DSP实验报告信号的调制与解调课程设计.doc

DSP课程设计实 验 报 告信号的调制与解调院（系）：设计人员： 学号： 设计人员： 学号：成绩：工程设计50报告20答辩30总分评语：指导教师签字： 日期：目 录一、设计任务书3二、设计内容.3三、设计方案、算法原理说明.3四、程序设计、调试与结果分析.4 五、设计（安装）与调试的体会17 六、参考文献181 设计任务书使用DSP产生调幅波和调频波。调制信号从MIC音频输入接口输入，频率小于1000HZ；载频由DSP程序内部产生，频率在40008000HZ之间，调幅信号的调制度为50%。发挥部分：使用DSP对所产生的调幅及调频信号进行解调，并通过SPEAKER音频输出接口输出解调后的信号。2 设计内容（1）编写C语言程序，并在CCS集成开发环境下调试通过。（2）实现设计所要求的各项功能。（3）按要求撰写设计报告。3 设计方案、算法原理说明模拟模拟幅度调制（AM）的实质是频谱搬移。输出已调调幅信号的时域一般表示式为AM载波产生方法：正弦函数可以展开成泰勒级数。取泰勒级数的前n项，得近似计算式：AM调制部分如图3-1。图3-1AM解调部分如图3-2。图3-2图3-3为AM的MATLAB仿真。图3-3如果载波的瞬时频率偏移随调制信号f(t)成线性变化，则为频率调制。调频信号表示式： 其瞬时频率为:，其中c是未调载波的标称角频率，f (t)是调制信号，系数KFM称为频偏常数。上图为FM解调流程图。图3-5为FM的MATLAB仿真。设，由三角公式可得：所以，可以看成是的同相分量，可以看成是的正交分量。则FM解调为：在利用相位差分计算瞬时频率，由于计算要进行除法和反正切运算，这对于非专用数字处理器来说是复杂的，当比较小时，也可以用下面的方法来计算瞬时频率：图3-44 程序设计、调试与结果分析本次课程设计主要完成了对AM与FM两种调制解调的实现，其中AM解调尝试了相干解调和正交解调进行对比。载波的实现分别进行了查表法和积算法比较，查表法载波数据和滤波器的设计参数都由Matlab进行计算得出。4.1.1AM的调制根据已知AM输出已调调幅信号的时域一般表示式为首先使用Matlab计算产生了256点正弦和余弦表，导入CCS仿真程序中,然后使用查表法产生合适频率的载波,并通过观测虚拟示波器,发现当查表取点间隔为32时,输出频率4005HZ的载波波形最佳。Matlab余弦载波数据的计算方法如下：x=0:1:255;y=cos(2*pi/256*(x+1)*215;y(find(y0)=y(find(y0)+65536;y=int32(y);dec2hex(y)仿真程序中AM调制的核心程序如下：void copyData(Int16 *inbuf, Int16 *outbuf, Int16 length) Int16 i = 0,k=0;float tempt=0,tempt1=0; for (i = 0; i length/2; i+) buffer1i = inbuf2*i/5; buffer2i= inbuf2*i+1/2; /*调制*/ for (i = 0; i =256) k=k%256; 在DMA接收数据完毕，触发中断，进入copyData子函数，通过调节载波幅值与输入信号的音量大小使得输出良好的调制信号。使用虚拟示波器信号源输入一个低频正弦（或三角、方波）信号，观测得到调制信号如图4-1，图4-2。图4-1虚拟示波器（时域）载波4005HZ，调制信号： 100HZ正弦图4-2虚拟示波器（时域）载波4005HZ，调制信号： 100HZ三角在仿真调试中，查看调制信号输出，进入View-graph，配置信息如图4-3：图4-3点击OK即可查看仿真调制信号输出，如图4-4：图4-44.1.2 利用DMA实时解调AM信号首先我们考虑的是让调制信号直接乘上同频率载波信号，然后通过低通滤波器实现解调，如图4-5，解调效果较为理想，不过需要处理好载波信号与调制信号的相位差问题，若调制信号的相位差出现周期性变化时，会导致解调的输出幅值发生变化。所以我们通过发送调制波的同时在另一个声道发送载波，使得载波和调制波有相同的相位变化。使用计算机自带播放软件播放录制的调制信号，如图4-6.相干解调的程序如下：void copyData(Int16 *inbuf, Int16 *outbuf, Int16 length) Int16 i = 0,k=0;float tempt=0,tempt1=0; for (i = 0; i =256) k=k%256; fir(buffer3, hu, buffer5, dbptr, BUFFSIZE/2, NH); for (i = 0; i length/2; i+) outbuf2*i=buffer5i*30;outbuf2*i+1=buffer5i*30;图4-5虚拟示波器(解调),时域,载波4005HZ,调制信号:100HZ正弦图4-6 录制调制信号的输出然后我们考虑采用正交解调的方法，由于这种方法对载波的频率和相位要求不是很高。所以应该最终产生的波形会比较好。但事实是，利用上面的方法进行解调时，输出波形反而变得非常乱，而将其中的滤波部分注释后，输出波形又恢复正常。所以我们考虑可能是中间的sqrt()函数导致cpu处理过程时间太长，从而不能够实现实时滤波。此外在data.h中存放了余弦和正弦的表，以及低通滤波器的系数。在主程序中我们设置了buffer1到buffer7共七个缓冲区，在相干解调的过程中我们用到了buffer1、buffer2分别来放置采入的左右声道的数据（此处buffer2改成放入本地载波），buffer3存放AM与载波相乘后的波形，之后利用fir函数将buffer3通过滤波器后放入buffer5中。同时利用graph同时观察各个缓冲区的波形，时域波形如图4-7，频域波形如图4-8。正交解调核心程序如下：void copyData(Int16 *inbuf, Int16 *outbuf, Int16 length) Int16 i = 0,k=0;float tempt=0,tempt1=0,tempt2=0; for (i = 0; i =256) k=k%256; fir(buffer2, hu, buffer4, dbptr, BUFFSIZE/2, NH); fir(buffer3, hu, buffer5, dbptr, BUFFSIZE/2, NH); for (i = 0; i length/2; i+) tempt=buffer4i; tempt1=buffer5i;tempt2=sqrtf(tempt*tempt+tempt1*tempt1); buffer6i=tempt2; outbuf2*i=buffer6i*10;outbuf2*i+1=buffer1i;图4-7图4-8在实际调试过程中遇到了非常多的问题，每一个缓冲区的波形都出现过问题，buffer1和buffer2中的波形好坏就直接决定了最终解调结果的好坏。buffer1中的波形刚开始时好时坏，我们通过改变数据大小等方法，最终发现提高耳机的音量能够十分有限得改善buffer1中的波形（可能因为改变了信噪比吧），通过经验我们发现在中间运算时加入一个float形的中间变量能够十分有效地提高运算结果的精度，不过最后输出的时候依旧要还原成int型，否则输出波形会出现问题。解调一个调制信号为800HZ载波4005HZ的调制波输出频谱如图4-9.可观测到解调出的频谱峰值在780HZ左右，解调成功。图4-9在使用本地载波的时候刚开始也发生了一些问题，就是通过滤波后低频分量附近会有一些很难去除的杂波分量，当时以为可能是由于本地载波与AM载波有频率差以及不同步引起的。在解调出的波形比较良好的情况下，也会出现波形忽大忽小的情况，从理论上将，如果本地载波与AM载波的相位差不恒定，最后解调出的波形幅值大小就会有所改变，所以我们想到了在发送的AM波形中一个声道放置AM波，另一个声道放置载波，这样就可以直接从音频信号中提取载波了。经过调试，效果很好，波形稳定。4.2.1 FM的调制FM调制实质是载波的瞬时频率偏移随调制信号f(t)成线性变化。在参考题目的文档中给出了FM调制的递归差分方程yn=A*yn-1-yn-2，其中：A=2cos(x)，x=FM/FS, FS为采样频率。最初我们就是按照这种计算方法来实行FM调制。但后来发现，计算法得到的波形频率都较低，大概在400Hz的时候就波形开始失真，无法达到40008000Hz的要求。我们推测是计算法耗时很大，400Hz就是它的运算极限了。所以我们改用查表法。如果直接利用瞬时频率，比较困难。而由公式可知，正弦信号每个周期的样点数N由正弦信号的频率及D/A转换速率决定。所在已知的情况下，改变N的大小可以控制正弦信号的频率。查表法主要程序如下：void copyData(Int16 *inbuf, Int16 *outbuf, Int16 length) Int16 i = 0,k=0;float tempt=0; for (i = 0; i length/2; i+) buffer1i = inbuf2*i; buffer2i= inbuf2*i+1/16; for (i = 0; i =256) k=k%256;程序的k即对应N，改变k的取值间隔就可以控制输出余弦信号的频率。如本题中k=k+32.即，每隔32个点取一个点，则每个周期（256个点）中取8个点，所以余弦信号的频率为32000/8=4000Hz。如果加入tempt就可以改变频率大小，达到调频的目的。与对比发现实质相同。如下图4-10是虚拟示波器输出调制结果：载波为4005Hz，调制信号为200Hz正弦。如图4-11是仿真输出调制结果。图4-10图4-114.2.2 FM的解调根据前面介绍过的FM解调原理，用下面的方法来计算瞬时频率：但是在实际解调中没有得到理想的波形，失真比较严重。用于Fm解调程序如下：void copyData(Int16 *inbuf, Int16 *outbuf, Int16 length) Int16 i = 0,k=0;float tempt=0,tempt1=0,tempt2=0; for (i = 0; i =256) k=k%256; fir(buffer2, daitong, buffer4, dbptr, BUFFSIZE/2, NH); fir(buffer3, daitong, buffer5, dbptr, BUFFSIZE/2, NH); for (i = 1; i length/2; i+) tempt=buffer4i-1*buffer5i; tempt1=buffer4i*buffer5i-1;tempt2=tempt-tempt1; buffer6i=tempt2;outbuf2*i=buffer6i;outbuf2*i+1=buffer6i; fir(buffer6, ditong, buffer7, dbptr, BUFFSIZE/2, NH);for (i = 1; i length/2; i+) outbuf2*i=buffer7i; outbuf2*i+1=buffer7i;解调后虚拟示波器显示时域不规则波形如图4-12，但是频率稳定在193HZ，低频分量较多如图4-13：图4-12图4-134.3滤波器的设计与产生Matlab中自带滤波器设计工具想fdatool，可以为我们想要得到的滤波器提供参数支持。具体操作是在matlab命令窗口键入fdatool，然后弹出设计滤波器的工具菜单，供我们选择滤波器的类型，阶数，截频等等。如下图4-14所示图4-14是利用kaiser窗函数法设计的FIR滤波器，截频为1000Hz、抽样率为48000Hz，阶数为30。提取数据类型为“Signed 16-bit integer”，是为了与CCS中的数据类型想匹配，如图4-15。同理可设计其他类型的滤波器。图4-155设计（安装）与调试的体会在最初课程设计题目选择的时候，通过对AM，FM的学习，感觉信号的调试和解调仿佛并不会太难。但是在实践的过程中却没有那么一帆风顺。我主要负责AM的调制与解调部分。首先需要解决的是信号传输的问题，在这部分我们先尝试使用了Codec Mcbsp，但是后来因为传输速度及需要实时滤波的关系，改换成DMA的数据传输方式。在能够进行正常的信号输入及输出后，我们开始调试载波的输出，为了产生一个4000-8000Hz的稳定正弦和余弦信号，先后分别使用了计算法和查表法，通过对比发现：对于高频信号的产生，当丰富查表点数后，查表法输出波形更加稳定出色，所以我学习使用matlab制作了256点的余弦表和正弦表。对于AM的调制进行的较为顺利，但是进行到解调部分遇到了困难，首先是对于AM 解调方法的选择，我们首先实验了正交解调法，通过对该方法的学习，编写了相关程序，却无法输出波形，在仿真的图像观察窗中也没有输出，通过数据观察窗对解调中的每一个数组逐一检查，发现是因为数组数据类型的问题，导致在运算过程中发生了数据溢出和计算精度降低。通过添加中间变量并改写数据类型，最终解决了这个问题。但是因为正交解调法中部分运算子函数占用CPU指令周期过长，虽然仿真可以输出正确的解调波形，却无法让虚拟示波器得到输出。于是改用了第二种相干解调法，有了之前的经验，在接下来的程序编写中较为顺利，可是解调波形却差强人意，在多天的调试下，发现计算机输出音量控制非常重要，通过反复调节波形音量和麦克风音量，然后结合程序中参数的改写，最终顺利解调出AM波形。我在此次课程设计中收获很大，在十来天的课题研究中学习到了许多：第一：细节决定成败，往往一个设计中，或许只是一个数据类型的错误就导致了整个输出的异常。也可能是音量或者输出信号幅值的调节不够精确，导致输出波形不够理想。第二：耐心是成功的关键，这十几天的实验室课程学习中，碰到过各种问题，会感到无从下手，心烦气躁。但是只有静下心来，耐心的分析程序，仔细的逐一调试各个参数，不断的排除错误，才能够成功。第三：他山之石可以攻玉，同在一个实验室学习的其他同学，都会有各自的想法值得我们学习，在互相交流的过程中我们会发现自己的不足，并且少走很多弯路。：AM与FM的调制与解调在理论上都比较简单，但实践起来却困难重重。我主要负责FM的调制与解调部分。开始时用到泰勒级数来计算并输出载波。在得到完整的波形之前一直认为泰勒级数的精确度不够，多次尝试之后的巧合的输出了一个完整的波形，但是最高频率在40