基于matlabsimulink模塊微弱信號(hào)仿真

1、基于matlab和simulink關(guān)于信號(hào)調(diào)制解調(diào)及濾波的仿真實(shí)驗(yàn) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程 導(dǎo) 師： 指導(dǎo)教師： 微弱信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)姆抡鎸?shí)際生產(chǎn)生活中，許多信號(hào)源并不是那么的強(qiáng)，甚至很弱；要么就是信號(hào)在長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中常常會(huì)因能量泄漏而造成信號(hào)越來(lái)越弱。那么人們對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理的呢？其實(shí)際就是將微弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)、濾波等環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。本文就是基于matlab及其simulink模塊來(lái)針對(duì)這一種情況進(jìn)行讓真試驗(yàn)。其中simulink是matlab模塊之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀

2、的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。基于此本文也主要運(yùn)用simulink來(lái)進(jìn)行微弱信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)姆抡嬖囼?yàn)。各個(gè)仿真模型模塊的建立以及相關(guān)原理一：在調(diào)制之前是否加噪聲對(duì)比1、 調(diào)制 所謂調(diào)制，就是將各種數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(hào)(已調(diào)信號(hào))，用基帶信號(hào)去控制載波信號(hào)的某個(gè)或幾個(gè)參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號(hào)傳輸。調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)變換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，這就意味著把基帶信號(hào)（信源

3、）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)。該信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。調(diào)制可以通過(guò)使高頻載波隨信號(hào)幅度的變化而改變載波的幅度、相位或者頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此次仿真實(shí)驗(yàn)中，采用調(diào)幅調(diào)制，使載波的幅度隨著調(diào)制信號(hào)的大小變化而變化的調(diào)制方式。根據(jù)作業(yè)原始信號(hào)為幅值為1.5、頻率為5hz的正弦信號(hào)；調(diào)制信號(hào)為幅值為1.5，頻率為100hz的高頻正弦信號(hào)；干擾信號(hào)為服從高斯分布的隨機(jī)信號(hào)，均值為0，方差為0.05的基本要求首先得出調(diào)制的仿真模型及其調(diào)制原理。1） 不加噪聲的調(diào)制模型圖1.0不加噪聲的調(diào)制模型圖2）加噪聲的調(diào)制模型圖1.1加噪聲調(diào)制仿真模型2) 各信號(hào)及其波形：1 原信號(hào)

4、：加噪聲與否并不影響原信號(hào)波形都一樣，皆為頻率,幅值為1.5的正弦信號(hào)，其波形如圖1.2所示：圖1.2原信號(hào)波形圖2 噪聲：服從高斯分布的隨機(jī)信號(hào)，均值為0，方差為0.05，圖1.3隨機(jī)噪聲信號(hào)波形圖3 載波信號(hào)：的高頻正弦信號(hào)圖1.4載波信號(hào)波形圖4 調(diào)制后信號(hào)：圖1.5加噪聲調(diào)制后的信號(hào)波形圖圖1.6不加噪聲調(diào)制后的信號(hào)波形圖3) 各信號(hào)波形以及調(diào)制原理分析：原信號(hào)為頻率為5hz的低頻正弦信號(hào)，載波信號(hào)為頻率為100hz的高頻正弦信號(hào)。由各波形圖，載波信號(hào)比原信號(hào)密集，單位時(shí)間傳播的信號(hào)數(shù)比原信號(hào)多。經(jīng)過(guò)調(diào)制后，由調(diào)制后波形圖可看出，信號(hào)波形的頻率和載波信號(hào)一致，而信號(hào)波形的包絡(luò)線與原信號(hào)

5、波形基本一致。其中的波形有輕微的波動(dòng)則是由于噪聲影響而引起的。根據(jù)調(diào)幅調(diào)制的原理，調(diào)幅使載波的振幅按照所需傳送信號(hào)的變化規(guī)律而變化，但頻率保持不變。2、解調(diào)所謂解調(diào)，就是在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào)，將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接受者（信宿）處理和理解的過(guò)程。1） 不加噪聲解調(diào)模型圖2.0不加噪聲解調(diào)模型2）加噪聲解調(diào)模型：圖2.1解調(diào)仿真模型2）各信號(hào)及其波形：1 調(diào)制后信號(hào)： 因?yàn)檫@個(gè)是噪音加在調(diào)制之前的解調(diào)模型，所以調(diào)制信號(hào)和上一小節(jié)的加噪聲調(diào)制后信號(hào)一樣，其波形圖和圖1.5一樣。圖2.2加噪聲調(diào)制后的波形圖2 解調(diào)信號(hào)：的高頻正弦信號(hào)圖2.3解調(diào)信號(hào)波形圖3

6、解調(diào)后信號(hào)：經(jīng)解調(diào)后產(chǎn)生的信號(hào)。圖2.4加噪聲解調(diào)后信號(hào)的波形圖圖2.5不加噪聲解調(diào)后信號(hào)的波形圖3） 各信號(hào)波形及解調(diào)原理分析：由解調(diào)信號(hào)圖知，解調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)是一致的。解調(diào)后的信號(hào)波形，其大致輪廓與原信號(hào)波形大致相似。信號(hào)波動(dòng)比較大，是因?yàn)槠鋬?nèi)包含有噪聲、調(diào)制信號(hào)和解調(diào)信號(hào)這三種信號(hào)波，在這些信號(hào)波的影響下，信號(hào)的波動(dòng)較明顯。解調(diào)是從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息的過(guò)程，是調(diào)制的逆過(guò)程。調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)需要一個(gè)頻率和相位與被抑制載波完全一致的正弦振蕩波，使這個(gè)由接收機(jī)復(fù)原的載波和調(diào)幅信號(hào)相乘，這種方式稱(chēng)為同步檢波，也稱(chēng)為相干解調(diào)。3、濾波所謂濾波（wave filtering）指的是將信號(hào)中

7、特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。現(xiàn)代濾波，用模擬電子電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率濾波特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時(shí)，是把信號(hào)看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào)，通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。a、當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做高通濾波器。b、當(dāng)允許信號(hào)中較低頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做低通濾波器。c、設(shè)低頻段的截止頻率為fp1,高頻段的截止頻率為fp2:頻率在

8、fp1與fp2之間的信號(hào)能通過(guò)其它頻率的信號(hào)被衰減的濾波器叫做帶通濾波器；反之，頻率在fp1到fp2的范圍之間的被衰減，之外能通過(guò)的濾波器叫做帶阻濾波器。而本次仿真試驗(yàn)用到的是現(xiàn)代濾波中的低通濾波器。1) 濾波模型模塊：圖3.0不加噪聲濾波模型圖圖3.1加噪聲濾波模型圖2) 低通濾波器設(shè)置：濾波器的作用是可以對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的信號(hào)。而所謂低通濾波器則是指允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。本仿真試驗(yàn)使用的低通濾波器為fir濾波器，又稱(chēng)為非遞歸型濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，在進(jìn)入f

9、ir濾波器前，首先要將信號(hào)通過(guò)a/d器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；為了使信號(hào)處理能夠不發(fā)生失真，信號(hào)的采樣速度必須滿足奈奎斯特定理，一般取信號(hào)頻率上限的4-5倍做為采樣頻率。在matlab的“命令行窗口”中輸入指令fdatool，進(jìn)入濾波器設(shè)計(jì)界面，對(duì)濾波器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：圖3.2濾波器設(shè)置界面然后通過(guò)“file - export to simulink model”將設(shè)計(jì)好的fir濾波器導(dǎo)入simulink模塊中。3) 各信號(hào)及其波形：1 解調(diào)后信號(hào)：同理其波形就是圖2.4的波形。圖3.3加噪聲解調(diào)后的波形圖圖3.4不加噪聲解調(diào)后的波形圖2 經(jīng)濾波后的輸出信號(hào)：圖3.4加噪聲

10、濾波后的輸出信號(hào)波形圖3.5不加噪聲濾波后的輸出信號(hào)波形4) 各信號(hào)波形及濾波原理分析：通過(guò)解調(diào)后的信號(hào)波形與濾波后的信號(hào)波形相比較，后者波形大致是前者的輪廓線。并且，最終輸出信號(hào)除了波峰、波谷處有略微的波動(dòng)外，基本上與原信號(hào)一致。因?yàn)檩d波信號(hào)的幅值的設(shè)置恰好與原信號(hào)一致，因此不需要增益回復(fù)信號(hào)。濾波，對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的信號(hào)，除去高頻信號(hào)，得到原信號(hào)，即可得到驗(yàn)證。二：基于噪聲不同位置輸入情況下，從信噪比、相關(guān)系數(shù)以及頻譜三個(gè)方面比較原信號(hào)和最終輸出信號(hào)1、噪聲在調(diào)制之前輸入 1）信噪比： 把原信號(hào)和最終輸出信號(hào)數(shù)

11、據(jù)導(dǎo)出，令原信號(hào)為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號(hào)為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過(guò)下列程序進(jìn)行信噪比的計(jì)算： x=max(a1); y=max(a2); z=x-y; snr=20*log10 (y/z)；可得：snr=9.1386信噪比的值比較小。因?yàn)樵盘?hào)的幅值為1.5，是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小的值，因而噪聲對(duì)其的影響比較大，從而信噪比的值較小。 2）相關(guān)系數(shù)： 把原信號(hào)和最終輸出信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，令原信號(hào)為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號(hào)為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過(guò)下列程序進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計(jì)算： p=min(min(corrcoef(a1,a2); 可得：p=0.9796 相關(guān)系數(shù)與1相差不是很大。觀察最終輸出信

12、號(hào)的波形圖，波峰、波谷處對(duì)干擾的濾波不完全，因此與原信號(hào)由差異。因?yàn)楦蓴_的影響相對(duì)比較小，因此最終輸出信號(hào)與原信號(hào)的相關(guān)性還是比較大的。 3）相關(guān)頻譜：原信號(hào)頻譜：圖1不加噪聲原信號(hào)頻譜圖圖2加噪聲原信號(hào)頻譜圖濾波后最終輸出信號(hào)頻譜：圖3不加噪聲濾波后信號(hào)頻譜圖圖4加噪聲濾波后信號(hào)頻譜圖由上圖可以看出，原信號(hào)的頻譜圖穩(wěn)定，而最終輸出信號(hào)的頻譜圖不穩(wěn)定，變化無(wú)規(guī)律，但兩者總體變化趨勢(shì)基本一致。雖然信號(hào)中的干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)了濾波處理，但還是有一些影響不可消除。因此不同頻率處由于干擾的存在，能量變化無(wú)規(guī)律，便造成了最終輸出信號(hào)頻譜圖的不穩(wěn)定波動(dòng)，而總體變化滿足正弦信號(hào)頻譜圖變化規(guī)律的要求。2、噪聲在解調(diào)

13、之后，濾波之前輸入1）信噪比： 把原信號(hào)和最終輸出信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，令原信號(hào)為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號(hào)為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過(guò)下列程序進(jìn)行信噪比的計(jì)算： x=max(a1); y=max(a2); z=x-y; snr=20*log10 (y/z)；可得：snr=21.6886信噪比的值比前面一種情況下要大。噪聲是在信號(hào)解調(diào)后加入，解調(diào)后信號(hào)的能量相對(duì)比原信號(hào)的能量值要大，且前者影響整個(gè)信號(hào)的傳輸過(guò)程，因此噪聲的相對(duì)影響比前面一種情況要小。故此，此時(shí)的信噪比變大。 2）相關(guān)系數(shù)： 把原信號(hào)和最終輸出信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，令原信號(hào)為數(shù)據(jù)a1，最終輸出信號(hào)為數(shù)據(jù)a2，在matlab中通過(guò)下列程序進(jìn)行相關(guān)

14、系數(shù)的計(jì)算： p=min(min(corrcoef(a1,a2);可得：p=0.9818相關(guān)系數(shù)與1還有一點(diǎn)差距，但與前者的相關(guān)系數(shù)相比，可以說(shuō)，該種情況下與原信號(hào)的相關(guān)性比前者好。噪聲在信號(hào)解調(diào)后加入，解調(diào)后信號(hào)的能量相對(duì)比原信號(hào)的能量值要大，且前者影響整個(gè)信號(hào)的傳輸過(guò)程，因此噪聲的相對(duì)影響比前面一種情況要小。那么，在波峰、波谷處的波動(dòng)相對(duì)要小。所以相關(guān)性比前者要提高。 3）相關(guān)頻譜：原信號(hào)頻譜：圖5加噪聲原信號(hào)頻譜圖濾波后最終輸出信號(hào)頻譜：圖6不加噪聲原信號(hào)頻譜圖由上圖可以看出，原信號(hào)的頻譜圖穩(wěn)定，而最終輸出信號(hào)的頻譜圖不穩(wěn)定，變化無(wú)規(guī)律，但兩者總體變化趨勢(shì)基本一致。雖然信號(hào)中的干擾信號(hào)經(jīng)

15、過(guò)了濾波處理，但還是有一些影響不可消除。因此不同頻率處由于干擾的存在，能量變化無(wú)規(guī)律，便造成了最終輸出信號(hào)頻譜圖的不穩(wěn)定波動(dòng)，而總體變化滿足正弦信號(hào)頻譜圖變化規(guī)律的要求。3、從表達(dá)式比較分析：調(diào)至之前輸入噪聲時(shí)，解調(diào)后信號(hào)表達(dá)式：；解調(diào)之后、濾波之前輸入噪聲時(shí)的表達(dá)式： 。由以上兩個(gè)表達(dá)式，前者的噪聲乘了個(gè)2.25，噪聲值大于后者，對(duì)信號(hào)的干擾性比后者大。因此，后者在信噪比和相關(guān)系數(shù)上面顯示的效果比前者好。三、心得體會(huì)通過(guò)上次小作業(yè)的基礎(chǔ)奠定，本次仿真實(shí)驗(yàn)變得輕松了許多。當(dāng)然了我所學(xué)到的僅僅是matlab里面的一點(diǎn)皮毛，而且即使是已經(jīng)運(yùn)用過(guò)的simulink模塊，在使用過(guò)程中也有一些的不解之處。所以我認(rèn)為這次大作業(yè)通過(guò)運(yùn)用matlab中的simulink模塊建立各個(gè)仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，加深了對(duì)調(diào)制、解調(diào)和濾波的理解，也深化了我對(duì)matlab的認(rèn)識(shí)，并熟練了simulink操作還學(xué)會(huì)了運(yùn)用fdatool工具箱。具體如下： 首先，我更加清晰明了的認(rèn)識(shí)到simulink能夠提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，并且具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)。還有就是matlab的fdatool工具箱，