課程設(shè)計---fdma通信模型仿真

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 報 告</p><p>　　課程名稱： 數(shù)字通信課程設(shè)計 </p><p>　　設(shè)計名稱： FDMA通信模型仿真 </p><p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書</p><p>　　設(shè)計名稱： FDMA通信模型仿真

2、 </p><p>　　課 程 設(shè) 計 學(xué) 生 日 志</p><p>　　FDMA通信模型仿真</p><p><b>　　設(shè)計目的和意義</b></p><p>　　綜合運(yùn)用本課程的理論知識進(jìn)行頻譜分析以及濾波器設(shè)計，通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，并利用MATLAB作為編程工具進(jìn)行計算機(jī)實(shí)現(xiàn)

3、FDMA通信，至少能同時傳輸三路語音信號，實(shí)現(xiàn)三路語音信號的調(diào)制與解調(diào)，并恢復(fù)出原來的三路語音信號。從實(shí)踐上初步實(shí)現(xiàn)了對數(shù)字信號的處理</p><p><b>　　設(shè)計原理</b></p><p>　　根據(jù)要求，F(xiàn)DMA通信模型如圖所示</p><p>　　FDMA三路信號的具體模型</p><p>　　頻分多址（FDM

4、A）是一種以傳輸信號的載波頻率的不同劃分來建立多址接入的方法。該系統(tǒng)的模型如圖：</p><p><b>　　2、模型分析</b></p><p>　　因信號的時域特征不太明顯，不易對信號進(jìn)行分析，特別是錄制的語音信號更是如此。而信號的頻率特征清晰可見，為信號的分析提供了有效的途徑。因而可以在頻域上比較和分析信號傳輸前后的特征變化。</p><p&

5、gt;　　假設(shè)系統(tǒng)創(chuàng)數(shù)以連續(xù)非周期信號f（t），琪頻率表征為傅立葉變換，則該信號的傅立葉變換為</p><p>　　為了有效的進(jìn)行FDMA通信，需將該信號進(jìn)行調(diào)制，即需將該信號與高頻載波信號相乘，所得信號的傅立葉變換為</p><p>　　比較上面兩式可得，時域上原始信號與高頻載波信號相乘，在頻域上就是一個頻譜搬移的過程，即原始信號的頻譜線被線性的包一道正負(fù)載頻的頻率點(diǎn)上。</p&g

6、t;<p>　　由上分析，我們不難看出，當(dāng)系統(tǒng)同時傳輸多路信號時，所傳輸?shù)膹?fù)信號就可以表示為</p><p>　　其中、、……信號；、、……高頻載波；復(fù)用信號。</p><p>　　由于高頻載波把各信號的頻譜搬移到不同的頻段，復(fù)用信號的頻譜為各信號頻譜的疊加，因此，只要傳輸該復(fù)用信號便可在同一信道上實(shí)現(xiàn)多路信號的同時傳輸，傳輸完成后，通過選擇合適的帶通濾波器，即可獲得各個已調(diào)

7、信號。再進(jìn)行解調(diào)，即將各個已調(diào)信號分別乘以各自的高頻載波信號，這樣，原始低頻信號被移到低頻段。最后通過選擇合適的低通濾波器恢復(fù)出各原始語音信號，從而實(shí)現(xiàn)FDMA通信傳輸。</p><p><b>　　詳細(xì)設(shè)計步驟</b></p><p>　　根據(jù)以上原理分析，在Matlab 環(huán)境中，利用編程方法對FDMA通信模型進(jìn)行仿真研究。</p><p>

8、　　首先我們要通過matlab錄制三段語音，對錄制的語音進(jìn)行頻譜分析，找出各信號的主頻率，結(jié)合分析的結(jié)果，為盡可能完整的恢復(fù)原信號和防止譜間干擾，為防止鄰路信號的相互干擾，相鄰兩路間還要留有防護(hù)頻帶，因此各路載頻之間的間隔應(yīng)為每路信號的頻帶與保護(hù)頻帶之和。確定各語音信號的高頻載波頻率。對復(fù)用信號進(jìn)行頻譜分析，確定選用的帶通濾波器的類型以及設(shè)計濾波器的各種參數(shù)，結(jié)合所得參數(shù)、針對各路信號設(shè)計出所需要的濾波器，對復(fù)用信號進(jìn)行帶通濾波，得到各

9、信號的調(diào)制信號，對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)后，根據(jù)對信號頻譜分析得到的參數(shù)設(shè)計出合適的低通濾波器，還原出原始信號。</p><p>　?。?）Matlab支持麥克風(fēng)，可直接進(jìn)行聲音的錄制，要求至少獲取3路語音信號。</p><p>　?。?）將各路語音信號分別與各自的高頻載波信號相乘，由于各高頻載波信號將各語音信號頻譜移到不同頻段，復(fù)用信號頻譜為各信號頻譜的疊加，因此，只需傳輸該復(fù)用信號便可在同一

10、信道上實(shí)現(xiàn)各路語音信號的同時傳輸。</p><p>　?。?）傳輸完成后，通過選擇合適的帶通濾波器，即可獲得各個已調(diào)信號。</p><p>　?。?）再進(jìn)行解調(diào)，即將各個已調(diào)信號分別乘以各自的高頻載波信號，這樣，原始低頻信號被移到低頻段。</p><p>　　（5）最后通過選擇合適的低通濾波器恢復(fù)出各原始語音信號，從而實(shí)現(xiàn)FDMA通信傳輸。</p>&

11、lt;p><b>　　設(shè)計結(jié)果及分析</b></p><p>　　經(jīng)過不斷的修改調(diào)試，在matlab上仿真頻分多址通信模型取得了較好的效果，錄音的聲音在經(jīng)過調(diào)試和解調(diào)后原來信號比較接近。在設(shè)計中要想得到與原來信號相接近的信號就必須注重帶通和低通濾波器的參數(shù)設(shè)置。但是在我這個仿真過程中存在比較多的失真由于存在頻譜混疊等造成的，各信號頻譜混疊部分均在高頻部分，恢復(fù)信號在附近的波峰變化最快，

12、頻率的最高的區(qū)域，引起高頻失真。因?yàn)樵阡浺羝陂g存在高與語音信號的噪聲存在。還有的失真原因就是頻間干擾，可以通過加大采樣頻率的方法，減小失真。</p><p><b>　　體會</b></p><p>　　這次課程設(shè)計的主要任務(wù)是在matlab的環(huán)境下，利用編程方法對FDMA通信模型進(jìn)行仿真。通過此次課程設(shè)計，我對FDMA有了深刻的理解和認(rèn)識，頻分多址（FDMA）其實(shí)就

13、是一種以傳輸信號的載波頻率的不同劃分來建立多址接入的方法，更重要的是對數(shù)字信號處理這門課程有了進(jìn)一步的認(rèn)識，加深了理解，鞏固了所學(xué)的的知識，在設(shè)計數(shù)字濾波器模塊上，與以前有所不同，濾波器的參數(shù)是需要自己去確定的，在這個問題上了，我思考了很多，查閱了很多資料，在這一過程中，我也學(xué)到了很多東西，在設(shè)計濾波器時，根據(jù)要求選擇的合適的參數(shù)顯得十分的重要，對頻譜有了深刻的認(rèn)識。該次課程設(shè)計是利用課堂所學(xué)的知識來解決一個實(shí)際的問題，生動有趣，提到了

14、我們運(yùn)用知識的能力。通過課程設(shè)計，對于的自己的編程技巧是一個很大的提高，如何讓程序變得簡潔、如何讓界面變得更加人性化的設(shè)計是一種鍛煉，同時也是一個娛樂的過程。在對matlab的認(rèn)識和運(yùn)用也有了進(jìn)步，深刻體會到了matlab在仿真和計算中的強(qiáng)大功能，matlab包含了豐富的庫函數(shù)，學(xué)會熟悉利用這些函數(shù)對于現(xiàn)在和今后的學(xué)習(xí)是很有作用的，在這次課程設(shè)計中，wavrecord、wavplay、wav</p><p>　　

15、在這次的數(shù)字信號課程設(shè)計當(dāng)中，調(diào)試過程中出現(xiàn)了很多小問題，以下是我在設(shè)計當(dāng)中遇到的問題：在濾波的時候，由于頻率范圍的認(rèn)定錯誤，導(dǎo)致了頻率混疊，產(chǎn)生了很大的失真，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、測試參數(shù)才能夠較好的不失真恢復(fù)信號，在最后的解調(diào)過程當(dāng)中，信號2總是聲音過小，后來在調(diào)制的時候加大信號的幅值，問題得以解決。</p><p>　　這次設(shè)計，不僅使我溫習(xí)了數(shù)字信號的理論知識，同時通過實(shí)踐應(yīng)用加深我對理論知識的理解，增加了思考和

16、動手的能力，課程設(shè)計作為一種教學(xué)方式，很值得我們學(xué)習(xí)過程中多次運(yùn)用 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】程佩青.數(shù)字信號處理教程（第三版）.清華大學(xué)出版社</p><p>　　【2】朱仁峰.精通matlab7.清華大學(xué)出版社</p><p>　　【3】張威.matlab基礎(chǔ)與編程入門

17、（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　【4】曹志剛.現(xiàn)代通信原理.清華大學(xué)出版社</p><p>　　【5】劉樹堂.信號與系統(tǒng)（第二版）西安交通大學(xué)出版社</p><p><b>　　【6】百度文庫</b></p><p>　　附錄 （程序代碼、結(jié)果）</p><p><b

18、>　　1、獲取錄音文件</b></p><p>　　fs=44100; %聲音的采樣頻率為44.1khz</p><p>　　duration=3; %錄音的時間</p><p>　　fprintf('按任意鍵開始錄音1:\n');<

19、;/p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fprintf('錄音中……\n');</p><p>　　Uo1=wavrecord(duration*fs,fs); %duration*fs每次獲得總的采樣數(shù)為132300,保存聲音</p><p>　　fprintf('

20、;放音中……\n'); %文件名為s1,以下類同.</p><p>　　wavplay(Uo1,fs);</p><p>　　fprintf('錄音1播放完畢。\n');</p><p>　　wavwrite(s Uo1,fs,'sound1.wav'); %將錄音文件保存為wav格式的聲音文件，下同

21、</p><p>　　fprintf('按任意鍵開始錄音2:\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fprintf('錄音中……\n');</p><p>　　Uo2=wavrecord(duration*fs,fs);</p><

22、;p>　　fprintf('放音中……\n');</p><p>　　wavplay(Uo2,fs);</p><p>　　fprintf('錄音2播放完畢。\n');</p><p>　　wavwrite(Uo2,fs,'sound2.wav');</p><p>　　fprintf(&

23、#39;按任意鍵開始錄音3:\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fprintf('錄音中……\n');</p><p>　　Uo3=wavrecord(duration*fs,fs);</p><p>　　fprintf('放音中……\n'

24、;);</p><p>　　wavplay(Uo3,fs);</p><p>　　fprintf('錄音3播放完畢。\n');</p><p>　　wavwrite(Uo3,fs,'sound3.wav');</p><p>　　2、聲音樣本的時域和頻域分析</p><p>　　fs=4

25、4100; %聲音的采樣頻率為44.1khz</p><p>　　duration=3; </p><p>　　t=0:duration*fs-1; %總的采樣數(shù)</p><p>　　[u1,fs]=wavread('sound1.wav&

26、#39;); %打開保存的錄音文件</p><p>　　[u2,fs]=wavread('sound2.wav');</p><p>　　[u3,fs]=wavread('sound3.wav');</p><p>　　figure(1) %圖一為

27、三個聲音樣本的時域波形</p><p>　　subplot(3,1,1)</p><p>　　plot(t,u1);xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('三個聲音樣本的時域波形');</p><p>　　subplot(3,1,2)<

28、/p><p>　　plot(t,u2);xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(3,1,3)</p><p>　　plot(t,u3);xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　figure

29、(2) %圖二為三個聲音樣本的頻譜分析</p><p>　　subplot(3,1,1)</p><p>　　stem(t,abs(fft(u1)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度'); %fft對聲音信號進(jìn)行快速傅里葉變換</p>&

30、lt;p>　　title('三個聲音樣本的頻譜分析');</p><p>　　subplot(3,1,2)</p><p>　　stem(t,abs(fft(u2)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(3,1,3)</p

31、><p>　　stem(t,abs(fft(u3)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　3、調(diào)制,將三個聲音信號用高頻載波</p><p>　　x1=4*s1'.*cos(2*pi*4000*t/fs);</p><p>　　x2=4*

32、s2'.*cos(2*pi*11000*t/fs);</p><p>　　x3=4*s3'.*cos(2*pi*18000*t/fs);</p><p>　　subplot(3,1,1);</p><p>　　stem(t,abs(fft(x1)));xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</

33、p><p>　　title('調(diào)制后各路語音信號頻譜')</p><p>　　subplot(3,1,2);</p><p>　　stem(t,abs(fft(x2)));xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(3,1,3);;</p&g

34、t;<p>　　stem(t,abs(fft(x3)));xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度')</p><p>　　s=x1+x2+x3;%復(fù)用信號頻譜為各信號頻譜的疊加</p><p>　　figure(3)%圖三為復(fù)用信號的頻譜分析</p><p>　　ste

35、m(t,abs(fft(s)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('復(fù)用信號的頻譜分析');</p><p><b>　　4、帶通濾波器設(shè)計</b></p><p>　　Rp=0.5;Rs=40;

36、 %用切比雪夫設(shè)計帶通濾波器1； </p><p>　　Wp1=[4000 8000]/22050; %fs/2=22050 </p><p>　　Ws1=[3800 8500]/22050;</p><p>　　[n1,Wn1]=cheb2ord(

37、Wp1,Ws1,Rp,Rs); %契比雪夫2型濾波器的最小階和截止頻率Wn Wp</p><p>　　%和Ws分別是通帶和阻帶的拐角頻率(截止頻率)， Rp和Rs分別是通帶阻帶區(qū)的波紋系數(shù)</p><p>　　[b1,a1]=cheby2(n1,Rs,Wn1); % [b,a] = cheby2(n,Rs,Wn)返回截止頻率為Wn(單位為弧度/秒)</p><p>

38、<b>　　%的n階</b></p><p>　　[h1,w1]=freqz(b1,a1);</p><p>　　mag1=abs(h1);</p><p>　　db1=20*log10((mag1+eps)/max(mag1));</p><p>　　Wp2=[9000 13000]/22050;

39、 %用切比雪夫設(shè)計帶通濾波器2； </p><p>　　Ws2=[8000 14000]/22050;</p><p>　　[n2,Wn2]=cheb2ord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);</p><p>　　[b2,a2]=cheby2(n2,Rs,Wn2);</p><p>　　[h2,w2]=freqz(b2,a2)

40、;</p><p>　　mag2=abs(h2);</p><p>　　db2=20*log10((mag2+eps)/max(mag2));</p><p>　　Wp3=[14500 18500]/22050; %用切比雪夫設(shè)計帶通濾波器3； </p><p&

41、gt;　　Ws3=[14000 19000]/22050;</p><p>　　[n3,Wn3]=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);</p><p>　　[b3,a3]=cheby2(n3,Rs,Wn3);</p><p>　　[h3,w3]=freqz(b3,a3);</p><p>　　mag3=abs(h3);</p

42、><p>　　db3=20*log10((mag3+eps)/max(mag3));</p><p>　　figure(4);</p><p>　　subplot(3,1,1);</p><p>　　plot(w1/pi,db1);axis([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg

43、|H(ejw)|'); % axis函數(shù)通常在繪圖中用于</p><p><b>　　%設(shè)置坐標(biāo)值范圍</b></p><p>　　title('用切比雪夫2型設(shè)計三個帶通濾波器');</p><p>　　subplot(3,1,2);</p><p>　　plot(w2/pi,db2);axis

44、([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg|H(ejw)|');</p><p>　　subplot(3,1,3);</p><p>　　plot(w3/pi,db3);axis([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg|H(ejw)|');&

45、lt;/p><p>　　y1=filter(b1,a1,s); %濾出三路未解調(diào)信號</p><p>　　y2=filter(b1,a1,s);</p><p>　　y3=filter(b1,a1,s);</p><p><b>　　5、解調(diào)</b></p><

46、;p><b>　　fs=44100</b></p><p>　　y01=y1.*cos(2*pi*4000*t/fs); %各個已調(diào)信號分別乘以各自</p><p>　　y02=y2.*cos(2*pi*11000*t/fs);%的高頻載波信號</p><p>　　y03=y3.*cos(2*pi*18000*t/f

47、s);</p><p>　　figure(5) %圖五為解調(diào)后3路信號各自的頻譜圖</p><p>　　subplot(311)</p><p>　　stem(t,abs(fft(y01)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p&g

48、t;　　title('解調(diào)后3路信號各自的頻譜圖');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　stem(t,abs(fft(y02)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p>&

49、lt;p>　　stem(t,abs(fft(y03)),'.');xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p><b>　　6、低通濾波</b></p><p>　　Rp=0.5; %低通濾波器參數(shù)選擇</p><p><b>　　

50、Rs=40;</b></p><p>　　Wp1=3400/(22050);</p><p>　　Ws1=4000/(22050);</p><p>　　[n1,Wn1]=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs); %采用切比雪夫2型(cheby2)帶通濾波器</p><p>　　[b1,a1]=cheby2(n1,R

51、s,Wn1);</p><p>　　[h1,w1]=freqz(b1,a1);</p><p>　　mag1=abs(h1);</p><p>　　db1=20*log10((mag1+eps)/max(mag1));</p><p>　　figure(6) %圖六為低通濾波器的頻率響應(yīng)</p><p&

52、gt;　　plot(w1/pi,db1);axis([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg|H(ejw)|');</p><p>　　title('低通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　7、恢復(fù)信號的時域波形和頻譜分析</p><p>　　yy1=filter(b1

53、,a1,y01);</p><p>　　yy2=filter(b1,a1,y02);</p><p>　　yy3=filter(b1,a1,y03);</p><p>　　figure(7) %圖七為恢復(fù)信號的時域波形</p><p>　　subplot(311)</p><p>　　plot(t

54、,yy1);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p><p>　　title('恢復(fù)信號的時域波形');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　plot(t,yy2);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p

55、><p>　　subplot(313)</p><p>　　plot(t,yy3);xlabel('單位：s');ylabel('幅度'); </p><p>　　figure(8) %圖八為恢復(fù)信號的頻譜分析</p><p>　　subplot(311)</p><p&

56、gt;　　stem(t,abs(fft(yy1)));xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('恢復(fù)信號的頻譜分析');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　stem(t,abs(fft(yy2)));xlabel('單位:Hz&

57、#39;);ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p><p>　　stem(t,abs(fft(yy3)));xlabel('單位:Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　wavplay(yy1,fs); %恢復(fù)聲音信號的再現(xiàn)</p>