matlab通信仿真设计.pdf

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1、 matlab 通信仿真设计 课 程 设 计 指 导 书 使用班级：光纤通信071、无线通信 071 课程设计地点：信息楼 C207 2009 年 11 月 课程设计题目 1：调幅广播系统的仿真设计 模拟幅度调制是无线电最早期的远距离传输技术。在幅度调制中，以声音信号控制高频率正弦信号的幅度，并将幅度变化的高频率正弦信号放大后通过天线发射出去，成为电磁波辐射。2/9 波动的电信号要能够有效地从天线发送出去，或者有效地从天线将信号接收回来，需要天线的等效长度至少达到波长的 1/4。声音转换为电信号后其波长约在 151500km 之间，实际中不可能制造出这样长度和 X 围的天线进行有效信号收发。因

2、此需要将声音这样的低频信号从低频率段搬移到较高频率段上去，以便通过较短的天线发射出去。人耳可闻的声音信号通过话筒转化为波动的电信号，其频率 X 围为 2020KHz。大量实验发现，人耳对语音的频率敏感区域约为 3003400Hz，为了节约频率带宽资源，国际标准中将通信的传输频带规定为 3003400Hz。调幅广播除了传输声音以外，还要播送音乐节目，这就需要更宽的频带。一般而言，调幅广播的传输频率 X 围约为 1006000Hz。任务一：调幅广播系统的仿真。采用接收滤波器 Analog Filter Design 模块，在同一示波器上观察调幅信号在未加入噪声和加入噪声后经过滤波器后的波形。采用另

3、外两个相同的接收滤波器模块，分别对纯信号和纯噪声滤波，利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比，用Disply 显示结果。实例 1：对中波调幅广播传输系统进行仿真，模型参数指标如下。1.基带信号：音频，最大幅度为1。基带测试信号频率在1006000Hz内可调。2.载波：给定幅度的正弦波，为简单起见，初相位设为 0，频率为 5501605Hz 内可调。3.接收机选频放大滤波器带宽为 12KHz，中心频率为 1000kHz。4.在信道中加入噪声。当调制度为 0.3 时，设计接收机选频滤波器输出信噪比为 20dB，要求计算信道中应该加入噪声的方差，并能够测量接收机选频滤波器实际输出

4、信噪比。仿真参数设计：系统工作最高频率为调幅载波频率 1605KHz，设计仿真采样率为最高工作频率的 10倍，因此取仿真步长为 8max16.23 10(1-1)10steptsf 相应的仿真带宽为仿真采样率的一半，即 18025.7(1-2)2stepWKHzt 设基带测试正弦信号为 m(t)=Acos2Ft，载波为 c(t)=cos2fct，则调制度为 ma的调制输出信号 s(t)为()(1cos2)cos2(1-3)acs tmFtf t 容易求出，s(t)的平均功率为 21(1-4)24amP 设信道无衰减，其中加入的白噪声功率谱密度为 N0/2，那么仿真带宽(-W，W)内噪声样值的方

5、差为 3/9 2002(1-5)2NWN W 设接收选频滤波器的功率增益为 1，带宽为 B，则选频滤波器输出噪声功率为 002(1-6)2NNBN B 因此，接收选频滤波器输出信噪比为 20(1-7)/outPPPSNRNN BB W 所以信道中的噪声方差为 2(1-8)outPWSNRB 根据上面的公式，编程计算出噪声的方差，并将方差值和其它已知值作为仿真系统的参数。中波调幅广播传输系统仿真的参考模型(ex1_1.mdl)如图 1-1 所示。接收通道滤波器用 Analog Filter Design 模块实现，可设置为 2 阶带通的。为了能够测量输出信噪比，以参数完全相同的另外两个滤波器模块

6、分别对纯信号和纯噪声滤波，最后利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比，通过 Display 显示。任务二：调幅的包络检波和相干解调性能仿真比较。根据通信理论，以解调输出信噪比衡量的同步相干解调性能总是优于包络检波性能。在输入高信噪比条件下，包络检波接近同步相干解调的性能，而随着输入信噪比逐渐降低，包络检波性能也逐渐变坏，当输入信噪比下降到某一值时，包络检波输出信噪比将急剧下图 1-1 中波调幅广播传输系统仿真参考模型 4/9 降，这种现象称为包络检波的门限效应。实例 2：以实例 1 为传输模型，在不同输入信噪比条件下仿真测量包络检波解调和同步相干解调对调幅波的解调输出信噪比

7、，观察包络检波解调的门限效应。图 1-2 所示的仿真模型(ex2.mdl)用于测量包络检波的门限效应，发送的调幅波参数以及仿真步进与实例 1 相同。首先，调幅信号通过 AWGN 信道后，分别送入包络检波器和同步相干解调器。包络检波器由 Saturation 模块来模拟具有单向导通性能的检波二极管，模块的上下门限分别设置为 inf 和 0。同步相干所使用的载波是理想的，直接从发送端载波引入。两解调器后接的低通滤波器相同。解调后的两路信号送到示波器显示，同时送入信噪比测试模块，即图中的子系统 SNR Detection，其内部如图 1-3 所示。在 SNR Detection模块中，输入的两路解调

8、信号通过滤波器将信号和噪声近似分离，以分别计算信号和噪声分量的功率，进而计算信噪比。两个带通滤波器参数相同，其中心频率为 1000Hz，带宽为 200Hz，对应于发送基带测试信号频率，其输出近似视为纯信号分量。两个带阻滤波器参数也相同，其中心频率为 1000Hz，带宽为 200Hz，其输出可近似为信号中的噪声分量。之后，通过零阶保持模块将信号离散化，再由 buffer 模块和方差模块计算出信号和噪声的功率，buffer 缓冲区长设置为 1.6051e+005 个样值，这样将在 0.01s 内进行一次统计计算。最后，由分贝转换模块 dB Conversion 和 F 函数模块计算出两解调器的输出

9、信噪比。计算输出 Display 显示的同时，也送入工作空间，以便能够编程作出两解调性能曲线，To Workspace 模块设置为只将最后一次仿真结果以数组(Array)格式送入工作空间，变量名为SNR_out，它含有 2 个元素，即两个解调输出信号的检测信噪比。当设置信道噪声方差等于 1 时，执行仿真所得到的解调信号波形如图 1-4 所示。可以看出，相干解调输出波形中，噪声成分相对要小一些。图 1-2 包络检波和相干解调性能测试仿真模型 5/9 任务三：用 matlab 编程方法，得出解调性能曲线。通过编程方法，连续改变输入信号信噪比，用以计算出对应的方差，每计算一个方差后调用一次 ex1_

10、2.mdl，从而获得在 Workspace 中的数据 SNR_out，通过 matlab 绘图的方法将包络检波和相干解调的信噪比与输入信噪比的关系绘于同一图，比较其性能。在matlab空间调用ex1_2.mdl 的函数是 sim(ex1_2.mdl)。图 1-3 解调输出信噪比近似于测量子系统 SNR Detection 的内部结构 图 1-4 噪声方差为 1 时的解调信号波形仿真结果 6/9 课程设计题目 2：模拟信号的数字化 基带信号的采样定理是指，对于一个频谱宽度为BHz 的基带信号，可惟一地被均匀间隔不大于 1/(2B)秒的样值序列所确定。采样定理表明，如果以不小于 1/(2B)次/秒

11、的速率对基带模拟信号均匀采样，那么所得到样值序列就包含了基带信号的全部信息，这时对该序列可以无失真地重建对应的基带模拟信号。例如，话音信号的最高频率为 3400Hz，为了保证无失真采样，对其进行采样的最低速率必须大于等于 6800 次/秒，考虑到实际低通滤波器的非理想特性，数字通信系统中规定采样率为 8000 次/秒。为了保证在足够大的动态 X 围内数字话音具有足够高的信噪比，提出了非均匀量化：在小信号时采用较小的量化间距，而在大信号时用大的量化间距。在数学上，非均匀量化等价于对输入信号进行动态 X 围压缩后再进行均匀量化。小信号通过压缩器时增益大，大信号通过压缩器时增益小。这样就使小信号在均

12、匀量化之前得到较大的放大，等价于以较小间距直接对小信号进行量化，而以较大间距对大信号进行量化。在接收端要进行相应的反变换，即扩 X 处理，以补偿压缩过程引起的信号非线性失真。中国和欧洲的 PCM 数字系统采用 A 律压扩方式，即：1ln (2-1)sgn()(1ln)1lnAxAyxA xA 压缩系数 A=87.6。A 律压缩扩 X 曲线可用折线来近似，16 段折线点是：x=-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1y=-1,-7/8,-6/8,-5/8,-4/8,-3/8,-2

13、/8,-1/8,0,1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1 其中靠近原点的 4 根折线斜率相等，可视为一段，因此总折线数为 13 段，称为 13 段折线近似。用 Simulink 中的 Look-Up Table 查表模块可以实现对 13 折线近似的压缩扩 X 计算的建模，压缩模块的输入向量设置为：-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1 输出量向量设置为：-1:1/8:1。扩 X 模块的设置与压缩模块的设置相反。任务一：PCM 编码 PCM 是脉冲编码调制

14、的简称，是现代数字系统的标准语音编码方式。A 律 PCM 数字系统中规定：传输语音的信号频段为 3003400Hz，采样率为 8000 次/s，对样值进行 13折线压缩后编码为 8 位二数字序列。因此，PCM 编码输出的数码速率为 64kbps。PCM 编码的二进制序列中，每个样值用 8 位二进制码表示，其中最高比特位表示样7/9 值的正负极性，规定负值用 0 表示，正值用 1 表示。接下来的 3 位比特表示样值的绝对值所在的 8 段折线的段落号，最后 4 位是样值处于段落内 16 个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM 编码较低的 7 位相当于对样值的绝对值进行 13 折线近似压缩后的 7

15、 位均匀量化编码输出。实例 1：设计一个 13 折线近似的 PCM 编码器模型，使它能够对取舍在-1,1内归一化信号样值进行编码。测试模型和仿真结果如图 2-1 所示。其 XX 号源用一个常数表示。以 Saturation 作为限幅器，Relay 模块的门限设置为 0，其输出即可作为 PCM 编码输出的最高位，即确定极性码。样值取绝对值后，以 Look-Up Table(查表)模块进行 13 折线压缩，并用增益模块将样值 X 围放大到 0127，然后用间距为 1 的 Quantizer 模块进行四舍五入取整量化，并用Integer to Bit Converter 将整数转换成长度为8 个比特

16、的二进制数据，最后用Display 模块显示编码结果。将 PCM 编码器封装成一个子系统，整个文件模型保存为 ex2_1.mdl。任务二：PCM 解码 实例 2：测试模型和仿真结果如图 2-2 所示，其中 PCM 编码子系统就是图 2-1 中虚线所围部分。PCM 解码器中首先分离并行数据中的最位(极性码)和 7 位数据，然后将 7 位数据转换为整数值，再进行归一化、扩 X 后与双极性的极性码相乘得出解码值。将该模型中的虚线所围部分封装为一个 PCM 解码子系统。整个文件模型保存为 ex2_2.mdl。任务三：PCM 串行传输模型 图 2-1 13 折线 A 律编码器 图 2-2 13 折线 A

17、 律解码器 8/9 在以上两个实例基础上，建立 PCM 串行传输模型，并在传输信道中加入指定错误概率的随机误码。实例 3：仿真模型如图 2-3 所示，其中 PCM 编码和解码子系统内部结构参见图 2-1和图 2-2。PCM 编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入 PCM 编码，之后输出解码结果并显示波形。模型 XX未对 PCM 解码结果作低通滤波处理。文件模型保存为 ex2_3.mdl。仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，这里模型 XX 道传输速率最高为 64bps，故仿真步进设置为 1/64000s。信道错误比特率设为 0

18、.01，以观察信道误码对 PCM传输的影响。信号源可以采用比如 200Hz 的 正弦波。解码输出存在延迟。对应于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个 PCM 编码字串中的位置，位于最高位时将导致解码值极性错误，这时干扰最大，而位于最低位的误码引起的误码最轻微。通过改变 Binary Symmetric Channel 中的 Error Probability 的大小，观察原信号和解码后的输出。一种仿真情况下的仿真结果波形如图 2-4 所示。图 2-3 PCM 串行传输模型 9/9 任务四：修改实例 3 的 PCM 编解码模型，测试指定误码

19、率条件下 PCM 解码语间信号的音质。实例 4：使用 Simulink 中 DSP 模块库的音频输入模块可以对真实音频信号进行处理，测试模型如图 2-5 所示。仿真时间 20s，步进时间 1/64000s。设置 SBC 信道的误码率后启动仿真，可以听到在指定误码率下传输的 PCM 解码语音信号，Gain 模块用于调整输入声音信号的幅度。原声音信号可预先录制，格式为*.wav。文件模型保存为 ex2_4.mdl。任务五：通过编程方法，连续改变 SBC 信道的误码率，对每一个误码率的值，调用一次 ex2_4.mdl，从而观察在不同误码率情况下声音信号。在 matlab 空间调用 ex2_4.mdl的函数是 sim(ex2_4.mdl)。编程文件取名为 ex2.m。图 2-4 PCM 串行传输仿真结果