实验三 基于simulink的通信系统仿真(DOC)

实验三 基于simulink通信系统的仿真

一 实验目的

1掌握simulink 仿真平台的应用。 2能对基本调制与解调系统进行仿真; 3 掌握数字滤波器的设计。 二、实验设备

计算机，Matlab软件 三 数字滤波器设计

（1）、IIR数字滤波器设计

1、基于巴特沃斯法直接设计IIR数字滤波器

例５.1：设计一个10阶的带通巴特沃斯数字滤波器，带通频率为100Hz到200Hz，采样频率为1000Hz，绘出该滤波器的幅频于相频特性，以及其冲击响应图 clear all; N=10;

Wn=[100 200]/500;

[b,a]=butter(N,Wn,’bandpass’); freqz(b,a,128,1000) figure(2)

[y,t]=impz(b,a,101); stem(t,y)

2、基于切比雪夫法直接设计IIR数字滤波器

例5.2：设计一个切比雪夫Ⅰ型数字低通滤波器，要求： Ws=200Hz,Wp=100Hz,Rp=3dB,Rs=30dB,Fs=1000Hz

clear all; Wp=100; Rp=3;

1

Ws=200; Rs=30; Fs=1000;

[N,Wn]=cheb1ord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs); [b,a]=cheby1(N,Rp,Wn); freqz(b,a,512,1000);

例5.3：设计一个切比雪夫Ⅱ型数字带通滤波器，要求带通范围100-250Hz，带阻上限为300Hz，下限为50Hz，通带内纹波小于3dB，阻带纹波为30 dB，抽样频率为1000 Hz，并利用最小的阶次实现。

clear all; Wpl=100; Wph=250; Wp=[Wpl,Wph]; Rp=3; Wsl=50; Wsh=300; Ws=[Wsl,Wsh]; Rs=30; Fs=1000;

[N,Wn]=cheb2ord(Wp/(Fs/2),Ws/(Fs/2),Rp,Rs); [b,a]=cheby2(N,Rp,Wn); freqz(b,a,512,1000);

实验内容：1 设计一个数字信号处理系统，它的采样率为Fs＝100Hz，希望在该系统中设计一个Butterworth型高通数字滤波器，使其通带中允许的最小衰减为0.5dB，阻带内的最小衰减为40dB，通带上限临界频率为30Hz，阻带下限临界频率为40Hz。

2 试设计一个带阻IIR数字滤波器，其具体的要求是：通带的截止频率：wp1＝650Hz、wp2＝850Hz；阻带的截止频率：ws1＝700Hz、ws2＝800Hz；通带内的最大衰减为rp

2

＝0.1dB；阻带内的最小衰减为rs＝50dB；采样频率为Fs＝2000Hz。

（2）、FIR数字滤波器设计

1、、在MATLAB 中产生窗函数十分简单： （1）矩形窗（Rectangle Window）

调用格式：w=boxcar(n)，根据长度n 产生一个矩形窗w。 （2）三角窗（Triangular Window）

调用格式：w=triang(n) ，根据长度n 产生一个三角窗w。 （3）汉宁窗（Hanning Window）

调用格式：w=hanning(n) ，根据长度n 产生一个汉宁窗w。 （4）海明窗（Hamming Window）

调用格式：w=hamming(n) ，根据长度n 产生一个海明窗w。 （5）布拉克曼窗（Blackman Window）

调用格式：w=blackman(n) ，根据长度n 产生一个布拉克曼窗w。 （6）恺撒窗（Kaiser Window）

调用格式：w=kaiser(n,beta) ，根据长度n 和影响窗函数旁瓣的β参数产生一个恺撒窗w。

2、基于窗函数的FIR 滤波器设计 利用MATLAB 提供的函数firl 来实现

调用格式：firl (n,Wn,’ftype’,Window)，n 为阶数、Wn 是截止频率（如果输入是形如[W1 W2]

的矢量时，本函数将设计带通滤波器，其通带为W1<ω通-省略该参数、高通-ftype=high、带阻-ftype=stop）、Window 是窗函数。 例6.1： 设计一个长度为8 的线性相位FIR 滤波器。其理想幅频特性满足

1,00.4 Hd(ej)0,elseWindow=boxcar(8); b=fir1(7,0.4,Window); freqz(b,1)

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例6.2：设计线性相位带通滤波器，其长度N=15，上下边带截止频率分别为W1= 0.3π，w2=0.5 π

Window=blackman(16); b=fir1(15,[0.3 0.5],Window); freqz(b,1)

例6.3：MATLAB中的chirp.mat文件中存储信号ｙ的数据，该信号的大部分号能量集中在Fs/4（或二分之一奈奎斯特）以上，试设计一个34阶的FIR高通滤波器，滤除频率低于Fs/4的信号成分，其中滤波器的截止频率为0.48，阻带衰减为30dB，滤波器窗采用切比雪夫窗 clear all; load chirp

window=chebwin(35,30);

b=fir1(34,0.48,’high’,window); yfit=filter(b,1,y); [Py,fy]=pburg(y,10,512,Fs);

[Pyfit,fyfit]=pburg(yfit,10,512,Fs);

plot(fy,10*log10(Py),’.’,fyfit, 10*log10(Pyfit)); grid on

ylabel(‘幅度(dB)’) xlabel(‘频率(Hz’)

legend(‘滤波前的线性调频信号’, ‘滤波后的线性调频信号’)

实验内容：1用矩形窗设计线性相位FIR低通滤波器。该滤波器的通带截止频率wc=pi/4，单位脉冲响h(n)的长度M=21。并绘出h(n)及其幅度响应特性曲线。 2试用频率抽样法设计一个FIR低通滤波器，该滤波器的截止频率为0.5pi，频率抽样点数为33。

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四 实验原理

1 模拟通信系统的仿真原理 调制的作用:

(1)实现信号的频谱搬移，适应在频带信道内的传输；

(2)当频带信道带宽远大于信号带宽时，可以将多路基带信号调制到互不重叠的 频带上，充分利用信道带宽，实现频分复用（FDM)；

(3)不同的调制方式具有不同的有效性和可靠性（如FM的可靠性好而有效性差，AM有效性好而可靠性差），可以根据需要选用合适的调制方法。 1.1 AM信号的调制解调原理

调制原理：AM调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程,就是按原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的过程。

m(t)+A0SAM(t)cosωct

图 1-1 AM调制原理框图

AM信号的时域和频域的表达式分别为:

SAMtA0mtcosCtA0cosCtmtcosCt 式（1-1）

SAMA0CC1MCMC 式（1-2） 2 在式中，为外加的直流分量；认为其平均值为0，即谱。

可以是确知信号也可以是随机信号，但通常

。其频谱是DSB SC-AM信号的频谱加上离散大载波的频

解调原理：AM信号的解调是把接收到的已调信号信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。

还原为调制信号。 AM

AM相干解调原理框图如图1-2。相干解调（同步解调）：利用相干载波（频率和相位都与原载波相同的恢复载波）进行的解调，相干解调的关键在于必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信

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号的恢复。相干载波的提取：（1）导频法：在发送端加上一离散的载频分量，即导频，在接收端用窄带滤波器提取出来作为相干载波，导频的功率要求比调制信号的功率小；（2）不需导频的方法：平方环法、COSTAS环法。

SAM(t)m0(t)LPFcosωct

图 1-2 AM相干解调原理框图

AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故可以用包络检波的方法恢复原

始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成： （1）整流：只保留信号中幅度大于0的部分；

（2）低通滤波器：过滤出基带信号； （3）隔直流电容：过滤掉直流分量。

可以使用包络检波器进行解调，成本低，大功率离散载波造成的成本问题由广播电台解决，解调不需要载波提取电路。并且在高信噪比情况下，包络检波解调具有与相干解调相同的解调输出信噪比，在小信噪比时，输出信噪比不是按比例的随着输入信噪比下降，而是急剧下降，这种现象称为“门限效应”，相干解调不存在门限效应，因为有用信号和噪声在相干解调中不会相混，包络检波中输出有用信号和噪声不再是相加的，而是相混的，即是有用信号分量乘以噪声，这时已经很难从输出中区分出有用信号了。 1.2 DSB信号的调制解调原理

调制原理：在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（调制信号

＝1），

中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号

SDSBtmtcosCt 式（1-3）

（DSB）。每当信源信号极性发生变化时，调制信号的相位都会发生一次突变π。

调制的目的就是进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。 DSB调制原理框图如图1-3:

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m(t)SDSB(t)cosωct

图 1-3 DSB调制原理框图

DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，频域上就是卷积，表示式为： 1 SDSBMCMC 式（1-4）

2（1）经调制后，调制信号的带宽变为原基带信号的2倍：模拟基带信号带宽为W，则调制信号的带宽为2W；

（2) 调制信号中不含离散的载频分量：因为原模拟基带信号中不含离散直流分量。 （3) 包含上下两个边带，且携带相同信息（双边带）；

(4) 不论是确定信号的频谱，还是随机信号的功率谱，都是基带信号频谱/功率谱的线性搬移。因而被称为线性调制。

解调原理：DSB只能进行相干解调，其原理框图与AM信号相干解调时完全相同，利用恢复的载波与信号相乘，将频谱搬移到基带，还原出原基带信号。

SDSB(t)m0(t)LPFcosωct

图 1-4 DSB解调原理框图

(1) 当恢复载波与原载波频率不完全一样时，解调信号是原基带信号与低频正弦波的乘积；

(2) 若恢复载波与原载波频率相同，而相位不同时，输出信号达不到最大值。

2 数字通信系统的仿真原理

数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带

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信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。通常使用键控法来实现数字调制，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。 数字调制：

（1）数字信号通过正弦载波调制成频带信号； （2）数字信号控制正弦载波的某个参量； （3）键控信号：对载波参量的离散调制。 2.1 ASK信号的调制解调原理

调制原理：数字信号对载波振幅调制称为振幅键控即 ASK（Amplitude－Shift Keying），OOK就是用单极性不归零码控制正弦载波的开启与关闭，实现非常简单，抗噪声性能不好。ASK有两种实现方法：1.乘法器实现法2.键控法。乘法器实现法的输入是随机信息序列，经过基带信号形成器，产生波形序列，乘法器用来进行频谱搬移，相乘后的信号通过带通滤波器滤除高频谐波和低频干扰。键控法是产生ASK信号的另一种方法。二元制ASK又称为通断控制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控制载波振荡器的输出而获得。

Acosctna(tnT)nb脉冲成型低通滤波器an取值为1或0b(t)gT(t)nagnSook(t)T(tnTb)

图 1-8 ASK乘法器实现法框图

解调原理：ASK的解调有两种方法：1.包络检波法2.相干解调。同步解调也称相干解调,信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，乘法器进行频谱反向搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰。由于AM信号波形的包络与输入基带信号

成正比，故也可以用包络检波的方法恢复原始调制信

号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成。

相干解调框图和包络检波框图分别如图4-9和图4-10：

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S(t)带通滤波相乘电路cos(ω0t)低通滤波抽样判决A(t)

图 1-9 ASK相干解调框图

S(t)带通滤波全波整流低通滤波

抽样判决A(t)

图 1-10 ASK包络检波框图

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四. 通信系统仿真结果及分析

5.1 模拟通信系统结果分析

Simulink仿真流程（完成的Simulink总体框图、每个模块所在位置及参数设置的说明，自定义模块的框图及参数） 5.1.1 AM模拟通信系统 5.1.1.1 AM相干解调框图

图 5-1 AM相干解调框图

信源参数参数：幅度1 频率10rad/s 载波参数：幅度1 频率100rad/s

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s LPF参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.01 5.1.1.2 AM包络检波解调框图

图 5-2 AM包络检波框图

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信源参数：幅度1 频率10rad/s 载波参数：幅度1 频率100rad/s

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s LPF参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.01 全波整流器参数参数：下限0 上限inf 5.1.2 DSB模拟通信系统 5.1.2.1 DSB相干解调框图

图 5-3 DSB相干解调框图

信源参数参数：幅度1 频率10rad/s 载波参数：幅度1 频率100rad/s

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s LPF参数：截止频率 10rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.01

图 5-4 SSB滤波法USB框图

5.1.3.2 滤波法LSB框图

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5.2 仿真结果框图

5.2.1 AM模拟系统仿真结果 5.2.1.1 AM相干解调波形

上：解调波形 下：信源波形

图 5-6 AM相干解调波形

5.2.1.2 AM在调制过程中的调制波形

上：调制波形 下：信源波形

图 5-7 AM调制波形

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5.2.1.3 AM包络检波解调波形

上：解调波形 下：信源波形

图 5-8 AM包络检波解调波形

5.2.2 DSB模拟系统仿真结果 5.2.2.1 DSB相干解调波形

上：解调波形 下：信源波形

图 5-9 DSB相干解调波形

5.2.2.2 DSB在调制过程中的调制波形

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上：调制波形 下：信源波形

图 5-10 DSB调制波形

从波形图可以看出，不论是AM、SSB、DSB，由于系统模型经历多个模块，会造成一定的时延。解调过后的信号波形不仅有相位的延迟，而且在幅度上也低于信源波形。AM解调时，应注意滤除直流分量，AM相干解调减去的直流分量与计算结果相符，然而AM包络检波需要减去一个工程值，这个数值并非计算所能得出，需要进行仿真尝试得出。

5.3 数字通信系统结果分析

Simulink仿真流程（完成的Simulink总体框图、每个模块所在位置及参数设置的说明，自定义模块的框图及参数） 5.3.1 ASK数字通信系统

5.3.1.1 ASK模拟相乘法、相干解调框图

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图 5-14 ASK模拟相乘法、相干解调框图

信源参数：0码概率 0.5 采样时间1s 载波参数：幅度1 频率100rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.001

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s LPF参数：截止频率10rad/s 判决器参数：门限0.25

5.3.1.2 ASK模拟相乘法、包络检波解调框图

图 5-15 ASK模拟相乘法、包络检波解调框图

信源参数：0码概率 0.5 采样时间1s 载波参数：幅度1 频率100rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.001

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s

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LPF参数：截止频率10rad/s 判决器参数：门限0.25

全波整流器参数：下限0 上限inf 5.3.1.3 ASK键控法、相干解调框图

图 5-16 ASK键控法、相干解调框图

信源参数：0码概率 0.5 采样时间1s 载波参数：幅度1 频率100rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.001

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s LPF参数：截止频率10rad/s 判决器参数：门限0.25 键控器参数：门限1 U2≥门限 5.3.1.4 ASK键控法、包络检波解调框图

图 5-17 ASK键控法、包络检波解调框图

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信源参数：0码概率 0.5 采样时间1s 载波参数：幅度1 频率100rad/s 高斯白噪声参数：均值0 标准差0.001

BPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/s LPF参数：截止频率10rad/s 判决器参数：门限0.25 键控器参数：门限1 U2≥门限 全波整流器参数：下限0 上限inf

5.4 仿真结果框图

5.4.1 ASK数字系统仿真结果

5.4.1.1 ASK模拟相乘法调制相干解调波形

上：信源波形 下：解调信号波形

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图 5-26 ASK模拟相乘法调制相干解调波形

5.4.2.1 ASK模拟相乘法调制包络检波法解调波形

上：信源波形 下：解调信号波形

图 5-27 ASK模拟相乘法调制包络检波法解调波形

5.4.2.2 ASK键控法调制相干解调波形

上：信源波形 下：解调信号波形

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图 5-28 ASK键控法解调波形

5.4.2.3 ASK键控法调制包络检波法解调波形

上：信源波形 下：解调信号波形

图 5-29 ASK键控法调制包络检波法解调波形

5.4.2.4 ASK在调制过程中调制信号波形与信源波形

上：信源波形 下：调制信号波形

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图 5-30 ASK调制波形

五、实验报告要求

实验报告应包括实验目的、实验内容、程序清单、运行结果以及实验的收获与体会

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