數(shù)字信號處理課程設(shè)計

1、數(shù)字信號處理課程設(shè)計 ctystol目 錄第1章 需求分析- 31.1設(shè)計題目- 31.2設(shè)計要求- 31.3系統(tǒng)功能分析- 3第2章 原理分析和設(shè)計- 42.1理論分析和計算- 4第3章 詳細(xì)設(shè)計- 53.1算法設(shè)計思路- 53.2對應(yīng)的詳細(xì)程序清單及程序注釋說明- 6第4章 調(diào)試分析過程描述- 104.1測試數(shù)據(jù)、測試輸出結(jié)果- 104.2程序調(diào)試過程中存在的問題以及對問題的思考- 13第5章 總 結(jié)- 15第1章 需求分析1.1設(shè)計題目在Matlab 環(huán)境中，利用編程方法對FDMA通信模型進(jìn)行仿真研究1.2設(shè)計要求1.2.1 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

2、語音信號。1.2.2 將各路語音信號分別與各自的高頻載波信號相乘，由于各高頻載波信號將各語音信號頻譜移到不同頻段，復(fù)用信號頻譜為各信號頻譜的疊加，因此，只需傳輸該復(fù)用信號便可在同一信道上實現(xiàn)各路語音信號的同時傳輸。1.2.3 傳輸完成后，通過選擇合適的帶通濾波器，即可獲得各個已調(diào)信號。1.2.4 再進(jìn)行解調(diào)，即將各個已調(diào)信號分別乘以各自的高頻載波信號，這樣，原始低頻信號被移到低頻段。1.2.5 最后通過選擇合適的低通濾波器恢復(fù)出各原始語音信號，從而實現(xiàn)FDMA通信傳輸。1.3系統(tǒng)功能分析頻分多址接入FDMA，簡稱頻分多址，是按頻率分配地址的多路通信系統(tǒng)，即不同地址的用戶使用不同的載波頻率。在全

3、球衛(wèi)星通信系統(tǒng)中最早使用的就是這種體制。在這種體制中，地球站向衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射一個或多個規(guī)定頻率的信號，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接受這些信號后，經(jīng)過放大、變頻，再轉(zhuǎn)發(fā)回地面。各地球站可以有選擇地接收某些頻率的信號。下面以一個3路頻分復(fù)用通信系統(tǒng)為例，來說明FDMA通信系統(tǒng)模型，該通信系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示：相乘調(diào)制到頻率f1高頻載波f1相乘調(diào)制到頻率f2高頻載波f2相乘高頻載波f3調(diào)制到頻率f3頻分復(fù)用信號st帶通濾波器1帶通濾波器2帶同濾波器3解調(diào)f1并低通濾波解調(diào)f2并低通濾波解調(diào)f3并低通濾波信號1信號2信號3輸出1輸出2輸出3圖1 頻分復(fù)用原理框圖第2章 原理分析和設(shè)計2.1理論分析和計算對照圖

4、1頻分復(fù)用原理框圖，對FDMA通信系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和計算：假設(shè)系統(tǒng)傳輸一連續(xù)非周期信號，其頻域表征為傅立葉變換，則該信號的傅立葉變換為 （1）為了有效地進(jìn)行FDMA通信，需將一高頻載波信號（）與原信號相乘，即信道傳輸?shù)男盘栕優(yōu)?，該信號的傅立葉變換為 （2）比較（1）式和（2）式可見，原始信號與載波信號相乘后，其頻譜被搬移到載波頻譜的兩側(cè)。基于上述分析，假設(shè)系統(tǒng)現(xiàn)在同時傳輸n路信號，則所傳輸?shù)男盘柨杀硎緸槭街校海瑸樵夹盘?；，為載波頻率由于各高頻載波把信號頻譜移到不同的頻率段，復(fù)用信號頻譜為各信號頻譜的疊加，因此，只需傳輸復(fù)用信號便可在同一信道上實現(xiàn)n路信號的同時傳輸，傳輸完成后，通過n個合適的

5、帶通濾波器，即可獲得n個已調(diào)信號，然后，通過解調(diào)、低通濾波器濾波便可恢復(fù)原始信號。設(shè)載波信號為余弦信號，調(diào)制信號為，則傳輸信號為雙邊帶調(diào)幅信號，即： （3） （4） （5）由（5）式可見，調(diào)制信號的頻譜被線性搬移到載頻兩邊，上邊頻為，下邊頻為，頻寬為。假設(shè)需傳輸3路同頻寬的余弦信號，頻寬為，為了防止傳輸過程中的頻譜間干擾，載波頻率間間隔應(yīng)該大于。語音信號的頻率范圍為：300 Hz 3400 Hz載波信號的頻率可選擇為：4 kHz 、8kHz 、12kHz ，這是理論分析的結(jié)果，實際設(shè)計過程中根據(jù)實際的語音信號的頻率特性的實際情況來選擇合適的載波信號。第3章 詳細(xì)設(shè)計3.1算法設(shè)計思路3.1.1

6、 Matlab支持麥克風(fēng)，可直接進(jìn)行聲音的錄制，獲取3路語音信號，；音頻文件的I/O命令：wavread 讀.wav聲音文件 wavwrite 寫.wav聲音文件 wavrecord 錄入.wav聲音文件 wavplay 播放.awv聲音文件 3.1.2對3路語音信號進(jìn)行頻譜分析，得到其頻率特性，；頻譜分析所用到函數(shù)：y,w=freqz(y); stem(w/pi,abs(y);3.1.3根據(jù)語音信號的頻率特性選擇合適的載波信號的載波頻率，對語音信號進(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制信號，；并對3路調(diào)制信號進(jìn)行頻譜分析，得到其頻率特性，；信號調(diào)制所用函數(shù)：y=modulate(x,Fc,Fs,'am&#

7、39;)；3.1.4將調(diào)制后的3路語音信號疊加，得到頻率復(fù)用信號，并對復(fù)用信號進(jìn)行頻譜分析，得到其頻譜特性；3.1.5根據(jù)復(fù)用信號的頻譜特性選擇合適的帶同濾波器，對3個特定頻率段的信號進(jìn)行提取，得到3路濾波后的信號，；帶通濾波函數(shù)：n,Wn=cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs)b,a=cheby2(n,Rs,Wn)；y=filter(b,a,x)；3.1.6對濾波后的信號進(jìn)行解調(diào)得到解調(diào)信號，；信號解調(diào)所用函數(shù)：y=demod(x,Fc,Fs,'am')；3.1.7解調(diào)后的語音信號含有高頻成分，通過低通濾波器濾除高頻成分后就可得到恢復(fù)后的語音信號，；低通濾波函數(shù)：n,Wn

8、=cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs)；b,a=cheby2(n,Rs,Wn)；y=filter(b,a,x)；3.2對應(yīng)的詳細(xì)程序清單及程序注釋說明%語音信號的錄入Fs=44100;%采樣頻率t=3;%錄音時間fprintf('請錄入聲音1:n');x1=wavrecord(t*Fs,Fs);wavplay(x1,Fs);subplot(3,1,1);plot(x1);title('語音信號1');pause(3); %等待語音信號1播放完畢之后再次錄入fprintf('請錄入聲音2:n');x2=wavrecord(t*Fs,Fs);w

9、avplay(x2,Fs);subplot(3,1,2);plot(x2);title('語音信號2');pause(3); %等待語音信號2播放完畢之后再次錄入fprintf('請錄入聲音3:n');x3=wavrecord(t*Fs,Fs);wavplay(x3,Fs);subplot(3,1,3);plot(x3);title('語音信號3');%語音信號的頻譜分析figure;xf1,w1=freqz(x1);subplot(3,1,1);stem(w1/pi,abs(xf1);title('語音信號1的頻譜');xlab

10、el('Hz');ylabel('幅度');xf2,w2=freqz(x2);subplot(3,1,2);stem(w2/pi,abs(xf2);title('語音信號2的頻譜');xlabel('Hz');ylabel('幅度');xf3,w3=freqz(x3);subplot(3,1,3);stem(w3/pi,abs(xf3);title('語音信號3的頻譜');xlabel('Hz');ylabel('幅度');%根據(jù)頻譜分析選擇合適的載波信號對語音信號進(jìn)

11、行調(diào)制Fc1=4000;Fc2=12000;Fc3=19000;xt1=modulate(x1,Fc1,Fs,'am');xt2=modulate(x2,Fc2,Fs,'am');xt3=modulate(x3,Fc3,Fs,'am');figure;xtf1,wt1=freqz(xt1);subplot(3,1,1);stem(wt1/pi,abs(xtf1);title('調(diào)制后的語音信號的頻譜');subplot(3,1,2);xtf2,wt2=freqz(xt2);stem(wt2/pi,abs(xtf2);subplot

12、(3,1,3);xtf3,wt3=freqz(xt3);stem(wt3/pi,abs(xtf3);%信號的疊加%st疊加復(fù)用的調(diào)制信號figure;st=xt1+xt2+xt3;stf,w=freqz(st);subplot(2,1,1);plot(st);title('語音信號的疊加');subplot(2,1,2);stem(w/pi,abs(stf);title('復(fù)用信號頻譜');%通過帶通濾波器對復(fù)用信號進(jìn)行濾波%提取信號段1Rp=3;Rs=40;Wp1=0.1 0.3;Ws1=0.05 0.35;n1,Wn1=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp

13、,Rs);b1,a1=cheby2(n1,Rs,Wn1);yo1=filter(b1,a1,st);%提取信號段2Wp2=0.4 0.7;Ws2=0.35 0.75;n2,Wn2=cheb2ord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);b2,a2=cheby2(n2,Rs,Wn2);yo2=filter(b2,a2,st);%提取信號段3Wp3=0.8 0.95;Ws3=0.75 0.98;n3,Wn3=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);b3,a3=cheby2(n3,Rs,Wn3);yo3=filter(b3,a3,st);%信號解調(diào)Fc1=4000;Fc2=12000;Fc3=190

14、00;yo11=demod(yo1,Fc1,Fs,'am');yo22=demod(yo2,Fc2,Fs,'am');yo33=demod(yo3,Fc3,Fs,'am');figure;subplot(3,1,1);z1,w11=freqz(yo11);stem(w11/pi,abs(z1);title('解調(diào)后的語音信號的頻譜');subplot(3,1,2);z2,w22=freqz(yo22);stem(w22/pi,abs(z2);subplot(3,1,3);z3,w33=freqz(yo33);stem(w33/pi

15、,abs(z3);%低通濾波器濾波Rp=3;Rs=40;Wp=0.35;Ws=0.4;n,Wn=cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs);b,a=cheby2(n,Rs,Wn);y1=filter(b,a,yo11);y2=filter(b,a,yo22);y3=filter(b,a,yo33);%恢復(fù)后的語音信號fprintf('播放恢復(fù)的語音信號1n');wavplay(y1,Fs);figure;subplot(3,1,1);plot(y1);title('恢復(fù)后的語音信號1');pause(3);fprintf('播放恢復(fù)的語音信號2n'

16、;);wavplay(y2,Fs);subplot(3,1,2);plot(y2);title('恢復(fù)后的語音信號2');pause(3);fprintf('播放恢復(fù)的語音信號3n');wavplay(y3,Fs);subplot(3,1,3);plot(y3);title('恢復(fù)后的語音信號3');第4章 調(diào)試分析過程描述4.1測試數(shù)據(jù)、測試輸出結(jié)果編程結(jié)束后對程序進(jìn)行調(diào)試：（根據(jù)command window中的語言提示依次錄入聲音1、2、3）請錄入聲音1:請錄入聲音2:請錄入聲音3:（錄音結(jié)束后等待程序運行，圖形分析結(jié)果輸出）播放恢復(fù)的語音信

17、號1播放恢復(fù)的語音信號2播放恢復(fù)的語音信號3經(jīng)過不斷調(diào)試、修改后，最終的測試輸出結(jié)果如下幾幅圖所示：4.2程序調(diào)試過程中存在的問題以及對問題的思考調(diào)試過程中的主要問題如下：1） 采樣頻率（Fs）的選擇：為了能夠恢復(fù)原來的語音信號，在對錄入的語音信號進(jìn)行頻率采樣是必須選擇合適的采樣頻率；在Matlab環(huán)境下，支持的信號采樣頻率為：8000、11205、44100等幾個不同的采樣頻率，在本次設(shè)計中，最先采用的較低的采樣頻率11205，信號在頻分復(fù)用時的頻譜間干擾較大，之后幾次修改，最終確定采用Fs=44100，在最大程度上改善了頻譜間干擾問題；2） 信號調(diào)制載波頻率（Fc）的選擇：在對信號進(jìn)行調(diào)制

18、時，選擇合適的載波信號頻率，將同頻帶寬度的3路語音信號進(jìn)行頻譜搬移，搬移到不同的頻帶范圍內(nèi)，以方便信號的頻率復(fù)用，將3路語音信號在同一信道上傳輸，以節(jié)約資源；經(jīng)過理論分析，載波信號的頻率可選擇為：4 kHz 、8kHz 、12kHz 。實際設(shè)計過程中要根據(jù)實際的語音信號的頻率特性的實際情況來選擇合適的載波信號，經(jīng)過反復(fù)的試驗，最終確定的載波信號的頻率為：4 kHz 、12kHz 、19kHz 。3） 帶通濾波器參數(shù)的確定：選擇合適的帶通濾波器，將調(diào)制后的信號濾波，以便于信號的解調(diào)恢復(fù)；濾波器的幾個重要參數(shù)：Rp通帶最大衰減；Rs阻帶最小衰減；Wp通帶歸一化頻率Ws阻帶歸一化頻率；在設(shè)計過程中，

19、根據(jù)已調(diào)信號的頻譜特性來確定參數(shù)，每次由于錄音環(huán)境不同、錄入的聲音的不同，得到的已調(diào)信號的頻譜特性頁有所不同，在經(jīng)過幾次錄音、信號調(diào)制、頻譜分析之后，確定了一般情況下的濾波器參數(shù)。4） 低通濾波器參數(shù)的確定：將解調(diào)后的語音信號中的高頻成分濾除，以恢復(fù)原是語音信號，完成通信任務(wù)；已知語音信號的頻率范圍為：300 Hz 3400 Hz，便可根據(jù)此頻率范圍來確定低通濾波器的參數(shù)，當(dāng)然還要結(jié)合實際錄音的解調(diào)信號的頻譜特性來確定最合適的參數(shù)。編程設(shè)計過程中最重要的一點，也是最容易出錯的一點是Fc、Fs的選擇必須滿足香農(nóng)定理，即Fs>2Fc，才能恢復(fù)原始信號。 左圖為原始語音信號波形圖，右圖為解調(diào)恢

20、復(fù)的語音信號波形圖，兩幅圖進(jìn)行比較的結(jié)果可以看出，恢復(fù)后的信號與原始信號的波形基本一致，但是恢復(fù)后的信號有輕微的失真，這主要是因為在錄音期間引入頻率高于語音信號的噪聲，所以，如果在完全無噪音的環(huán)境中進(jìn)行錄音，可以得到無失真的回復(fù)信號。在Matlab環(huán)境中，利用編程方法對FDMA通信模型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果分析表明，信號在頻分復(fù)用時還存在著譜間干擾問題，對此，我采用了適當(dāng)?shù)募哟蟛蓸宇l率、改變載波信號頻率的方法，在一定程度上使得譜間干擾問題得以緩解，不過還是沒能夠完全消除譜間干擾。第5章 總 結(jié)此次數(shù)字信號處理課程設(shè)計在Matlab 環(huán)境中，利用編程方法對FDMA通信模型進(jìn)行仿真研究，在同學(xué)們不懈

21、努力恢復(fù)出的語音信號播放聲、大家慶賀的歡呼雀躍聲中落下帷幕?；厥走@一周，點點滴滴，都是我們專注、鍥而不舍的背影。周一，課程設(shè)計的任務(wù)布置下來，剛看到題目，大家都有點愣住了FDMA，一個平時上課從沒有接觸過的名詞，怎么成了課程設(shè)計的題目了呢？沒有頭緒在老師的講解下，我們終于明白過來，就是平時所學(xué)知識的綜合應(yīng)用：信號的頻譜分析、調(diào)制、信號頻分復(fù)用、帶通濾波器濾波、解調(diào)、低通濾波器濾波。這些東西都是平時上課，老師不斷強(qiáng)調(diào)、也是數(shù)字信號處理這門課的內(nèi)容所在。平日里，我們僅僅是單一的對其中一部分進(jìn)行分析研究，現(xiàn)在是要把這些平時的知識綜合，使其相互滲透、相輔相成，來解決實際生活中的應(yīng)用問題。任務(wù)已經(jīng)明確，我們便開始了資料收集、程序設(shè)計構(gòu)思。我到圖書館翻閱了不少書籍：數(shù)字信號處理、Matlab在信號處理中的應(yīng)用、信號與系統(tǒng)、通信原理，信號分析與處理等等，首先了解了FDMA通信系統(tǒng)，分析清楚該通信模型的工作原理，之后便是運用自己所學(xué)的知識對該模型的仿真進(jìn)行編程上的構(gòu)思，獲得編程框架后，我就對應(yīng)做好的