通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計(jì) 2011 級(jí) 通信工程 專(zhuān)業(yè) 1113074 班級(jí)題 目 基于Matlab/Simulink的音頻信號(hào)去干擾處理 姓 名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2014年6月20日1 任務(wù)書(shū)錄制自己的一段音頻信號(hào)，使其混雜一個(gè)1000Hz的單頻正弦波干擾，試采用Matlab編程方式或Simulink方式設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波。（1） 觀(guān)察濾波前后的時(shí)域波形和頻譜變化。（2） 通過(guò)聲卡將濾波前后的聲音輸出到揚(yáng)聲器，進(jìn)行主觀(guān)對(duì)比，看所設(shè)計(jì)的帶阻濾波器是否能夠起到抑制單頻正弦波干擾的目的。（3） 分析帶阻濾波器階數(shù)、截止頻率和濾波效果的關(guān)系。（4） 如果干擾換成1000Hz的方波，帶阻

2、濾波器的效果如何？如何解決？重做以上3項(xiàng)。2 理論分析模型中，話(huà)音信號(hào)設(shè)為Fs=8000Hz采樣率的，采樣時(shí)間為5s，從外部的'royal1.wav'文件讀入。From Wave File 的參數(shù)設(shè)置參考圖1.1。1000Hz的單頻正弦波采用Simulink/Sources/SignalGenerator產(chǎn)生，幅度為1V，波形格式為sine，頻率為1000，單位為Hz。如圖1.2。Buffer 1模型實(shí)現(xiàn)單頻干擾并行化以便和音頻信號(hào)疊加，Buffer1的大小設(shè)置為256，Buffer1前的Zero-Order Hold的參數(shù)設(shè)置為采樣率8000Hz,即周期為1/8000s。Bu

3、ffer為了將音頻信號(hào)串行化以便用示波器觀(guān)察音頻信號(hào)的波形，參數(shù)設(shè)置為1。濾波器采用DSP System Toolbox/Filtering/FilterImplementations/Digital Filter Design 模型，設(shè)計(jì)為帶阻濾波器對(duì)單頻干擾進(jìn)行濾波，針對(duì)1000Hz信號(hào)，帶阻濾波器的中心阻帶頻率設(shè)置為950,1050,兩端通帶頻率點(diǎn)分別為900Hz和1100Hz。采用FIR的Equiripple濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，階數(shù)分別為4，6，12。分別用這三種阻帶抑制度下的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，從喇叭中聆聽(tīng)濾波結(jié)果。濾波器參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)圖1.3。圖1.2圖1.1 圖1.33 系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程：從波形文件中讀取音頻信號(hào)，采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換與音頻信號(hào)疊加，再將信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)經(jīng)帶阻濾波器濾波，再用Buffer將濾波后的音頻信號(hào)送入喇叭發(fā)聲。參見(jiàn)圖1.4。圖1.44 仿真結(jié)果分析4.1 干擾為1000Hz的正弦波(1) 觀(guān)察濾波前后的時(shí)域波形和頻譜變化濾波前： 濾波后： (2) 通過(guò)聲卡將濾波前后的聲音輸出到揚(yáng)聲器，進(jìn)行主觀(guān)對(duì)比，看所設(shè)計(jì)的帶阻濾波器是否能夠起到抑制單頻正弦波干擾的目的。通過(guò)連個(gè)聲音的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，抑制度要求越高，則所需濾波器階數(shù)就越大，對(duì)干擾的抑制效果將越好，因此，增加濾波器的階數(shù)，或者增加擬制度，都可以起到擬制單頻正弦波的

5、目的。(3) 分析帶阻濾波器階數(shù)、截止頻率和濾波效果的關(guān)系。4階截止頻率為950，1050時(shí)，輸出波形和頻譜圖 截止頻率為960，1040 截止頻率為990，1010 6階截止頻率為950，1050時(shí)，輸出波形和頻譜圖 截止頻率為960，1040 截止頻率為990，1010 12階截止頻率為950，1050時(shí)，輸出波形和頻譜圖 截止頻率為960，1040 截止頻率為990，1010 由上述波形圖可以得出：階數(shù)越高，濾波器幅頻特性的過(guò)渡帶越陡，越接近理想特性。一般情況下，一階濾波器過(guò)渡帶按每十倍頻20dB速率衰減；二階濾波器每十倍頻40dB速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。但是，濾波階

6、數(shù)忒高了，就會(huì)導(dǎo)致成本提高很大。在同樣的階數(shù)下，帶截止頻率之間的差值越小，其濾波效果越好。4.2干擾為1000Hz的方波系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程：從波形文件中讀取音頻信號(hào)，采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換與音頻信號(hào)疊加，再將信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)經(jīng)梳狀濾波器濾波，再用Buffer將濾波后的音頻信號(hào)送入喇叭發(fā)聲。參見(jiàn)圖1.5。圖1.5帶阻濾波器的效果如何？如何解決？帶阻濾波器的效果不明顯，這里改用梳狀濾波器解決。先用程序計(jì)算出梳狀濾波器的分子、分母系數(shù)。程序如下：Fs=8000;Ts=1/8000; %采樣率 f0=1000; %梳狀濾波器開(kāi)槽基頻率 bw=100/(Fs/2); %歸一化開(kāi)槽帶寬 ab

7、=-3; %計(jì)算開(kāi)槽帶寬位置處的衰減分貝值 n=Fs/f0; %計(jì)算濾波器階數(shù) num,den=iircomb(n,bw,ab,'notch'); %計(jì)算H(z) freqz(num,den,4000,8000); %作出H(z)的幅頻相頻圖 axis(0 4000 -30 5);執(zhí)行程序后，得出所設(shè)計(jì)的梳狀濾波器幅頻相頻曲線(xiàn)如下圖所示，以及其傳遞函數(shù)的分子分母系數(shù)num,den。雙擊Digital Filter Design模塊圖標(biāo)，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框中選擇濾波器參數(shù)導(dǎo)入模式，填寫(xiě)分子分母系數(shù)分別為num，den，采樣率取8000Hz,濾波器結(jié)構(gòu)可任選。Digital Filt

8、er Design模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)的導(dǎo)入和頻率響應(yīng)曲線(xiàn)參見(jiàn)下圖。(1) 觀(guān)察濾波前后的時(shí)域波形和頻譜變化濾波前: 濾波后： (2) 通過(guò)聲卡將濾波前后的聲音輸出到揚(yáng)聲器，進(jìn)行主觀(guān)對(duì)比，看所設(shè)計(jì)的梳狀濾波器是否能夠起到抑制方波干擾的目的。經(jīng)過(guò)濾波前后聲音的對(duì)比，梳狀濾波器可以有效地?cái)M制方波的干擾。(3) 分析梳狀濾波器開(kāi)槽帶寬和濾波效果的關(guān)系。由于梳狀濾波器的階數(shù)為Fs/f0，故在此不作分析，當(dāng)減小梳狀濾波器的開(kāi)槽帶寬為50時(shí)，其濾波后的時(shí)域和頻域的波形圖如下: 經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，梳狀濾波器的開(kāi)槽帶寬越窄，其濾波效果越好。這是開(kāi)槽帶寬分別為100/(Fs/2)，10/(Fs/2)，以及未加入噪聲的原波

9、形圖，分別對(duì)應(yīng)第一幅，第二幅和第三幅圖。從圖中可以看出，開(kāi)槽帶寬為10/(Fs/2)的波形圖與原音頻信號(hào)波形圖更近似，因此濾波效果更好。如果增大開(kāi)槽帶寬處的衰減分貝值反而會(huì)使濾波效果下降。5 遇到的問(wèn)題及解決的方法由于matlab版本不同，在建模時(shí)模塊的參數(shù)設(shè)置不盡相同，這里我使用的是matlab2012a，有很多模型的參數(shù)設(shè)置和matlba7的不一樣，因此遇見(jiàn)了很多問(wèn)題。比如在建模的過(guò)程中頻譜儀的參數(shù)要把Buffer input前的'去掉，使其變成FFT，才可以顯示頻譜。另外，系統(tǒng)仿真速率必須是信號(hào)速率的整數(shù)倍，各流通信號(hào)的速率也必須是整數(shù)倍關(guān)系，這里正弦信號(hào)的速率是1000Hz，而

10、音頻信號(hào)的速率是8000Hz，因此系統(tǒng)仿真速率應(yīng)該是8000的整數(shù)倍，即系統(tǒng)的仿真周期為1/（n*8000）s。第三，零階保持器應(yīng)該設(shè)置為和音頻信號(hào)的速率一樣的采樣率，這里設(shè)置為1/8000s。第四，Buffer的作用為串并轉(zhuǎn)化，由于示波器不能顯示幀信號(hào)和并行信號(hào)，因此需要用Buffer將其轉(zhuǎn)化為串行信號(hào)。第五，相加器（add）輸入的信號(hào)必須是速率一致且格式相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，如果不相同則需要用Buffer等模塊轉(zhuǎn)換。第六，可以設(shè)置示波器有多個(gè)輸入端口，便于對(duì)波形進(jìn)行比較分析。6 結(jié)束語(yǔ) 經(jīng)過(guò)本周的課程設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到matlab對(duì)數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真方面的強(qiáng)大功能，目前，matlab/simulink的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了數(shù)值計(jì)算和控制系統(tǒng)仿真等傳統(tǒng)領(lǐng)域，在幾乎所有理工學(xué)科中形成了為數(shù)眾多的專(zhuān)業(yè)工具庫(kù)和函數(shù)庫(kù)。Matlab是一個(gè)基于矩陣運(yùn)算的軟件，所以在編程的時(shí)候，應(yīng)該盡可能使用矩陣賦值，這樣可以提高計(jì)算效率并且簡(jiǎn)化代碼。 設(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題，主要是對(duì)simlink仿真