基于MATLAB的頻分多址(FDMA)仿真研究課程設(shè)計(jì)

1、扣扣1074765680*大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課程名稱(chēng)：數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)班級(jí)：電子信息工程學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：二OO年02月數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)一、需求分析1、設(shè)計(jì)題目：在Matlab環(huán)境中，利用編程方法對(duì)FDMA通信模型進(jìn)行仿真研究。2、設(shè)計(jì)要求：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(yǔ)音信號(hào)。將各路語(yǔ)音信號(hào)分別與各自的高頻載波信號(hào)相乘，由于各高頻載波信號(hào)將各語(yǔ)音信號(hào)頻譜移到不同頻段，復(fù)用信號(hào)頻譜為各信號(hào)頻譜的疊加，因此，只需傳輸該復(fù)用信號(hào)便可在同一信道上實(shí)現(xiàn)各路語(yǔ)音信號(hào)的同時(shí)傳輸。傳輸完成后，通過(guò)選擇合適的帶通濾波器，即可獲得各個(gè)已調(diào)信號(hào)。再進(jìn)

2、行解調(diào)，即將各個(gè)已調(diào)信號(hào)分別乘以各自的高頻載波信號(hào)，這樣，原始低頻信號(hào)被移到低頻段。最后通過(guò)選擇合適的低通濾波器恢復(fù)出各原始語(yǔ)音信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)FDMA通信傳輸。3、系統(tǒng)功能分析：此系統(tǒng)要求能實(shí)現(xiàn)FDMA通信，要求至少能同時(shí)傳輸三路語(yǔ)音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三路語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，并恢復(fù)出原來(lái)的三路信號(hào)。二、原理分析和設(shè)計(jì)FDMA通信模型原理：為了有效、可靠地進(jìn)行FDMA通信，需將一高頻載波信號(hào)與原信號(hào)相乘，原始信號(hào)與載頻相乘后，其頻譜被線(xiàn)性移到正負(fù)載頻的頻率點(diǎn)上。基于上述分析，假設(shè)系統(tǒng)現(xiàn)同時(shí)傳輸幾路信號(hào)，由于各高頻載波把各信號(hào)頻譜移段，復(fù)用信號(hào)頻譜為各信號(hào)頻譜的疊加，因此，只需傳輸該復(fù)用信號(hào)便可在同一信

3、道上實(shí)現(xiàn)n路信號(hào)的同時(shí)傳輸，傳輸完成后，通過(guò)n個(gè)合適的帶通濾波器，即可獲得n個(gè)已調(diào)信號(hào)，然后，通過(guò)解調(diào)出各個(gè)信號(hào)，最后，通過(guò)低通濾波器濾出即可恢復(fù)原始信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)了FDMA通信傳輸。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)Matlab中支持麥克風(fēng)，因此可直接進(jìn)行聲音的錄制。先編寫(xiě)一個(gè)錄音的函數(shù)，因?yàn)檎{(diào)制時(shí)要將音頻調(diào)到不同的頻段，所以選取采樣頻率時(shí)，可選高一點(diǎn)，便于調(diào)制。可選44100Hz,然后調(diào)用三次錄音函數(shù)，可得到3路語(yǔ)音信號(hào)。再分別對(duì)這3路信號(hào)進(jìn)行fft,做頻譜分析。再分別選用三個(gè)載波頻率進(jìn)行調(diào)制，再疊加，然后由帶通濾波器分別濾波、解調(diào)、通過(guò)低通濾波器，即可恢復(fù)原三路信號(hào)。載波頻率的設(shè)計(jì)：各個(gè)載頻的間隔既要大于2倍

4、的聲音的最高截止頻率(3.4KHz)，而且最高的載頻與采樣頻率也必須大于2倍的聲音的最高截止頻率。因?yàn)橛蓵r(shí)域采樣定理可得，時(shí)域采樣導(dǎo)致頻域的周期延拓。因?yàn)閒s為44100Hz,所以選擇載波頻率時(shí)，最好不超過(guò)fs/2，否貝匠回容易與f衛(wèi)相混淆叵為載頻，回為聲音最高截止頻率，f為采樣頻率)。綜合考慮三個(gè)載頻分別取為4000Hz,11000Hz,18000Hz。濾波器的設(shè)計(jì)：為達(dá)到較好效果，采用切比雪夫2型濾波器，并且取Rp=0.5；Rs=40；三個(gè)帶通濾波器分別要濾出三路信號(hào)，其通頻帶要依據(jù)載頻而定，可以濾出上邊頻，也可以濾出下邊頻。綜合最后的試聽(tīng)效果，分別同頻帶取43007400Hz，76001

5、1000Hz，1460018000Hz。由于三個(gè)信號(hào)都是語(yǔ)音信號(hào)，有著相同的頻率范圍，所以可以共用一個(gè)低通濾波器，且低通濾波器的通帶范圍為03400Hz。詳細(xì)程序清單：錄音函數(shù):functiony=luyin(Fs,Tp)fprintf(按任意鍵開(kāi)始錄音：);pausefprintf(正在錄音，請(qǐng)稍等！)；y=wavrecord(Fs*Tp,Fs)；wavwrite(y,zqc1)；(注：錄取三個(gè)音頻文件時(shí)，每次調(diào)用錄音函數(shù)時(shí)，先將wavwrite函數(shù)中的文件名分別改為zqc1,zqc2,zqc3.)主函數(shù)：Fs=44100；Tp=2；y=luyin(Fs,Tp);%錄音函數(shù)調(diào)用3次，每次調(diào)用

6、前先將wavwrite函數(shù)中的文件名分改改為zqc1,zqc2,zqc3.y1,Fs,bits=wavread(zqc1)；%打開(kāi)已錄的音頻zqc1,并命名為y1;wavplay(y1,Fs)；y2,Fs,bits=wavread(zqc2)；%打開(kāi)已錄的音頻zqc2，并命名為y2;wavplay(y2,Fs)；y3,Fs,bits=wavread(zqc3)；%打開(kāi)已錄的音頻zqc3,并命名為y3;wavplay(y3,Fs)；yy1=fft(y1)；yy2=fft(y2)；yy3=fft(y3)；N=Tp*Fs；t=0:2/N:2-2/N；figure(1)；扣扣1074765680扣扣1

7、074765680扣扣1074765680扣扣l074765680subplot(3,l,l);plot(t,yl);xlabel(單位：s);title(音頻y1的波形)；subplot(3,l,2);plot(t,y2);xlabel(單位：s);title(音頻y2的波形)；subplot(3,1,3);plot(t,y3);xlabel(單位：s);title(音頻y3的波形)；k=0:88200-l;Tp=2;f=k/Tp;figure(2);subplot(3,2,1);stem(abs(yy1),.);title(音頻yl的fft的波形);axis(0l000000400);su

8、bplot(3,2,2);plot(f,yyl);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(音頻yl的頻譜)；axis(0l00000400);subplot(3,2,3);stem(abs(yy2),.);title(音頻y2的fft的波形);axis(0l000000400);subplot(3,2,4);plot(f,yy2);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(音頻y2的頻譜)axis(0l00000400);subplot(3,2,5);stem(abs(yy3),.);title(音頻y3的fft的波形);axis(0l00000040

9、0);subplot(3,2,6);plot(f,yy3);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(音頻y3的頻譜)；axis(0l00000400);xl=2*yl.*cos(2*pi*4000*t);%調(diào)制x2=2*y2.*cos(2*pi*ll000*t);x3=2*y3.*cos(2*pi*l8000*t);xyl=fft(xl);xy2=fft(x2);xy3=fft(x3);x=xl+x2+x3;yy=fft(x);figure(3);subplot(3,2,1);plot(t,x1);title(調(diào)制后的波形xl);subplot(3,2,2);stem(a

10、bs(xy1),.);title(調(diào)制后的波形xl的幅聘響應(yīng)xyl);axis(0l000000400);subplot(3,2,3);plot(t,x2);title(調(diào)制后的波形x2);subplot(3,2,4);stem(abs(xy2),.);title(調(diào)制后的波形x2的幅聘響應(yīng)xy2);axis(01000000400);subplot(3,2,5);plot(t,x3);title(調(diào)制后的波形x3);subplot(3,2,6);stem(abs(xy3),.);title(調(diào)制后的波形x3的幅聘響應(yīng)xy3);axis(01000000400);figure(4);subpl

11、ot(3,1,1);plot(t,x);xlabel(單位：s);title(三個(gè)音頻經(jīng)調(diào)制再疊加后的時(shí)域波形);subplot(3,1,2);stem(abs(yy),.);title(三個(gè)音頻經(jīng)調(diào)制再疊加后的頻域波形)；axis(0441000400);subplot(3,1,3);plot(f,yy);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(轉(zhuǎn)換成頻率)；mag3=abs(h3);db3=20*log10(mag3+eps)/max(mag3);axis(0220500400);Rp=0.5;Rs=40;Wp1=43007400/22050;Ws1=41007600

12、/22050;n1,Wn1=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs);b1,a1=cheby2(n1,Rs,Wn1);h1,w1=freqz(b1,a1);mag1=abs(h1);db1=20*log10(mag1+eps)/max(mag1);Wp2=760011000/22050;Ws2=740011200/22050;n2,Wn2=cheb2ord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);b2,a2=cheby2(n2,Rs,Wn2);h2,w2=freqz(b2,a2);mag2=abs(h2);db2=20*log10(mag2+eps)/max(mag2);Wp3=146001800

13、0/22050;Ws3=1440018200/22050;n3,Wn3=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);b3,a3=cheby2(n3,Rs,Wn3);h3,w3=freqz(b3,a3);%用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器1；%用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器2；%用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器3；figure(5);subplot(3,1,1);plot(w1/pi,db1);axis(01-5020);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);title(用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器1);subplot(3,1,2);plot(w2/pi,db2);axi

14、s(01-5020);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);title(用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器2);subplot(3,1,3);plot(w3/pi,db3);axis(01-5020);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);title(用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器3);xo1=filter(b1,a1,x);yo1=4*xo1.*cos(2*pi*4000*t);xo2=filter(b2,a2,x);yo2=4*xo2.*cos(2*pi*11000*t);xo3=filter(b3,a3,x);yo3=4*xo3.*co

15、s(2*pi*18000*t);%濾出調(diào)制波形x1%解調(diào)音頻y1%濾出調(diào)制波形x2%解調(diào)音頻y2%濾出調(diào)制波形x3%解調(diào)音頻y3Wp=3400/44100;Ws=4000/44100;%設(shè)計(jì)低通濾波器n,Wn=cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs);b,a=cheby2(n,Rs,Wn);xyo1=filter(b,a,yo1);xyo2=filter(b,a,yo2);xyo3=filter(b,a,yo3);figure(6);subplot(3,1,1);plot(t,xyo1);axis(02-22);xlabel(單位：s);title(解調(diào)出音頻y1的波形);subplot(3

16、,1,2);plot(t,xyo2);axis(02-22);xlabel(單位：s);title(解調(diào)出音頻y2的波形);subplot(3,1,3);plot(t,xyo3);axis(02-22);xlabel(單位：s);title(解調(diào)出音頻y3的波形);wavplay(xyo1,44100);wavplay(xyo2,44100);wavplay(xyo3,44100);xyo11=fft(xyo1);xyo22=fft(xyo2);xyo33=fft(xyo3);figure(7);subplot(3,2,l);stem(abs(xyoll),.);title(解調(diào)出音頻y1的f

17、ft的波形);axis(01000000400);subplot(3,2,2);plot(f,xyo11);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(解調(diào)出音頻yl的頻譜)；axis(0l00000400);subplot(3,2,3);stem(abs(xyo22),.);title(解調(diào)出音頻y2的fft的波形);axis(0l000000400);subplot(3,2,4);plot(f,xyo22);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(解調(diào)出音頻y2的頻譜)axis(0l00000400);subplot(3,2,5);stem(abs(

18、xyo33),.);title(解調(diào)出音頻y3的fft的波形);axis(0l000000400);subplot(3,2,6);plot(f,xyo33);xlabel(單位:Hz);ylabel(幅度);title(解調(diào)出音頻y3的頻譜)；axis(0l00000400);四、調(diào)試分析過(guò)程先調(diào)用錄音函數(shù)，由3個(gè)同學(xué)分別各自說(shuō)一句話(huà)，錄成3個(gè)音頻，文件分別為zqc1.wav,zqc2.wav,zqc3.wav。再運(yùn)行主程序，可以先后聽(tīng)到3個(gè)音頻的原聲和經(jīng)過(guò)調(diào)制與解調(diào)后的恢復(fù)的聲音，并輸出7幅波形圖(如圖figure(1)到figure(7)。figure(l)音頻y1的波形音頻y2的波形音頻

19、y3的波形10-100.20.40.60.811.21.41.61.82單位：sfigure(2)度幅音頻yi的頻譜4002005000單位:Hz10000音頻y3的fft的波形00度幅音頻y3的頻譜figure(3)調(diào)制后的波形x120-200.511.52調(diào)制后的波形x1的幅聘響應(yīng)xy1調(diào)制后的波形x220-200.511.52051000.511.52x104調(diào)制后的波形x3的幅聘響應(yīng)xy3調(diào)制后的波形x320-2figure(4)三個(gè)音頻經(jīng)調(diào)制再疊加后的時(shí)域波形50-500.20.40.60.811.21.41.61.82單位：s三個(gè)音頻經(jīng)調(diào)制再疊加后的頻域波形400200000.51

20、1.522.533.54轉(zhuǎn)換成頻率x10figure(5)用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器1200-20-4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91jew/pi用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器2200-20-4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91w/pi用切比雪夫2型設(shè)計(jì)帶通濾波器3figure(6)20-2200-20-4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91w/pi解調(diào)出音頻y1的波形00.20.40.60.811.21.41.61.82單位：s解調(diào)出音頻y2的波形解調(diào)出音頻y3的波形20-200.20.40.60.811.21.4

21、1.61.82單位：sfigure(7)4002005度幅10解調(diào)出音頻y1的fft的波形0000解調(diào)出音頻y1的頻譜4002005000單位:Hz解調(diào)出音頻y2的頻譜10000400200度幅x104解調(diào)出音頻y2的fft的波形400200100005105000050005000單位:Hz001010000 x1041、結(jié)果分析：三路語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，調(diào)制頻率分別為4000Hz,11000Hz,18000Hz，然后在三路信號(hào)疊加，經(jīng)傳輸后，再用不同的切比雪夫2型帶通濾波器濾波，然后再分別解調(diào)，再通過(guò)低通濾波器，即可分別還原出原來(lái)的三路語(yǔ)音信號(hào)。由開(kāi)始錄入的3路信號(hào)波形圖和最后恢復(fù)出的3路信

22、號(hào)波形圖的比較可以看出，它們的時(shí)域波形圖基本相同(figure(1)和figure(6),頻譜圖也基本相同(figure和figure(7)。通過(guò)wavplay函數(shù)聽(tīng)取還原出的三路信號(hào)，基本可以聽(tīng)清楚，和開(kāi)始的三路信號(hào)的聲音基本相同，由此證明此簡(jiǎn)單的FDMA通信模型工作狀況基本良好。2、調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的思考：、采集聲音信號(hào)時(shí)，采樣頻率fs的選取非常重要。因?yàn)閒s的大小直接影響后邊調(diào)制的頻段的范圍，而且對(duì)聲音的效果也有影響。若fs選得過(guò)小，則調(diào)制時(shí)的頻段范圍就較窄,又由于聲音的最高截止頻率為3400Hz，由采樣定理可知，調(diào)制時(shí)各個(gè)載波頻率的間隔必須大于2倍的聲音的最高截止頻率，才不會(huì)發(fā)生頻譜混疊的現(xiàn)象。Fs太小，則調(diào)制時(shí)頻譜搬移的范圍受限，并且能夠同時(shí)傳輸?shù)男盘?hào)的數(shù)量會(huì)減少。本設(shè)計(jì)時(shí)，第一次選取的fs為22050,載頻分別為4KHz,12KHz,19KHZ,結(jié)果在解調(diào)第三路信號(hào)時(shí)，發(fā)生了頻譜混疊現(xiàn)象，最后恢復(fù)出的聲音里有串音。于是將fs選為44100,避免了頻譜混疊。、在畫(huà)3路語(yǔ)音信號(hào)和最后恢復(fù)出的信號(hào)的頻譜圖時(shí)，第一次，沒(méi)有限定x,y軸的取值范圍,只在0處和中間某處有幾條譜線(xiàn),而在其它處卻是較粗的直線(xiàn)。這顯然與實(shí)際不符。通過(guò)放大頻譜圖發(fā)現(xiàn)，在頻率為0到500