频分多址通信课程设计.doc

1、 FDMA频分多址通信课程设计一、课程设计目的综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现，从而复习巩固了课堂所学的理论知识，提高了对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现了对数字信号的处理。二、 课程设计内容及要求设计内容：在Matlab 环境中，利用编程方法对FDMA通信模型进行仿真研究。设计要求：（1）Matlab支持麦克风，可直接进行声音的录制，要求录制3路不同人的语音信号，并对录制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。（2）将各路语音信号分别与各自的不同的高频载波信号相乘，由于各高频载波

2、信号将各语音信号频谱移到不同频段，复用信号频谱为各信号频谱的叠加，因此，只需传输该复用信号便可在同一信道上实现各路语音信号的同时传输。画出复用信号的频谱图。（3）传输完成后，通过选择合适的带通滤波器，即可获得各个已调信号；给定滤波器的性能指标，设计合适数字滤波器，并画出带通滤波器的频率响应。（4）再进行解调，即将各个已调信号分别乘以各自的高频载波信号，这样，原始低频信号被移到低频段。画出解调后3路信号各自的频谱图。（5）最后通过选择合适的低通滤波器恢复出各原始语音信号，从而实现FDMA通信传输。画出低通滤波器的频率响应，恢复信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化。回放

3、语音信号。三、 详细设计过程(1) 录音模块：首先，Matlab中支持麦克风，因此可直接录制三段语音信号，并保存和播放。由时域采样定理知采样频率要大于信号高频率的两倍，而且调制时要将音频调到不同的频段，所以选取采样频率时，可选高一点，便于调制。可选fs为44100Hz, 为CD音质。(2) 调制与解调模块：首先设计载波频率，各个载频的间隔既要大于2倍的声音的最高截止频率,而且最高的载频与采样频率也必须大于2倍的声音的最高截止频率。因为fs为44100Hz，所以选择载波频率时，最好不超过fs/2，否则+ 容易与+fs-相混淆（为载频，为声音最高截止频率，f为采样频率）。综合考虑三个载频分别取为4

4、000Hz,11000Hz,18000Hz。然后将三路调制信号相加得到复用信号，并对其进行频谱分析。接着经过带通滤波出三路信号后，再解调并分析各路信号的频谱。(3) 滤波器模块：为达到较好效果，采用切比雪夫2型滤波器，并且取Rp=0.5;Rs=40; 三个带通滤波器分别要滤出三路信号，其通频带要依据载频而定，可以滤出上边频，也可以滤出下边频。综合最后的试听效果，分别同频带取43007400Hz，760011000Hz，1460018000Hz。由于三个信号都是人的声音信号，有着相同的频率范围，所以可以共用一个低通滤波器，且低通滤波器的通带范围为03400Hz。四、 代码及图形%(1)获取录音文

5、件fs=44100; %声音的采样频率为44.1khzduration=3; %录音的时间fprintf(按任意键开始录音1:n);pausefprintf(录音中n);sd1=wavrecord(duration*fs,fs); %duration*fs每次获得总的采样数为132300,保存声音fprintf(放音中n); %文件名为s1,以下类同.wavplay(sd1,fs);fprintf(录音1播放完毕。n);wavwrite(sd1,fs,sound1.wav); %将录音文件保存为wav格式的声音文件，下同fprintf(按任意键开始录音2:n);pausefprintf(录音中

6、n);sd2=wavrecord(duration*fs,fs);fprintf(放音中n);wavplay(sd2,fs);fprintf(录音2播放完毕。n);wavwrite(sd2,fs,sound2.wav);fprintf(按任意键开始录音3:n);pausefprintf(录音中n);sd3=wavrecord(duration*fs,fs);fprintf(放音中n);wavplay(sd3,fs);fprintf(录音3播放完毕。n);wavwrite(sd3,fs,sound3.wav);%(2)声音样本的时域和频域分析fs=44100; %声音的采样频率为44.1khzd

7、uration=3; t=0:duration*fs-1; %总的采样数s1,fs=wavread(sound1.wav); %打开保存的录音文件s2,fs=wavread(sound2.wav);s3,fs=wavread(sound3.wav);figure(1) %图一为三个声音样本的时域波形subplot(311)plot(t,s1);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);title(三个声音样本的时域波形);subplot(312)plot(t,s2);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);subplot(313)plot(t,s3);xlabel(单位：s);y

8、label(幅度);figure(2) %图二为三个声音样本的频谱分析subplot(311)stem(t,abs(fft(s1),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度); %fft对声音信号进行快速傅里叶变换title(三个声音样本的频谱分析);subplot(312)stem(t,abs(fft(s2),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);subplot(313)stem(t,abs(fft(s3),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);%(3)调制,将三个声音信号用高频载波x1=4*s1.*cos(2*pi*4000*t/fs);x2

9、=4*s2.*cos(2*pi*11000*t/fs);x3=4*s3.*cos(2*pi*18000*t/fs);s=x1+x2+x3;%复用信号频谱为各信号频谱的叠加figure(3)%图三为复用信号的频谱分析stem(t,abs(fft(s),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(复用信号的频谱分析);%(4)带通滤波器设计Rp=0.5;Rs=40; %用切比雪夫2型设计带通滤波器1； Wp1=4000 8000/22050; %fs/2=22050 Ws1=3800 8500/22050;n1,Wn1=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs);b1,

10、a1=cheby2(n1,Rs,Wn1);h1,w1=freqz(b1,a1);mag1=abs(h1);db1=20*log10(mag1+eps)/max(mag1);Wp2=9000 13000/22050; %用切比雪夫2型设计带通滤波器2； Ws2=8000 14000/22050;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=14500 18500/22050; %用切比雪夫2型设计

11、带通滤波器3； Ws3=14000 19000/22050;n3,Wn3=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);b3,a3=cheby2(n3,Rs,Wn3);h3,w3=freqz(b3,a3);mag3=abs(h3);db3=20*log10(mag3+eps)/max(mag3);figure(4);subplot(3,1,1);plot(w1/pi,db1);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);title(用切比雪夫2型设计三个带通滤波器);subplot(3,1,2);plot(w2/pi,db2);axi

12、s(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);subplot(3,1,3);plot(w3/pi,db3);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);y1=filter(b1,a1,s); %滤出三路未解调信号y2=filter(b1,a1,s);y3=filter(b1,a1,s);%(5)解调fs=44100y01=y1.*cos(2*pi*4000*t/fs); %各个已调信号分别乘以各自y02=y2.*cos(2*pi*11000*t/fs);%的高频载波信号y03=y3.*c

13、os(2*pi*18000*t/fs);figure(5) %图五为解调后3路信号各自的频谱图subplot(311)stem(t,abs(fft(y01),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(解调后3路信号各自的频谱图);subplot(312)stem(t,abs(fft(y02),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);subplot(313)stem(t,abs(fft(y03),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);%(6)低通滤波Rp=0.5; %低通滤波器参数选择Rs=40;Wp1=3400/(22050);Ws1

14、=4000/(22050);n1,Wn1=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs); %采用切比雪夫2型(cheby2)带通滤波器b1,a1=cheby2(n1,Rs,Wn1);h1,w1=freqz(b1,a1);mag1=abs(h1);db1=20*log10(mag1+eps)/max(mag1);figure(6) %图六为低通滤波器的频率响应plot(w1/pi,db1);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);title(低通滤波器的频率响应);%（7）回复信号的时域波形和频谱分析yy1=filter(b1,a1

15、,y01);yy2=filter(b1,a1,y02);yy3=filter(b1,a1,y03);figure(7) %图七为恢复信号的时域波形subplot(311)plot(t,yy1);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);subplot(312)plot(t,yy2);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);subplot(313)plot(t,yy3);xlabel(单位：s);ylabel(幅度); title(恢复信号的时域波形);figure(8) %图八为恢复信号的频谱分析subplot(311)stem(t,abs(fft(yy1);xlabel(单位:

16、Hz);ylabel(幅度);subplot(312)stem(t,abs(fft(yy2);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);subplot(313)stem(t,abs(fft(yy3);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(恢复信号的频谱分析);wavplay(yy1,fs); %恢复声音信号的再现wavplay(yy2,fs);wavplay(yy3,fs);五、 结果分析与体会结果分析：经过不断的修改调试，在MATLAB上仿真频分多址通信技术取得了较好的效果。录音的声音在经过调试和解调后的信号与原来相比较为接近。我觉得仿真的成功关键在于载波频率

17、的选择以及带通和低通滤波器的参数设置。（详细设计中已有介绍，不在赘述）另外在低通滤波阶段，得到的恢复信号与原始信号基本一致，但在t=0附近有所失真，这是由于频谱混叠所致，各信号频谱混叠部分均为高频部分，恢复信号在附近的波峰变化最快。即为频率最高的区域，引起高频部分失真，这是因为录音期间引入频率高于语音信号的噪声，所以如果在完全无噪音的环境中进行录音，可得无失真的恢复信号。最后仿真结果分析表明，信号在频分复用时还存在着频间干扰的问题。对此，采用了适当加大采样频率的方法，在较大程度打夯使该问题得以解决。至于完全消除频谱间的干扰，还有待进一步研究的研究与完善。体会： 这次课程设计中，我不仅复习巩固了课堂所学的理论知识，提高了对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现了对数字信号的处理。而且通过这次较综合的课程设计，对以前在课本中问题没有弄懂的问题，我都有了更深入的理解。比如时域采样定理、滤波器参数设计等。总的来说，通过数字信号处理的这次课程设计，让我对信号与系统这门课程有了深刻的认识，收获很大。上学期我们专注于信号的学习，涉及到的复杂的数学计算分析一度让我失去学习信号与系统的信心和兴趣。下学期的系统方面或者说数字信号处理，以及通信相关知识的学习，我重新认识了信号处理这门课的地位，更重要的是对于将来学习通信技术我也增强了很多信心！ .