通信系统建模与仿真实验报告

1、通信系统建模与仿真课程设计 2011 级 通信工程 专业 1113074 班级题 目 基于Matlab/Simulink的音频信号去干扰处理 姓 名 学号 指导教师 2014年6月20日1 任务书录制自己的一段音频信号，使其混杂一个1000Hz的单频正弦波干扰，试采用Matlab编程方式或Simulink方式设计一个带阻滤波器对其进行滤波。（1） 观察滤波前后的时域波形和频谱变化。（2） 通过声卡将滤波前后的声音输出到扬声器，进行主观对比，看所设计的带阻滤波器是否能够起到抑制单频正弦波干扰的目的。（3） 分析带阻滤波器阶数、截止频率和滤波效果的关系。（4） 如果干扰换成1000Hz的方波，带阻

2、滤波器的效果如何？如何解决？重做以上3项。2 理论分析模型中，话音信号设为Fs=8000Hz采样率的，采样时间为5s，从外部的'royal1.wav'文件读入。From Wave File 的参数设置参考图1.1。1000Hz的单频正弦波采用Simulink/Sources/SignalGenerator产生，幅度为1V，波形格式为sine，频率为1000，单位为Hz。如图1.2。Buffer 1模型实现单频干扰并行化以便和音频信号叠加，Buffer1的大小设置为256，Buffer1前的Zero-Order Hold的参数设置为采样率8000Hz,即周期为1/8000s。Bu

3、ffer为了将音频信号串行化以便用示波器观察音频信号的波形，参数设置为1。滤波器采用DSP System Toolbox/Filtering/FilterImplementations/Digital Filter Design 模型，设计为带阻滤波器对单频干扰进行滤波，针对1000Hz信号，带阻滤波器的中心阻带频率设置为950,1050,两端通带频率点分别为900Hz和1100Hz。采用FIR的Equiripple滤波器对信号进行滤波，阶数分别为4，6，12。分别用这三种阻带抑制度下的滤波器对信号进行滤波，从喇叭中聆听滤波结果。滤波器参数设置参见图1.3。图1.2图1.1 图1.33 系统设

4、计方案系统设计流程：从波形文件中读取音频信号，采用信号发生器产生正弦信号，经过串并转换与音频信号叠加，再将信号转换为串行信号经带阻滤波器滤波，再用Buffer将滤波后的音频信号送入喇叭发声。参见图1.4。图1.44 仿真结果分析4.1 干扰为1000Hz的正弦波(1) 观察滤波前后的时域波形和频谱变化滤波前： 滤波后： (2) 通过声卡将滤波前后的声音输出到扬声器，进行主观对比，看所设计的带阻滤波器是否能够起到抑制单频正弦波干扰的目的。通过连个声音的对比，可以发现，抑制度要求越高，则所需滤波器阶数就越大，对干扰的抑制效果将越好，因此，增加滤波器的阶数，或者增加拟制度，都可以起到拟制单频正弦波的

5、目的。(3) 分析带阻滤波器阶数、截止频率和滤波效果的关系。4阶截止频率为950，1050时，输出波形和频谱图 截止频率为960，1040 截止频率为990，1010 6阶截止频率为950，1050时，输出波形和频谱图 截止频率为960，1040 截止频率为990，1010 12阶截止频率为950，1050时，输出波形和频谱图 截止频率为960，1040 截止频率为990，1010 由上述波形图可以得出：阶数越高，滤波器幅频特性的过渡带越陡，越接近理想特性。一般情况下，一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减；二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。但是，滤波阶

6、数忒高了，就会导致成本提高很大。在同样的阶数下，带截止频率之间的差值越小，其滤波效果越好。4.2干扰为1000Hz的方波系统设计流程：从波形文件中读取音频信号，采用信号发生器产生方波信号，经过串并转换与音频信号叠加，再将信号转换为串行信号经梳状滤波器滤波，再用Buffer将滤波后的音频信号送入喇叭发声。参见图1.5。图1.5带阻滤波器的效果如何？如何解决？带阻滤波器的效果不明显，这里改用梳状滤波器解决。先用程序计算出梳状滤波器的分子、分母系数。程序如下：Fs=8000;Ts=1/8000; %采样率 f0=1000; %梳状滤波器开槽基频率 bw=100/(Fs/2); %归一化开槽带宽 ab

7、=-3; %计算开槽带宽位置处的衰减分贝值 n=Fs/f0; %计算滤波器阶数 num,den=iircomb(n,bw,ab,'notch'); %计算H(z) freqz(num,den,4000,8000); %作出H(z)的幅频相频图 axis(0 4000 -30 5);执行程序后，得出所设计的梳状滤波器幅频相频曲线如下图所示，以及其传递函数的分子分母系数num,den。双击Digital Filter Design模块图标，在参数设置对话框中选择滤波器参数导入模式，填写分子分母系数分别为num，den，采样率取8000Hz,滤波器结构可任选。Digital Filt

8、er Design模块的设计参数的导入和频率响应曲线参见下图。(1) 观察滤波前后的时域波形和频谱变化滤波前: 滤波后： (2) 通过声卡将滤波前后的声音输出到扬声器，进行主观对比，看所设计的梳状滤波器是否能够起到抑制方波干扰的目的。经过滤波前后声音的对比，梳状滤波器可以有效地拟制方波的干扰。(3) 分析梳状滤波器开槽带宽和滤波效果的关系。由于梳状滤波器的阶数为Fs/f0，故在此不作分析，当减小梳状滤波器的开槽带宽为50时，其滤波后的时域和频域的波形图如下: 经过对比可知，梳状滤波器的开槽带宽越窄，其滤波效果越好。这是开槽带宽分别为100/(Fs/2)，10/(Fs/2)，以及未加入噪声的原波

9、形图，分别对应第一幅，第二幅和第三幅图。从图中可以看出，开槽带宽为10/(Fs/2)的波形图与原音频信号波形图更近似，因此滤波效果更好。如果增大开槽带宽处的衰减分贝值反而会使滤波效果下降。5 遇到的问题及解决的方法由于matlab版本不同，在建模时模块的参数设置不尽相同，这里我使用的是matlab2012a，有很多模型的参数设置和matlba7的不一样，因此遇见了很多问题。比如在建模的过程中频谱仪的参数要把Buffer input前的'去掉，使其变成FFT，才可以显示频谱。另外，系统仿真速率必须是信号速率的整数倍，各流通信号的速率也必须是整数倍关系，这里正弦信号的速率是1000Hz，而

10、音频信号的速率是8000Hz，因此系统仿真速率应该是8000的整数倍，即系统的仿真周期为1/（n*8000）s。第三，零阶保持器应该设置为和音频信号的速率一样的采样率，这里设置为1/8000s。第四，Buffer的作用为串并转化，由于示波器不能显示帧信号和并行信号，因此需要用Buffer将其转化为串行信号。第五，相加器（add）输入的信号必须是速率一致且格式相同的数据类型，如果不相同则需要用Buffer等模块转换。第六，可以设置示波器有多个输入端口，便于对波形进行比较分析。6 结束语 经过本周的课程设计，使我认识到matlab对数学计算和仿真方面的强大功能，目前，matlab/simulink的应用已经远远超越了数值计算和控制系统仿真等传统领域，在几乎所有理工学科中形成了为数众多的专业工具库和函数库。Matlab是一个基于矩阵运算的软件，所以在编程的时候，应该尽可能使用矩阵赋值，这样可以提高计算效率并且简化代码。 设计过程中也遇到了很多问题，主要是对simlink仿真