基于MATLAB的频分多址(FDMA)仿真研究课程设计

1、扣扣1074765680*大学信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：数字信号处理课程设计班级：电子信息工程学号：姓名：指导教师：二OO年02月数字信号处理课程设计一、需求分析1、设计题目：在Matlab环境中，利用编程方法对FDMA通信模型进行仿真研究。2、设计要求：Matlab支持麦克风，可直接进行声音的录制，要求至少获取3路语音信号。将各路语音信号分别与各自的高频载波信号相乘，由于各高频载波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。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。再进

2、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。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。3、系统功能分析：此系统要求能实现FDMA通信，要求至少能同时传输三路语音信号，实现三路语音信号的调制与解调，并恢复出原来的三路信号。二、原理分析和设计FDMA通信模型原理：为了有效、可靠地进行FDMA通信，需将一高频载波信号与原信号相乘，原始信号与载频相乘后，其频谱被线性移到正负载频的频率点上。基于上述分析，假设系统现同时传输几路信号，由于各高频载波把各信号频谱移段，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

3、道上实现n路信号的同时传输，传输完成后，通过n个合适的带通滤波器，即可获得n个已调信号，然后，通过解调出各个信号，最后，通过低通滤波器滤出即可恢复原始信号。从而实现了FDMA通信传输。三、详细设计Matlab中支持麦克风，因此可直接进行声音的录制。先编写一个录音的函数，因为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44100Hz,然后调用三次录音函数，可得到3路语音信号。再分别对这3路信号进行fft,做频谱分析。再分别选用三个载波频率进行调制，再叠加，然后由带通滤波器分别滤波、解调、通过低通滤波器，即可恢复原三路信号。载波频率的设计：各个载频的间隔既要大于2倍

4、的声音的最高截止频率(3.4KHz)，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。因为由时域采样定理可得，时域采样导致频域的周期延拓。因为fs为44100Hz,所以选择载波频率时，最好不超过fs/2，否贝匠回容易与f卫相混淆叵为载频，回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4000Hz,11000Hz,18000Hz。滤波器的设计：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，76001

5、1000Hz，1460018000Hz。由于三个信号都是语音信号，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。详细程序清单：录音函数:functiony=luyin(Fs,Tp)fprintf(按任意键开始录音：);pausefprintf(正在录音，请稍等！)；y=wavrecord(Fs*Tp,Fs)；wavwrite(y,zqc1)；(注：录取三个音频文件时，每次调用录音函数时，先将wavwrite函数中的文件名分别改为zqc1,zqc2,zqc3.)主函数：Fs=44100；Tp=2；y=luyin(Fs,Tp);%录音函数调用3次，每次调用

6、前先将wavwrite函数中的文件名分改改为zqc1,zqc2,zqc3.y1,Fs,bits=wavread(zqc1)；%打开已录的音频zqc1,并命名为y1;wavplay(y1,Fs)；y2,Fs,bits=wavread(zqc2)；%打开已录的音频zqc2，并命名为y2;wavplay(y2,Fs)；y3,Fs,bits=wavread(zqc3)；%打开已录的音频zqc3,并命名为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(单位：s);title(音频y1的波形)；subplot(3,l,2);plot(t,y2);xlabel(单位：s);title(音频y2的波形)；subplot(3,1,3);plot(t,y3);xlabel(单位：s);title(音频y3的波形)；k=0:88200-l;Tp=2;f=k/Tp;figure(2);subplot(3,2,1);stem(abs(yy1),.);title(音频yl的fft的波形);axis(0l000000400);su

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

9、0);subplot(3,2,6);plot(f,yy3);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(音频y3的频谱)；axis(0l00000400);xl=2*yl.*cos(2*pi*4000*t);%调制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(调制后的波形xl);subplot(3,2,2);stem(a

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

11、ot(3,1,1);plot(t,x);xlabel(单位：s);title(三个音频经调制再叠加后的时域波形);subplot(3,1,2);stem(abs(yy),.);title(三个音频经调制再叠加后的频域波形)；axis(0441000400);subplot(3,1,3);plot(f,yy);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(转换成频率)；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型设计带通滤波器1；%用切比雪夫2型设计带通滤波器2；%用切比雪夫2型设计带通滤波器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型设计带通滤波器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型设计带通滤波器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型设计带通滤波器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);%滤出调制波形x1%解调音频y1%滤出调制波形x2%解调音频y2%滤出调制波形x3%解调音频y3Wp=3400/44100;Ws=4000/44100;%设计低通滤波器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(单位：s);title(解调出音频y1的波形);subplot(3

16、,1,2);plot(t,xyo2);axis(02-22);xlabel(单位：s);title(解调出音频y2的波形);subplot(3,1,3);plot(t,xyo3);axis(02-22);xlabel(单位：s);title(解调出音频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(解调出音频y1的f

17、ft的波形);axis(01000000400);subplot(3,2,2);plot(f,xyo11);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(解调出音频yl的频谱)；axis(0l00000400);subplot(3,2,3);stem(abs(xyo22),.);title(解调出音频y2的fft的波形);axis(0l000000400);subplot(3,2,4);plot(f,xyo22);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(解调出音频y2的频谱)axis(0l00000400);subplot(3,2,5);stem(abs(

18、xyo33),.);title(解调出音频y3的fft的波形);axis(0l000000400);subplot(3,2,6);plot(f,xyo33);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(解调出音频y3的频谱)；axis(0l00000400);四、调试分析过程先调用录音函数，由3个同学分别各自说一句话，录成3个音频，文件分别为zqc1.wav,zqc2.wav,zqc3.wav。再运行主程序，可以先后听到3个音频的原声和经过调制与解调后的恢复的声音，并输出7幅波形图(如图figure(1)到figure(7)。figure(l)音频y1的波形音频y2的波形音频

19、y3的波形10-100.20.40.60.811.21.41.61.82单位：sfigure(2)度幅音频yi的频谱4002005000单位:Hz10000音频y3的fft的波形00度幅音频y3的频谱figure(3)调制后的波形x120-200.511.52调制后的波形x1的幅聘响应xy1调制后的波形x220-200.511.52051000.511.52x104调制后的波形x3的幅聘响应xy3调制后的波形x320-2figure(4)三个音频经调制再叠加后的时域波形50-500.20.40.60.811.21.41.61.82单位：s三个音频经调制再叠加后的频域波形400200000.51

20、1.522.533.54转换成频率x10figure(5)用切比雪夫2型设计带通滤波器1200-20-4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91jew/pi用切比雪夫2型设计带通滤波器2200-20-4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91w/pi用切比雪夫2型设计带通滤波器3figure(6)20-2200-20-4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91w/pi解调出音频y1的波形00.20.40.60.811.21.41.61.82单位：s解调出音频y2的波形解调出音频y3的波形20-200.20.40.60.811.21.4

21、1.61.82单位：sfigure(7)4002005度幅10解调出音频y1的fft的波形0000解调出音频y1的频谱4002005000单位:Hz解调出音频y2的频谱10000400200度幅x104解调出音频y2的fft的波形400200100005105000050005000单位:Hz001010000 x1041、结果分析：三路语音信号经过调制，调制频率分别为4000Hz,11000Hz,18000Hz，然后在三路信号叠加，经传输后，再用不同的切比雪夫2型带通滤波器滤波，然后再分别解调，再通过低通滤波器，即可分别还原出原来的三路语音信号。由开始录入的3路信号波形图和最后恢复出的3路信

22、号波形图的比较可以看出，它们的时域波形图基本相同(figure(1)和figure(6),频谱图也基本相同(figure和figure(7)。通过wavplay函数听取还原出的三路信号，基本可以听清楚，和开始的三路信号的声音基本相同，由此证明此简单的FDMA通信模型工作状况基本良好。2、调试过程中出现的问题的思考：、采集声音信号时，采样频率fs的选取非常重要。因为fs的大小直接影响后边调制的频段的范围，而且对声音的效果也有影响。若fs选得过小，则调制时的频段范围就较窄,又由于声音的最高截止频率为3400Hz，由采样定理可知，调制时各个载波频率的间隔必须大于2倍的声音的最高截止频率，才不会发生频谱混叠的现象。Fs太小，则调制时频谱搬移的范围受限，并且能够同时传输的信号的数量会减少。本设计时，第一次选取的fs为22050,载频分别为4KHz,12KHz,19KHZ,结果在解调第三路信号时，发生了频谱混叠现象，最后恢复出的声音里有串音。于是将fs选为44100,避免了频谱混叠。、在画3路语音信号和最后恢复出的信号的频谱图时，第一次，没有限定x,y轴的取值范围,只在0处和中间某处有几条谱线,而在其它处却是较粗的直线。这显然与实际不符。通过放大频谱图发现，在频率为0到500