信号分别与各自的高频载波信号相乘，由于各高频载波信号将各语音信号频谱移到不同频段，复用信号频谱为各信号频谱的叠加，因此，只需传输该复用信号便可在同一信道上实现各路语音信号的同时传输。（3）传输完成后，通过选择合适的带通滤波器，即可获得各个已调信号。（4）再进行解调，即将各个已调信号分别乘以各自的高频载波信号，这样，原始低频信号被移到低频段。（5）最后通过选择合适的低通滤波器恢复出各原始语音信号，从而实现fdma通信传输。四、 设计结果及分析 经过不断的修改调试，在matlab上仿真频分多址通信模型取得了较好的效果，录音的声音在经过调试和解调后原来信号比较接近。在设计中要想得到与原来信号相接近的信号就必须注重带通和低通滤波器的参数设置。但是在我这个仿真过程中存在比较多的失真由于存在频谱混叠等造成的，各信号频谱混叠部分均在高频部分，恢复信号在附近的波峰变化最快，频率的最高的区域，引起高频失真。因为在录音期间存在高与语音信号的噪声存在。还有的失真原因就是频间干扰，可以通过加大采样频率的方法，减小失真。五、 体会 这次课程设计的主要任务是在matlab的环境下，利用编程方法对fdma通信模型进行仿真。通过此次课程设计，我对fdma有了深刻的理解和认识，频分多址（fdma）其实就是一种以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接入的方法，更重要的是对数字信号处理这门课程有了进一步的认识，加深了理解，巩固了所学的的知识，在设计数字滤波器模块上，与以前有所不同，滤波器的参数是需要自己去确定的，在这个问题上了，我思考了很多，查阅了很多资料，在这一过程中，我也学到了很多东西，在设计滤波器时，根据要求选择的合适的参数显得十分的重要，对频谱有了深刻的认识。该次课程设计是利用课堂所学的知识来解决一个实际的问题，生动有趣，提到了我们运用知识的能力。通过课程设计，对于的自己的编程技巧是一个很大的提高，如何让程序变得简洁、如何让界面变得更加人性化的设计是一种锻炼，同时也是一个娱乐的过程。在对matlab的认识和运用也有了进步，深刻体会到了matlab在仿真和计算中的强大功能，matlab包含了丰富的库函数，学会熟悉利用这些函数对于现在和今后的学习是很有作用的，在这次课程设计中，wavrecord、wavplay、wavwrite函数以前没有用过，这次利用help知道了如何使用这些函数。在这次的数字信号课程设计当中，调试过程中出现了很多小问题，以下是我在设计当中遇到的问题：在滤波的时候，由于频率范围的认定错误，导致了频率混叠，产生了很大的失真，经过反复调试、测试参数才能够较好的不失真恢复信号，在最后的解调过程当中，信号2总是声音过小，后来在调制的时候加大信号的幅值，问题得以解决。这次设计，不仅使我温习了数字信号的理论知识，同时通过实践应用加深我对理论知识的理解，增加了思考和动手的能力，课程设计作为一种教学方式，很值得我们学习过程中多次运用 六、 参考文献【1】程佩青.数字信号处理教程（第三版）.清华大学出版社【2】朱仁峰.精通matlab7.清华大学出版社【3】张威.matlab基础与编程入门（第二版）.西安电子科技大学出版社【4】曹志刚.现代通信原理.清华大学出版社【5】刘树堂.信号与系统（第二版）西安交通大学出版社【6】百度文库附录 （程序代码、结果）1、获取录音文件fs=44100; %声音的采样频率为44.1khzduration=3; %录音的时间fprintf(按任意键开始录音1:n);pausefprintf(录音中n);uo1=wavrecord(duration*fs,fs); %duration*fs每次获得总的采样数为132300,保存声音fprintf(放音中n); %文件名为s1,以下类同.wavplay(uo1,fs);fprintf(录音1播放完毕。n);wavwrite(s uo1,fs,sound1.wav); %将录音文件保存为wav格式的声音文件，下同fprintf(按任意键开始录音2:n);pausefprintf(录音中n);uo2=wavrecord(duration*fs,fs);fprintf(放音中n);wavplay(uo2,fs);fprintf(录音2播放完毕。n);wavwrite(uo2,fs,sound2.wav);fprintf(按任意键开始录音3:n);pausefprintf(录音中n);uo3=wavrecord(duration*fs,fs);fprintf(放音中n);wavplay(uo3,fs);fprintf(录音3播放完毕。n);wavwrite(uo3,fs,sound3.wav);2、声音样本的时域和频域分析fs=44100; %声音的采样频率为44.1khzduration=3; t=0:duration*fs-1; %总的采样数u1,fs=wavread(sound1.wav); %打开保存的录音文件u2,fs=wavread(sound2.wav);u3,fs=wavread(sound3.wav);figure(1) %图一为三个声音样本的时域波形subplot(3,1,1)plot(t,u1);xlabel(单位：hz);ylabel(幅度);title(三个声音样本的时域波形);subplot(3,1,2)plot(t,u2);xlabel(单位：hz);ylabel(幅度);subplot(3,1,3)plot(t,u3);xlabel(单位：hz);ylabel(幅度);figure(2) %图二为三个声音样本的频谱分析subplot(3,1,1)stem(t,abs(fft(u1),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度); %fft对声音信号进行快速傅里叶变换title(三个声音样本的频谱分析);subplot(3,1,2)stem(t,abs(fft(u2),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度);subplot(3,1,3)stem(t,abs(fft(u3),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度);3、调制,将三个声音信号用高频载波x1=4*s1.*cos(2*pi*4000*t/fs);x2=4*s2.*cos(2*pi*11000*t/fs);x3=4*s3.*cos(2*pi*18000*t/fs);subplot(3,1,1);stem(t,abs(fft(x1);xlabel(单位：hz);ylabel(幅度);title(调制后各路语音信号频谱)subplot(3,1,2);stem(t,abs(fft(x2);xlabel(单位：hz);ylabel(幅度);subplot(3,1,3);stem(t,abs(fft(x3);xlabel(单位：hz);ylabel(幅度)s=x1+x2+x3;%复用信号频谱为各信号频谱的叠加figure(3)%图三为复用信号的频谱分析stem(t,abs(fft(s),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度);title(复用信号的频谱分析);4、带通滤波器设计rp=0.5;rs=40; %用切比雪夫设计带通滤波器1； wp1=4000 8000/22050; %fs/2=22050 ws1=3800 8500/22050;n1,wn1=cheb2ord(wp1,ws1,rp,rs); %契比雪夫2型滤波器的最小阶和截止频率wn wp%和ws分别是通带和阻带的拐角频率(截止频率)， rp和rs分别是通带阻带区的波纹系数b1,a1=cheby2(n1,rs,wn1); % b,a = cheby2(n,rs,wn)返回截止频率为wn(单位为弧度/秒)%的n阶h1,w1=freqz(b1,a1);mag1=abs(h1);db1=20*log10(mag1+eps)/max(mag1);wp2=9000 13000/22050; %用切比雪夫设计带通滤波器2； ws2=8000 14000/22050;n2,wn2=cheb2ord(wp2,ws2,rp,rs);b2,a2=cheby2(n2,rs,wn2);h2,w2=freqz(b2,a2);mag2=abs(h2);db2=20*log10(mag2+eps)/max(mag2);wp3=14500 18500/22050; %用切比雪夫设计带通滤波器3； ws3=14000 19000/22050;n3,wn3=cheb2ord(wp3,ws3,rp,rs);b3,a3=cheby2(n3,rs,wn3);h3,w3=freqz(b3,a3);mag3=abs(h3);db3=20*log10(mag3+eps)/max(mag3);figure(4);subplot(3,1,1);plot(w1/pi,db1);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|h(ejw)|); % axis函数通常在绘图中用于%设置坐标值范围title(用切比雪夫2型设计三个带通滤波器);subplot(3,1,2);plot(w2/pi,db2);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|h(ejw)|);subplot(3,1,3);plot(w3/pi,db3);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|h(ejw)|);y1=filter(b1,a1,s); %滤出三路未解调信号y2=filter(b1,a1,s);y3=filter(b1,a1,s);5、解调fs=44100y01=y1.*cos(2*pi*4000*t/fs); %各个已调信号分别乘以各自y02=y2.*cos(2*pi*11000*t/fs);%的高频载波信号y03=y3.*cos(2*pi*18000*t/fs);figure(5) %图五为解调后3路信号各自的频谱图subplot(311)stem(t,abs(fft(y01),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度);title(解调后3路信号各自的频谱图);subplot(312)stem(t,abs(fft(y02),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度);subplot(313)stem(t,abs(fft(y03),.);xlabel(单位:hz);ylabel(幅度);6、低通滤波rp=0.5; %低通滤波器参数选择rs=40;wp1=3400/(22050);ws1=4000/(22050);n1,wn1=cheb2ord(wp1,ws1,rp,rs); %采用切比雪夫2型(cheby2)带通滤波器b1