頻譜儀仿真系統(tǒng)設(shè)計報告(樣例

1、哈爾濱商業(yè)大學(xué)課程設(shè)計報告頻譜儀SIMULINK仿真設(shè)計課 程 名 稱 通信原理課程設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 劉文亮 指 導(dǎo) 教 師 蘇曉東 年 級 專 業(yè) 2008級 電子信息工程 學(xué) 院 計算機與信息工程 2011年08月26日課程設(shè)計任務(wù)書姓名：劉文亮學(xué)院：計算機與信息工程班級：2008級1班專業(yè)：電子信息工程課程設(shè)計題目：設(shè)計要求：應(yīng)用MATLAB-Simulink仿真工具箱仿真的工作原理和工作過程，完成信號的調(diào)制解調(diào)作用。要求完整轉(zhuǎn)卻介紹仿真原理、仿真方案、仿真建模方法、仿真參數(shù)設(shè)計；提供充分的仿真實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真原理，對各組仿真結(jié)果進行對比分析。成績評定：文檔格式符合規(guī)范，圖表清晰；

2、整體設(shè)計實現(xiàn)較好，仿真系統(tǒng)布局清晰合理，試驗參數(shù)設(shè)置正確；問題：仿真參數(shù)設(shè)置合理，但沒有說明理由；仿真數(shù)據(jù)不充分；仿真分析不透徹，不完整。成績：及格2011年08月XX日目 錄1仿真問題描述11.1仿真任務(wù)11.2仿真原理12仿真設(shè)計22.1仿真方案22.2仿真建模22.3仿真參數(shù)設(shè)計33仿真實驗43.1仿真環(huán)境、條件43.2實驗數(shù)據(jù)44仿真分析41 仿真原理1.1 仿真任務(wù)應(yīng)用MATLAB-Simulink仿真工具箱仿真的工作原理和工作過程，完成對信號的調(diào)制解調(diào)作用。1.2 仿真原理令調(diào)制波的直流分量為0，即得AM-DSB公式解釋：普通AM的公式：S(t) = A+K*m(t)*c(t)，其

3、中S(t)為調(diào)幅波，A為疊加在調(diào)制波上的直流分量，K為調(diào)制系數(shù)，m(t)為調(diào)制波，c(t)為載波。令上式中A=0，即：S(t) = K*m(t)*c(t)，就是抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-AM）1.2.1 頻譜儀構(gòu)成原理根據(jù)離散傅里葉變換（DFT）與快速傅里葉變換（FFT）原理，來確定頻譜儀的基本構(gòu)成：（1）垂直通道：寬帶前置放大器，后接外差式帶寬極窄的“中頻”放大器，最后是視頻放大器鏈接到垂直偏轉(zhuǎn)板。（2）水平通道：將連接到水平偏轉(zhuǎn)板的掃描鋸齒波電壓與現(xiàn)行掃頻信號同步，線性掃頻信號的頻率范圍為。線性掃頻信號的某個頻率與“中頻”的差值（）剛好能夠通過“中頻”放大器在顯示屏上留下它的蹤跡。由于

4、掃頻信號與顯示器的鋸齒波同步，因此水平刻度顯示出與對應(yīng)的頻率刻度。如果由多個頻率成分組成，則在掃描信號變化的周期里就會使中的各個頻率成分隨著本信號頻率呈線性增長，依次滿足，在顯示屏上留下各自的蹤跡。在水平刻度的相應(yīng)位置，顯示出了頻率為的譜線，并且可以讀出對應(yīng)于的頻率刻度值。由于頻譜儀的價格較貴，因此頻譜儀并不普及。應(yīng)用MATLAB仿真的算法和工具，可以方便地使用所構(gòu)建的頻譜儀進行信號頻域特性分析。1.2.2 離散傅里葉變換原理計算機仿真中的頻譜儀應(yīng)用的是數(shù)字處理中的快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)。在離散傅里葉級數(shù)（DFS）中，離散時間周期序列在時域是離散的n，其頻譜是離散頻率周期序列，在頻域也是

5、離散的k，理論上解決了時域離散和頻域離散的對應(yīng)關(guān)系問題。但由于其在時域和頻域都是周期序列，所以都是無限長序列。無限長序列在計算機運算上仍然是無法實現(xiàn)的。為此我們必須取有限長序列來建立其時域離散和頻域離散的對應(yīng)關(guān)系。（1）DFS的主值序列離散時間周期序列是一個無限長序列，其傅立葉級數(shù)展開式為, (1.1)可以看出時間點序號n是以N為周期的，如果只取其一個周期，稱之為的主值序列：(1.2)主值序列就是一個長度為N的有限長離散時間序列。同理，的DFS也是一個無限長序列，即傅立葉系數(shù)：, (1.3)也可以看出頻率點序號k也是以N為周期的，如果只取其一個周期，稱之為的主值序列：(1.4)主值序列X(k)

6、是一個長度為N的有限長離散頻率序列?？梢姡x散時間周期序列在時域和頻域的主值序列，均為有限長離散序列。且主值序列的長度均為N（即n,k=0,1,2,N-1）。（2）離散傅里葉變換（DFT）的定義在離散傅立葉級數(shù)（DFS）中，取其時域和頻域的主值序列，變換仍然成立。這就是離散傅里葉變換（DFT），即：， (1.5)和其逆變換（IDFT）：，(1.6)可見離散傅里葉變換（DFT）只不過是特殊的離散傅立葉級數(shù)（DFS），如果其時域和頻域都僅取主值序列。離散傅立葉級數(shù)（DFS）中的無限長序列和都是以N為周期的周期序列，所以在計算離散時間周期序列及其頻譜時，可以利用DFS的周期性，只需要在時域和頻域各取

7、一個主值序列，用計算機各計算一個周期中的N個樣值，最后將所得的主值序列和進行周期延拓，即可得到原來的無限長序列和。（3）DFT的推廣由DFT的導(dǎo)入過程可以發(fā)現(xiàn)，DFT不僅可以解決無限長周期序列的計算機運算問題，而且更可以解決有限長序列的計算機運算問題。事實上，對于有限長離散序列，總可以把時域和頻域的變換區(qū)間（序列長度）均取為N（包括適當數(shù)量的補0點），通常把N稱之為等間隔采樣點數(shù)，我們可以把這個N點的變換區(qū)間視為某個周期序列的一個主值序列，直接利用DFT的定義計算其N點變換。在N點DFT中，無論時域還是頻域，變換區(qū)間的采樣點數(shù)都只有N個（即n,k=0,1,2,N-1），所以我們不妨定義一個變換

8、因子(1.7)則DFT的定義式（1.5）和（1.6）可寫成，(k=0,1,2,N-1) (1.8)，(n=0,1,2,N-1) (1.9)例如：有效長度N14的單位矩形序列(10)如下圖所示：圖1 單位矩形序列（有效長度N1=4）如果變換區(qū)間等間隔采樣點數(shù)N16（注意：可以補零延伸為序列有效長度N1的整數(shù)倍），則其16點的DFT頻譜為 ，(k=0,1,2,15)其16點DFT的幅度頻譜圖如下：圖2 單位矩形周期序列的16點DFT當然，如果取變換區(qū)間N32，即在有限長離散時間序列尾部補零更多位，則32點的DFT譜線更密。這是因為增長觀察時間，可提高頻率分辨率。但DFT頻譜的包絡(luò)，始終與非周期序列

9、的離散時間傅立葉變換DTFT的連續(xù)頻譜曲線一致。這又表明DFT是DTFT連續(xù)頻譜的離散化。綜上所述，DFT是數(shù)碼時代信號分析與合成的最重要的工具，理論上講，幾乎所有的物理信號（連續(xù)的或離散的、周期的或非周期的）的傅立葉分析都可以采用DFT實現(xiàn)計算機運算。其離散傅里葉變換（DFT）公式如下： （1-1） （1-2）可以看出，求出離散時域的信號x(n)的N點離散傅里葉變換f(k)，需要次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法運算。當N很大時，大量的計算需要很長時間和很多的設(shè)備資源，影響了它的推廣和應(yīng)用?？焖俑道锶~變換（FFT）表達式中變換因子W的對稱性和周期性： （1-2）將上述計算的復(fù)數(shù)乘法的次數(shù)降低

10、為(N/2)1bN，復(fù)數(shù)加法的次數(shù)降低為N1bN。則計算量銳減，極大地擴展了它的應(yīng)用范圍。2 仿真設(shè)計2.1 仿真方案應(yīng)用頻譜儀觀察兩路正弦信號（頻率分別為12GHz、15GHz,幅度分別為1.0V、0.3V），以及幅度可調(diào)的高斯白噪聲信號（噪聲輸出端連接一個可變衰減器）。兩路正弦信號與噪聲信號相加后送到頻譜儀。（1）頻譜儀應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）完成數(shù)據(jù)流從時域到頻域的變換。（2）希望所研究的譜線內(nèi)容出現(xiàn)在頻譜儀顯示窗的中間部分，能觀察到在頻率軸上譜線的低端和高端的情況，以便于觀察和分析。（3）注意頻譜儀的采樣頻率與被測信號的采樣頻率要一致。2.2 仿真建模（1）數(shù)學(xué)建模 在MATLAB

11、信號處理工具箱中有頻譜儀，正確的參數(shù)設(shè)置后就可以方便地為我使用，稱此為Similink（仿真）方法。 （2-1） （2-2）（2）系統(tǒng)建模 仿真系統(tǒng)構(gòu)建如圖2-1所示。圖2-1 頻譜儀仿真系統(tǒng)示例2.3 仿真參數(shù)設(shè)計表2-1 Signal Generator（信號發(fā)生器）的主要參數(shù)參 數(shù) 名 稱參 數(shù) 值generatorgenerator1Wave form（波形）sinesineAmplitude（幅度）10.3Frequency（頻率）12e915e9Unit（單位）HertzHertz表2-2 Random Number（隨機數(shù)產(chǎn)生器）的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Mean（均值）0Vari

12、ance（方差）1Sample Time（采樣時間）1e-11表2-3 dB Gain（增益調(diào)節(jié)）的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Gain dB（增益）-30Input signal（輸入信號）Amplitude（幅度）表2-4 Spectrum Scopes（頻譜儀）的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Buffer size(緩存長度)1024Buffer overlap(緩存交疊)512FFT size（FFT長度）1024Number of spectral averages譜（計算）平均（點）數(shù)10Frequency units（頻率單位）HertzFrequency range（頻率范圍）0Fs/2Amplitude scaling（幅度刻度）dBInherit sample increment from input（繼承輸入采樣時間）Minimum Y-Limit（Y軸最小值）-50Maximum Y-Limit（Y軸最小值）40注：零階采樣保持電路的采樣時間設(shè)置為2e-11s。3 仿真實驗3.1 仿真環(huán)境、條件基于計算機的MATLAB仿真條件，不受環(huán)境影響。3.2 實驗數(shù)據(jù)4 仿真分析產(chǎn)生一個均值為0，Random Number（隨即產(chǎn)生器）方差為1，采樣時間為1e-11s的高斯白噪聲，dB Gain(增益調(diào)節(jié))改變噪聲的電平。這種仿真頻譜儀可顯示與實際頻譜儀觀察到