yjf通信原理课程设计报告.docx
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yjf通信原理课程设计报告
长沙理工大学
《通信原理》课程设计报告
杨健芳
院系城南学院专业通信工程
班级通信0902学号200985250206
学生姓名杨健芳指导教师胡双红
课程成绩完成日期2012年3月16日
课程设计成绩评定
院系城南学院专业通信工程
班级通信0902学号200985250206
学生姓名杨健芳指导教师胡双红
完成日期2012年3月16日
指导教师对学生在课程设计中的评价
评分项目
优
良
中
及格
不及格
课程设计中的创造性成果
学生掌握课程内容的程度
课程设计完成情况
课程设计动手能力
文字表达
学习态度
规范要求
课程设计论文的质量
指导教师对课程设计的评定意见
综合成绩指导教师签字年月日
课程设计任务书
计算机与通信工程系通信工程专业
课程名称
数字信号处理课程设计
时间
2011~2012学年第二学期1~2周
学生姓名
杨健芳
指导老师
胡双红
题目
吹管音乐滤波去噪——使用BOHMANWIN设计的FIR滤波器
主要内容:
从网站上下载一段吹管乐器演奏音乐,绘制波形并观察其频谱特点,加入一个带外单频噪声,用BOHMANWIN窗设计满足指标的FIR滤波器,对该音乐信号进行滤波去噪处理,比较滤波前后波形和频谱并进行分析,根据结果和学过的理论得出合理结论。
与不同信源相同滤波方法的同学比较各种信源的特点,与相同信源不同滤波方法的同学比较各种滤波方法性能优劣。
要求:
(1)滤波器指标必须符合工程实际。
(2)设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。
(3)处理结果和分析结论应该一致,而且应符合理论。
(4)独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。
应当提交的文件:
(1)课程设计学年论文。
(2)课程设计附件(主要是源程序)。
吹管音乐滤波去噪
——使用OHMANWIN的FIR滤波器
学生姓名:
杨健芳指导老师:
胡双红
空行
摘要本课程设计主要内容是设计利用OHMANWIN设计一个FIR滤波器,对一段含噪语音信号进行滤波去噪处理并根据滤波前后的波形和频谱分析滤波性能。
本课程设计仿真平台为MATLAB7.0,开发工具是M语言编程。
首先利用**工具录制一段语音信号,加入一单频噪声,对信号进行频谱分析以确定所加噪声频率,设计滤波器进行滤波去噪处理,比较滤波前后的波形和频谱并进行分析。
由分析结果可知,滤波器后的语音信号与原始信号基本一致,即设计的FIR滤波器能够去除信号中所加单频噪声,达到了设计目的。
空行
关键词滤波去噪;FIR滤波器;三角窗;MATLAB
空行
1引言
本课程设计主要解决在含噪情况下对语音信号的滤波去噪处理,处理时采用的是利用窗口设计法选择三角窗设计的FIR滤波器[1]。
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以下为院里给的通用模板未经修改
每个1、2级小节前空1行,不允许出现3级小节
1.1课程设计目的
在程序设计中,可以用两种方法解决问题:
一是传统的结构化程序设计方法,二是更先进的面向对象程序设计方法[2]。
在结构化程序设计中关键是如何将问题域中的行为(即操作)抽取出来,作为C++程序中的函数。
由于多个函数均需要访问某些数据,这些数据常被设计为全局变量。
而在面向对象程序设计中关键是如何将问题域中的实体(即日常所见的概念)抽取出来,作为C++程序中的类,而属性与行为作为类的两类要素通常是必不可少的,甚至还应考虑类必须满足的约束。
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(4)常用的流输入/输出函数
输入、输出流类库函数的数量非常多,相对常用的如表3-1所示。
表3-1常用输入、输出流类库函数
函数声明
功能声明
Intget();
读入下一个字符,带回其int型码值(0-0xff)相当于C语言中的getchar()。
Intpeek();
功能同上,但并不后移其指针,所以若连续多次用peek()将读入同一个字符。
istream&get(char&);
功能同上,但值以引用型字符带回。
istream&read(char*,int);
读入一个字串,长度由int给出。
ostream&put(char);
输出指定的字符。
ostream&write(char*,int);
以第二参数的值为长度输出首参数地址的字符。
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4.2异常处理
程序在执行时经常会出现一些违反设计期望的异常情况(如除零),过去的解决方法是利用操作系统中断代为处理。
由于这种解决方法强行中止了应用程序的运行,一些大型的应用系统的开发人员提出,可以在允许的范围内由应用程序自身来处理一般性的程序运行错误。
C++语言异常处理由三个部分构成。
异常检测的触发、异常检测的捕获和异常检测的处理[3]。
它们分别对应了“try”、“throw”和“catch”三个关键字。
这三者的关系如图4-1所示。
图4-1C++异常处理流程图
被throw语句扔出的数据实际上被压入了相应层的catch语句所对应的堆栈内,最后才被catch语句捕获到的。
当try语句出现嵌套时,情况可能会更加复杂。
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5结束语
以上两个程序中面向对象的程序的优点是显而易见的。
首先程序2避免了使用全局变量,而在程序1中函数select_menu()也同样可以访问全局变量quantity和amount(当然为了避免这种情况发生我们也可以利用文件模块实现封装与信息隐藏)。
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参考文献
[1]G.Perry.C++程序设计教程.北京:
清华大学出版社,1994
[2]李文军,李师贤,周晓聪.C++作为计算机专业程序设计入门语言的实践与探讨.计算机科学,1999,26(4):
80~83
[3]F.BrokkenandK.Kubat.C++Annotations.Version4.4.0m,ICCE,UniversityofGroningen,Netherlands,1990.250~280
[4]周晓聪,李文军,李师贤.面向对象程序设计——实践与提高.中山大学计算机科学学院讲义,1999
[5]粟利民,孙强.如何用VC++和VisualFoxpro进行ActiveX数据通讯.
程序太平洋网站,
著作文献格式:
[序号]作者1,作者2.译者.书名.版次.出版地:
出版社,出版年
期刊文献格式:
[序号]作者.文献名称.期刊名称,出版年,卷(期):
页~页
网站文献格式:
[序号]作者.文献名称.网站名称,网址:
发布或查阅日期
附录1:
语音信号滤波去噪设计源程序清单
%程序名称:
voicenoisefilter.m
%程序功能:
采用基于三角窗的窗口设计法,设计FIR滤波器对含噪语音进行滤波去噪处理。
%程序作者:
谢枫
/%最后修改日期:
2012-3-1
[x,fs,bits]=wavread('e:
\yuyin.wav');%输入参数为文件的全路径和文件名,输出的第一个参数是每个样本的值,fs是生成该波形文件时的采样率,bits是波形文件每样本的编码位数。
sound(x,fs,bits);%按指定的采样率和每样本编码位数回放
N=length(x);%计算信号x的长度
fn=2100;%单频噪声频率,此参数可改
t=0:
1/fs:
(N-1)/fs;%计算时间范围,样本数除以采样频率
x=x';y=x+0.1*sin(fn*2*pi*t);
sound(y,fs,bits);%应该可以明显听出有尖锐的单频啸叫声ASK与PAM混合信号的相干解调系统仿真
学生姓名:
杨健芳指导老师:
肖红光
摘要本课程设计主要用Simulink平台仿真一个ASK与PAM混合信号的相干解调系统,分别在理想信道和非理想信道中运行。
并用图形输入法设计相关电路,用示波器和频谱模块分析系统性能。
在课程设计中,首先根据原理画出图形,然后构建调制解调电路,再在Simulink中调出各元件组成电路,接着设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行,并把运行仿真结果输入显示器,根据显示结果分析所设置的系统性能。
通过波形分析,了解到本课程设计非常成功。
关键词Simulink;ASK;PAM;调制;解调;仿真。
1引言6
1.1课程设计目的6
1.2课程设计具体要求7
1.3设计平台7
2Simulink简介8
2.1Simulink仿真平台简介8
3设计原理9
3.1ASK调制与解调原理9
3.2PAM调制与解调原理10
4具体实现13
4.1ASK与PAM混合调制14
4.2PAM与ASK相干解调18
4.3加入高斯噪声的ASK与PAM混合信号的相干解调19
5遇到的问题及解决的办法24
结束语25
参考文献26
1引言
通信(Communication)就是信息的传递,是指由一地向另一地进行信息的传输与交换,其目的是传输消息。
然而,随着社会生产力的发展,人们对传递消息的要求也越来越高。
在各种各样的通信方式中,利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication),这种通信具有迅速、准确、可靠等特点,且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制,因而得到了飞速发展和广泛应用。
可以预见,未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。
目前,无论是模拟通信还是数字通信,在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。
但是,数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信,成为当代通信技术的主流。
与模拟通信相比,数字通信具有以下一些优点:
抗干扰能力强,且噪声不积累;传输差错可控;便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储;易于集成,使通信设备微型化,重量轻;易于加密处理,且保密性好。
数字通信的缺点是,一般需要较大的带宽。
另外,由于数字通信对同步要求高,因而系统设备复杂。
但是,随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现,数字系统的设备复杂程度大大降低。
同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。
因此,数字通信的应用必将越来越广泛。
本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个ASK与PAM混合信号的相干解调通信系统,分别在理想信道和非理想信道中运行,并把运行仿真结果输入显示器,根据显示结果分析所设计的系统性能。
1.1课程设计的目的
通信原理课程设计是重要的实践性教学环节。
在进行了专业基础课和《通信原理》课程教学的基础上,设计或分析一个简单的通信系统,有助于加深对通信系统原理及组成的理解。
通过课程设计,可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。
并可综合运用这些知识解决一定的实际问题,使我们在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。
同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度,认真的工作作风和团队协作精神。
而在同时也能加深对MATLAB开发环境的另一作用的了解,Simulink功能强大,界面友好,是一款很不错的仿真工具[1],在这次设计中,我们用到了此环境的Simulink平台,这个平台是我们以前较少接触过的。
因此在这次课设中,我们了解了MATLAB的Simulink这个系统的功能。
为我们以后做数字通信系统方面提供了更多的基础知识和经验。
1.2课程设计具体要求
1)构建调制电路,并用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
2)再以调制信号为输入,构建解调电路,用示波器观察调制前后的信号波形,用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
3)在调制与解调电路间加上噪声源,模拟信号在不同信道中的传输:
用高斯白噪声模拟有线信道,噪声源的方差适当设置,分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。
4)在老师的指导下,要求独立完成课程设计的全部内容,并按要求编写课程设计学年论文,能正确阐述和分析设计和实验结果。
1.3设计平台
此设计平台是MATLAB集成环境下的Simulink平台。
Simulink是基于Matlab的框图设计环境,可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真,它的建模范围广泛,可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模,例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等,其中包括了连续、离散,条件执行,事件驱动,单速率、多速率和混杂系统等。
Simulink提供了利用鼠标拖放地方法来建立系统框图模型的图形界面,而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块机集合,利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。
除此之外,Simulink还支持Stateflow,用来仿真事件驱动过程【4】。
Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面,是模块化了的编程工具,它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块,把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。
2Simulink简介
2.1Simulink仿真平台简介
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB®紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
设计仿真模型时,从模型库中选中模块,单击鼠标右键,选择"Addtountitled",或直接把模块拖到仿真模型中,即可加入模块。
Simulink模型库窗口还提供了查找功能,单击
按钮,在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字,单击"FindNext"即可自动搜索整个模型库。
在过去几年中,Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。
Simulink鼓励人们去尝试,可以用它轻松的搭建一个系统模型,并设置模型参数和方针参数,并且立即观察到改变后的方针结果。
3设计原理
3.1ASK调制与解调原理
一般来说,数字调制与模拟调制的基本原理相同,但是数字信号有离散取值的特点。
因此有两种基本调制方法:
一是可以把数字信号当成特殊的模拟信号处理;二是利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现数字调制,称之为键控法[3]。
调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数字调制。
由于被调载波有幅度、频率、相位三个独立的可控参量,当用二进制信号分别调制这三种参量时,就形成了二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)、二进制移相键控(2PSK)三种最基本的数字频带调制信号,而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。
ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变。
在2ASK中,载波的幅度有无分别对应二进制信息“1”和“0”。
2ASK信号的产生方法有两种:
模拟调制法和键控法。
本次设计采用模拟调制。
2ASK解调也有两种方法,分别为非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)[3]。
2ASK信号可表示为:
式中,
为载波角频率,s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列
其中,g(t)是持续时间为
、高度为1的矩形脉冲,常称为门函数;
为二进制数字
。
ASK信号的产生的两种方法(调制方法),如图所示。
图(a)是一般的模拟幅度调制方法;图(b)是一种键控方法,这里的开关电路受控制。
图(c)给出了及的波形示例。
二进制幅度键控信号,由于一个信号状态始终为0,相当于处于断开状态,故又常称为通断键控信号(OOK信号)。
图3.1ASK信号的产生方法
ASK信号解调的常用方法主要有两种:
包络检波法和相干检测法。
而在本设计当中仅用到了相干检测法,其原理图见图3.2。
调制信号经低通滤波滤除第二项高频分量后,即可输出s(t)信号。
低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。
由于噪声影响及传输特性的不理想,低通滤波器输出波形有失真,经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。
图3.22ASK的相干解调原理框图
在选择数字调制和解调方式时,还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。
在2FSK系统中,不需要人为地设置判决门限,它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。
在2PSK系统中,判决器的最佳判决门限电平为零,与接收机输出信号的幅度有关。
因此,它不随信道特性的变化而变化。
这时,接收机容易保持在最佳判决门限状态。
对于ASK系统,判决器的最佳判决门限为a/2(当
时),它与接收机输入信号的幅度有关。
当信道特性发生变化时,接收机输入信号的幅度a将随着发生变化;相应地,判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。
这时,接收机不容易保持在最佳判决门限状态,从而导致误码率增大。
因此,就对信道特性变化的敏感性而言,ASK性能最差。
当信道存在严重的衰落时,通常采用非相干接收,因为这时在接收端不易得到相干解调所需的相干载波。
当发射机有严格的限制时,可考虑采用相干接收。
因为在给定的码元传输速率及误码率的条件下,相干接收所要求的信噪比要比非相干接收
3.2PAM调制与解调原理
PAM类似于AM,用二进制脉冲序列作为载波受控于基带信号的幅度,就是取样定理。
而解调只需通过相关的低通滤波器,滤出基带信号。
(1)幅度调制原理
设脉冲载波以s(t)表示,它是由脉宽为τ秒、重复同期为Ts秒的矩形脉冲串组成,其中Ts是按抽样定理确定的,即有Ts=1/(2
)秒。
其产生方框图为3.3(a)所示,基带信号的波形及频谱如图3.3(b)所示;脉冲载波的波形及频谱如图3.3(c)所示;已抽样的信号波形及频谱如图3.3(d)所示。
图3.3矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱
因为已抽样信号是
与
的乘积,所根据频率卷积定理,可以写出相应的频域表达式:
(3-6)
式(3-6)中
是
的频谱函数,根据
信号的定义可以认为,
表示的矩形脉冲串是由脉宽为τ秒的门函数
与周期性冲激函数
卷积得到,根据频率卷积定理,其相应的时域和频域表达式分别如下:
(3-7)
(2)PAM的解调原理
图3.4矩形脉冲为载波解调原理图
分析式(3-7)可以发现,当
=0时得到的频谱函数为
,与信号
的频谱函数
进行比较,只是差一个比例常数
,因此,采样频率只要满足
,就可以用一个带宽满足
的理想低通滤波器,把
的成分取出来,以不失真地恢复
的波形如图3.4所示。
4具体实现
利用Simulink仿真平台构造出的ASK与PAM混合信号的相干解调系统如4.1所示。
图4.1ASK与PAM混合信号的相干解调仿真图
如仿真图所示,系统设置了四个示波器,分别表示ASK调制,ASK和PAM混合调制,ASK与PAM混合调制后解调和加入三种噪声后的输出信号。
此外,系统中在相应部分接入若干频谱分析模块,便于比较调制前后的信号的频谱变化。
仿真系统架构,不仅要找对每个对应的模块,还要对每个模块进行正确的参数设置。
在这里主要列举相干解调的三个主要模块的参数设置图,如图4.2、4.3、4.4、4.5所示。
图4.2带通滤波器参数设置图4.3低通滤波器1的参数设置
图4.4低通滤波器2的参数设置图4.5抽样判决电平值设置
4.1ASK与PAM混合调制
在仿真系统中,用“BernoulliBinaryGenerator”模块产生随机二进制脉冲序列;用“SineWave”函数产生正弦波作为载波。
此时需将载波频率设为相对高频,具体如下图。
图4.6随机二进制脉冲序列参数设置图4.7正弦波参数设置
再从相应模块调出乘法器“product”。
脉冲与载波两者通过乘法器相乘,即可获得ASK调制信号。
用“PowerSpectralDensity”分析,ASK调制前后的信号频谱如图4.8与图4.9所示;ASK调制的全过程则通过示波器1观察,如图4.10所示。
图4.8ASK调制前频谱图图4.9ASK调制后频谱图
从以上两幅频谱图可以看出,调制前后的功率谱波形基本一致,但是存在一定的延时,由此可得出结论:
调制成功。
图4.10ASK调制波形图
通道1是ASK信号的原始波形,通道2是标准正弦波,通道3是调制后的波形,经过对波形的观察,可以知道该调制过程是成功的。
因为是混合调制,所以将ASK调制信号作为PAM调制的基带信号处理。
另外从Simulink树状图中调出“PulseGenerator”,用来产生二进制脉冲,具体参数设置如图4.11。
两者通过乘法器相乘后,即可得出混合调制信号。
PAM调制前后的信号频谱如图4.12和4.13所示。
混合调制过程则通过示波器2观察得出,如图4.14所示。
图4.11二进制脉冲参数设置图
图4.12PAM调制前频谱图图4.13PAM调制后频谱图
通过对以上两幅图进行比较,调制前后的功率谱波形一致,所以调制成功。
图4.14混合调制过程图
图4.14中通道1是ASK调制后的波形图,通道2是二进制脉冲产生的PAM原始波形图,通道3是混合调制波形图,通道4是混合调制后的信号经过带通滤波器之后的波形,从图中可以看出该调制过程很成功。
4.2PAM与ASK相干解调
将调制信号进行相干解调,为了无失真地恢复原始基带信号,调制信号需要与相同频率的载波相乘,经过低通滤波器去除低频分量,可得到原始的基带调制信号。
相干解调信号模型如图4.15。
具
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