实验三基于simulink的通信系统仿真

1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clearall;N=10;Wn=[100200]/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=1000Hzclearall;Wp=100;Rp=3;2Ws=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30dB，抽样频率为1000Hz，并利用最小的阶次实现。clearall;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rp3＝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（RectangleWindow）调用格式：w=boxcar(n)，根据长度n产生一个矩形窗w。（2）三角窗（TriangularWindow）调用格式：w=triang(n)，根据长度n产生一个三角窗w。（3）汉宁窗（HanningWindow）调用格式：w=hanning(n)，根据长度n产生一个汉宁窗w。（4）海明窗（HammingWindow）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（BlackmanWindow）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（KaiserWindow）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[W1W2]的矢量时，本函数将设计带通滤波器，其通带为W1ωW2）、ftype是滤波器的类型（低通-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1,00.4()0,jdHeelseWindow=boxcar(8);b=fir1(7,0.4,Window);freqz(b,1)4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=0.5πWindow=blackman(16);b=fir1(15,[0.30.5],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clearall;loadchirpwindow=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));gridonylabel(‘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。5四实验原理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。1.1AM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)SAM(t)A0cosωct图1-1AM调制原理框图AM信号的时域和频域的表达式分别为:ttmtAttmAtSCCCAMcoscoscos00式（1-1）CCCCAMMMAS210式（1-2）在式中，为外加的直流分量；可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即。其频谱是DSBSC-AM信号的频谱加上离散大载波的频谱。解调原理：AM信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信号。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。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6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。LPFm0(t)SAM(t)cosωct图1-2AM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。1.2DSB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（＝1），调制信号中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号（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。ttmtSCDSBcos式（1-3）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1-3:7m(t)SDSB(t)cosωct图1-3DSB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：CCDSBMMS21式（1-4）（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。LPFm0(t)cosωctSDSB(t)图1-4DSB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8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。2.1ASK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－ShiftKeying），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。脉冲成型低通滤波器nbnnTta)(an取值为1或0tAccos)(tgT)(tSooknbTnnTtgatb)()(图1-8ASK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4-10：9带通滤波相乘电路低通滤波抽样判决S(t