1、信息处理课程设计报告题 目：基于simulink的DSB调制与解调系统设计基于simulink的DSB调制与解调系统设计摘 要本课程设计主要运用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台设计进行 DSB 调制与相干解调系统仿真。在本次课程设计中先根据 DSB 调制与解调原理构建调制解调电路，从 Simulink 工具箱中找所各元件，合理设置好参数并运行，其中可以通过不断的修改优化得到需要信号，之后分别加入高斯白噪声，并分析对信号的影响，最后通过对输出波形和功率谱的分析得出 DSB 调制解调系统仿真是否成功。关键词：Simulink；DSB；调制；相干解调目 录1 设计任务 - 1
2、 -1.1 设计的目的和意义 - 1 -1.2 设计任务与要求 - 1 -2 系统原理 - 1 -2.1 DSB 调制原理 .- 1 -2.2 DSB 解调原理 .- 2 -3 设计方案 - 3 -3.1 仿真平台 - 3 -3.2 录音功能的实现 - 5 -3.3 调制模块设计 - 7 -3.4 高斯白噪声信道 - 9 -3.5 解调模块设计 - 10 -3.6 总体模型 - 11 -4 系统特性分析 - 12 -4.1 频谱分析 - 12 -5 总结 - 14 -5.1 遇到的问题 - 14 -5.2 致谢 - 15 -参考文献 - 15 - 1 -1 设计任务1.1 设计的目的和意义通信
3、技术的发展日新月异，通信系统也日趋复杂，在通信系统的设计研发过程中，软件仿真已成为必不可少的一部分，电子设计自动化 EDA 技术已成为电子设计的潮流。随着信息技术的不断发展，涌现出了许多功能强大的电子仿真软件，如Workbench、Protel、Systemview 、Matlab 等。通信原理是电子通信专业的一门极为重要的专业基础课，由于内容抽象，基本概念较多，是一门难度较大的课程，要想学好并非易事。采用 Matlab 及 Simulink 作为辅助教学软件，摆脱了繁杂的计算，可以使学生对书本上抽象的原理有进一步的感性认识，加深对基本原理的理解。1.2 设计任务与要求设计题目：DSB 调制与
4、解调系统设计设计要求：（1）录制一段 2s 左右的语音信号，并对录制的信号进行 8000Hz 的采样，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图；（2）采用正弦信号和自行录制的语音信号（.wav 文件）进行 DSB 调制与解调；信道使用高斯白噪声；画出相应的时域波形和频谱图。2 系统原理2.1 DSB 调制原理在消息信号 m(t)上不加上直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB-SC）调制信号，简称双边带（DSB）信号。DSB调制器模型如图 2-1，可见 DSB 信号实质上就是基带信号与载波直接相乘。- 2 -图2-1 DSB信号调制器模型其时域和频域表示
5、式分别如下(式 2-1)ttmtScDBos)(式 2-2)()21cM除不再含有载频分量离散谱外，DSB 信号的频谱与 AM 信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故 DSB 信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与 AM 信号相同，也为基带信号带宽的两倍，DSB 信号的波形和频谱分别如图 2-2： 图2-2 DSB信号的波形与频谱2.2 DSB 解调原理因为不存在载波分量，DSB 信号的调制效率是 100%，即全部功率都用于信息传输。但由于 DSB 信号的包络不再与 m(t)成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调。图2-3 DSB信号相干解调模型图 2-3 中 SL(t)为本地载波
6、，也叫相干载波，必须与发送端的载波完成同步。即频率相同时域分析如下：(式 2-3)t2cos)(1)(tm(t)cosS(t)(t)2LDBp tmtS Sp(t)经过低通滤波器 LPF，滤掉高频成份， 为o- 3 -(式 2-4)(21)(tmto频域分析如下：)(S)-()( cDBcDSBp (式 2-5)21HpoMM式中的 H()为 LPF 的系统函数。频域分析的过程如图 2-4 所示。事实上 本）（ tLS地载波和发端载波完全一致的条件是是不易满足的，因此，需要讨论 有误差情）（ t况下对解调结果的影响。图2-4 DSB信号相干解调过程示意图3 设计方案3.1 仿真平台近几年，在学
7、术界和工业领域，Simulink 已经成为在动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一。它的魅力在于强大的功能和使用方法。确切的说，它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统等，而且系统可以是多进程的。Simulink 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，采用这种方法进行系统设计，就像你用笔和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。用 Simulink 创建的模型可以具有递接层次结构，及允许用户建立自己的子系统。在察看时，用户可以从最顶层开始，然后用鼠标双击- 4 -其中的子系
8、统模块，从而进入自信同模块进行察看，这样非常便于模型的条理化，从而帮助用户理解模型的整体结构以及各模块之间的关系。Simulink 是 MATLAB 为模拟动态系统而提供的一个面向用户的交互式程序，它采用鼠标驱动方式，允许用户在屏幕上绘制框图，模拟系统并能动态的控制该系统。它还提供了两个应用程序扩展集，分别是 Simulink EXTENSION 和 BLOCKSET。Simulik提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。基于这些
9、特点，在本设计中使用 Simulink 软件作为仿真平台搭建系统模型。对Simulink 的使用步骤简要介绍如下。（1）模型库在 MATLAB 命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入 Simulink 模型库，单击工具栏上的 按钮也可进入。Simulink 模块库按功能进行分为以下 8 类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块） Function %语音信号采样频率为 8000fprintf(按任意键开始2秒 录音.n); pausefprintf(录音中.n); wavwrite(wavrecord(2*fs,fs),fs,8,test.wav); %以8
10、000的采样率、8bit 的位速录音，并保存录音为“test.wav”fprintf(录音保存完毕！n);wave=wavread(test.wav); %读取保存的录音文件，将幅值赋给变量wavefprintf(录音读取完毕！n);sound(wave,fs); %以8000Hz的采样率播放语音信号fprintf(录音播放完毕！n);%-波形图-%fprintf(绘制波形图.n); t=(0:length(wave)-1)/fs; %数组下标乘以采样周期，得出时间轴figure(1),plot(t,wave); %做语音信号的时域波形图title(语音信号 时域波形图 );xlabel(时间
11、 ),ylabel(幅值 );- 6 -%-频谱图-%fprintf(绘制频谱图.n); y1=fft(wave,2048); %语音信号1024 点FFT，得出幅值轴f=fs*(0:2047)/2048; %得出频率轴figure(2),plot(f,abs(y1(1:2048);title(语音信号 频谱图 );xlabel(Hz),ylabel(幅值);fprintf(全部处理完毕！nn); %-%程序运行结果如下图 3-3 所示：0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2 信信信信信信信信信信信信
12、信0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400001234567 信信信信信信信Hz信信图3-3 语音信号时域、频域波形图- 7 -3.3 调制模块设计新建一个仿真空白模型，将 DSB 信号调至所需要的模块拖入空白模型中。图 3-4中 Baseband wave 为正弦基带信号、Carrier wave 为正弦载波，均使用离散化的信号。product 为乘法器、scope 为示波器。连接各模块如下图所示。图3-4 DSB调制模型双击模块设置基带信号属性：幅度为 1，频率为 500HZ，初相位为 0，离散方式，采样间隔为 110-5s，具体如下图 3-5 所示：
13、图3-5 基带信号参数设置用同样的方式设置载波信号属性如下图 3-6 所示：- 8 -图3-6 载波参数设置图设置完成点击“运行”按钮，并双击示波器，显示波形如下图 3-7：图3-7 DSB信号调制波形图中三路信号波形，第一路为基带信号，第三路为载波，第二路为调制的 DSB 波形。从图中可以清楚地看出，双边带信号时域波形的包络不同于调制信号的变化规律。在调制信号零点前处已调波的相位发生了 180的突变。在调制信号的正半周期内，已调波的高频相位与载波相同，在调制信号的负半周期内，已调波的高频相位与载波相反。并且双边带的带宽为基带信号的两倍。- 9 -3.4 高斯白噪声信道加性高斯白噪声 AWGN
14、(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声是叠加在信号上的一种噪声，通常记为 n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。若噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。在通信系统中，经常碰到的噪声之一就是白噪声。在理想信道调制与解调的基础上，在信道中加入高斯白噪声，把 Simulink 中的AWGN 模块加入到模型中。噪声参数设置、模型与波形图如下：图3-8 高斯噪声参数设置图3-9 高斯白噪声信道传输模
15、型- 10 -图3-10 高斯白噪声信道传输波形如图 3-10 所示，第一路为调制后未经传输的 DSB 信号波形，第二路为加性高斯白噪声信道中传输的波形。相比较可看出，波形出现了一定程度的失真。失真是随着信噪比 SNR 的变化而变化的， SNR 越小，通过 AWGN 信道的波形就越接近理想信道波形。3.5 解调模块设计因为 DSB 信号包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复基带信号，而必须采用相干解调。相干解调也称同步检波，是指用载波乘以一路与载波相干（同频同相）的参考信号，再通过低通滤波器即可输出解调信号。解调模块设计模型如图 3-11 所示：图3-11 相干解调
16、模块模型图中 In1 为 DSB 信号输入端，Refer wave 为与载波相干的参考信号，二者相乘后经数字滤波器进行低通滤波，再进行 2 倍增益后，输出的既是解调波。这里的数字滤波器用到了 Simulink 模型库中的 FDATool，双击模块可以选择滤波器类型及更改参数。在这里选择了低通 Elliptic 滤波器，试验发现它具有很好的频响特性。根据系统基带信号频率范围和载波的频率，设置其通带和截止频率如下图 3-12 所示：- 11 -图3-12 数字滤波器设置为了方便连线和放置模块，在这里将解调模块封装为子系统 Coherent Demodulation，并对带有高斯白噪声 的 DSB
17、信号进行解调，其模型如图 3-13 所示。图3-13 解调模块模型基带信号、带有噪声的 DSB 信号和解调信号的波形如图 3-14，由图可看出，解调波形较接近基带信号波形，表明解调模块特性较好，能够从带有高斯白噪声的 DSB 信号中解调出需要的原始波形。- 12 -图3-14 解调模块波形3.6 总体模型连接各模块并进行仿真调试，不断修改各模块参数使系统能正确稳定地工作。系统总体模型如图 3-15 所示，系统各个关键点波形如图 3-16。图3-15 系统总体模型图图3-16 系统各关键点波形4 系统特性分析4.1 频谱分析为了显示系统各个点信号频谱图，在信号和频谱分析仪之间加一个采样保持器，根
18、据信号频率设置适当采样周期，之后送入频谱分析仪显示频谱图。- 13 -图4-1 频谱显示信号的预处理模型用频谱示波器观察系统各点信号频谱，频谱图如图 4-2：(a) 基带信号频谱 (b) 载波信号频谱(c) 未经传输的 DSB 信号频谱 - 14 -(d) 在 AWGN 信道中传输的 DSB 信号频谱（e） 解调信号频谱图4-2 系统各点信号频谱由频谱可以看出，DSB 信号的频谱由上边带、下边带两部分组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像,它的带宽仍是是基带信号带宽的 2 倍。可见 DSB 调制的实质是对频谱进行线形搬移，同时抑制了载波；而解调正好是将高频部分信
19、号频谱搬回低频的过程。- 15 -5 总结5.1 遇到的问题通过本次课程设计，我熟悉了 Matlab 下用 Simulink 进行通信仿真的过程，对一些过去没有弄懂或认识模糊的概念、理论有了正确认识，也为以后的工作和学习打下了基础。在课程设计中有收获，同样也有许多不足之处。其中之一就是没有很好地实现题目要求的“采用正弦信号和自行录制的语音信号（.wav 文件）进行 DSB 调制与解调” 。设计过程中，我使用了“From wave file”模块来加载 wav 文件，将音频信号作为基带信号进行调制，但可能因为 MatLab 版本问题， “From wave file”模块始终无法正确运行，具体表
20、现为 Simulink 提示找不到用于仿真的模块甚至直接崩溃。我换过不同的软件版本和计算机，但始终没能圆满解决这个问题。所以在最终的系统方案中，仍然采用了低频的正弦波代替音频文件作为基带信号，这个方案被证明是成功的。今后需要进一步加强对通信系统的认识，并多用 Simulink 做系统仿真，以熟悉各模块的功能和适用场合。5.2 致谢经过为期两周的课程设计，我基本实现了题目要求，完成了 DSB 信号调制与解调的 Simulink 建模和仿真。以所学理论为基础，在课程设计的过程中，我又重温了模拟调制系统和相干解调等知识，感到实际动手能力有所提高，并激励自己结合实际问题在专业领域进行更深入的学习。在这
21、里要感谢很多同学和朋友在本次课程设计中给予我的支持和帮助。特别要感谢我的指导老师秦*和迟*，在我遇到困难的时候，他们给了我极大的帮助。尤其是在系统解调模块和录音方案的确定上，老师多次给我耐心细致的指导。很庆幸能有这样负责任、有爱心的指导老师，帮我扫清了课程设计过程中的诸多障碍，也让我看到了师长的风范。参考文献1 樊昌信，曹丽娜 . 通信原理. 北京：国防工业出版社，20062 达新宇通信原理实验与课程设计北京：北京邮电大学出版社，20033 徐远明. MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用. 西安：西安电子科技大学出版社， 2005- 16 -4 张化光, 孙秋野. MATLAB/Simulink 实用教程. 北京：人民邮电出版社，20095 姚俊，马松辉 .Simulink 建模与仿真基础. 北京：西安电子科技大学出版社，20026 邓华MATLAB 通信仿真及应用实例详解北京：国防工业出版社，2003
