频谱仪仿真系统设计报告样例.docx
- 文档编号:5897742
- 上传时间:2023-05-09
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:218.09KB
频谱仪仿真系统设计报告样例.docx
《频谱仪仿真系统设计报告样例.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《频谱仪仿真系统设计报告样例.docx(13页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
频谱仪仿真系统设计报告样例
哈尔滨商业大学课程设计报告
频谱仪SIMULINK仿真设计
课程名称通信原理课程设计
学生姓名刘文亮
指导教师苏晓东
年级专业2008级电子信息工程
学院计算机与信息工程
2011年08月26日
课程设计任务书
姓名:
刘文亮
学院:
计算机与信息工程
班级:
2008级1班
专业:
电子信息工程
课程设计题目:
设计要求:
应用MATLAB-Simulink仿真工具箱仿真AM-DSB的工作原理和工作过程,完成信号的调制解调作用。
要求完整转却介绍仿真原理、仿真方案、仿真建模方法、仿真参数设计;提供充分的仿真实验数据,结合仿真原理,对各组仿真结果进行对比分析。
成绩评定:
文档格式符合规范,图表清晰;整体设计实现较好,仿真系统布局清晰合理,试验参数设置正确;
问题:
仿真参数设置合理,但没有说明理由;
仿真数据不充分;
仿真分析不透彻,不完整。
成绩:
及格
2011年08月XX日
1仿真原理
1.1仿真任务
应用MATLAB-Simulink仿真工具箱仿真AM-DSB的工作原理和工作过程,完成对信号的调制解调作用。
1.2仿真原理
令调制波的直流分量为0,即得AM-DSB
公式解释:
普通AM的公式:
S(t)=[A+K*m(t)]*c(t),其中S(t)为调幅波,A为叠加在调制波上的直流分量,K为调制系数,m(t)为调制波,c(t)为载波。
令上式中A=0,即:
S(t)=[K*m(t)]*c(t),就是抑制载波的双边带调幅(DSB-AM)
1.2.1频谱仪构成原理
根据离散傅里叶变换(DFT)与快速傅里叶变换(FFT)原理,来确定频谱仪的基本构成:
(1)垂直通道:
宽带前置放大器,后接外差式带宽极窄的“中频”
放大器,最后是视频放大器链接到垂直偏转板。
(2)水平通道:
将连接到水平偏转板的扫描锯齿波电压与现行扫频信号同步,线性扫频信号的频率范围为
。
线性扫频信号的某个频率
与“中频”的差值
(
)刚好能够通过“中频”放大器在显示屏上留下它的踪迹。
由于扫频信号与显示器的锯齿波同步,因此水平刻度显示出与
对应的频率刻度
。
如果
由多个频率成分
组成,则在扫描信号变化的周期里就会使
中的各个频率成分随着本信号频率呈线性增长,依次满足
,在显示屏上留下各自的踪迹。
在水平刻度
的相应位置,显示出了频率为
的谱线,并且可以读出对应于
的频率刻度值。
由于频谱仪的价格较贵,因此频谱仪并不普及。
应用MATLAB仿真的算法和工具,可以方便地使用所构建的频谱仪进行信号频域特性分析。
1.2.2离散傅里叶变换原理
计算机仿真中的频谱仪应用的是数字处理中的快速傅里叶变换(FFT)技术。
在离散傅里叶级数(DFS)中,离散时间周期序列在时域是离散的n,其频谱是离散频率周期序列,在频域也是离散的k,理论上解决了时域离散和频域离散的对应关系问题。
但由于其在时域和频域都是周期序列,所以都是无限长序列。
无限长序列在计算机运算上仍然是无法实现的。
为此我们必须取有限长序列来建立其时域离散和频域离散的对应关系。
(1)DFS的主值序列
离散时间周期序列
是一个无限长序列,其傅立叶级数展开式为
(1.1)
可以看出时间点序号n是以N为周期的,如果只取其一个周期,称之为
的主值序列:
(1.2)
主值序列
就是一个长度为N的有限长离散时间序列。
同理,
的DFS也是一个无限长序列,即傅立叶系数:
(1.3)
也可以看出频率点序号k也是以N为周期的,如果只取其一个周期,称之为
的主值序列:
(1.4)
主值序列X(k)是一个长度为N的有限长离散频率序列。
可见,离散时间周期序列在时域和频域的主值序列,均为有限长离散序列。
且主值序列的长度均为N(即n,k=0,1,2,…,N-1)。
(2)离散傅里叶变换(DFT)的定义
在离散傅立叶级数(DFS)中,取其时域和频域的主值序列,变换仍然成立。
这就是离散傅里叶变换(DFT),即:
,
(1.5)
和其逆变换(IDFT):
,
(1.6)
可见离散傅里叶变换(DFT)只不过是特殊的离散傅立叶级数(DFS),如果其时域和频域都仅取主值序列。
离散傅立叶级数(DFS)中的无限长序列
和
都是以N为周期的周期序列,所以在计算离散时间周期序列及其频谱时,可以利用DFS的周期性,只需要在时域和频域各取一个主值序列,用计算机各计算一个周期中的N个样值,最后将所得的主值序列
和
进行周期延拓,即可得到原来的无限长序列
和
。
(3)DFT的推广
由DFT的导入过程可以发现,DFT不仅可以解决无限长周期序列的计算机运算问题,而且更可以解决有限长序列的计算机运算问题。
事实上,对于有限长离散序列,总可以把时域和频域的变换区间(序列长度)均取为N(包括适当数量的补0点),通常把N称之为等间隔采样点数,我们可以把这个N点的变换区间视为某个周期序列的一个主值序列,直接利用DFT的定义计算其N点变换。
在N点DFT中,无论时域还是频域,变换区间的采样点数都只有N个(即n,k=0,1,2,…,N-1),所以我们不妨定义一个变换因子
(1.7)
则DFT的定义式(1.5)和(1.6)可写成
,(k=0,1,2,…,N-1)(1.8)
,(n=0,1,2,…,N-1)(1.9)
例如:
有效长度N1=4的单位矩形序列
(10)
如下图所示:
图1单位矩形序列(有效长度N1=4)
如果变换区间等间隔采样点数N=16(注意:
可以补零延伸为序列有效长度N1的整数倍),则其16点的DFT频谱为
,(k=0,1,2,…,15)
其16点DFT的幅度频谱图如下:
图2单位矩形周期序列的16点DFT
当然,如果取变换区间N=32,即在有限长离散时间序列尾部补零更多位,则32点的DFT谱线更密。
这是因为增长观察时间,可提高频率分辨率。
但DFT频谱的包络,始终与非周期序列
的离散时间傅立叶变换DTFT的连续频谱曲线一致。
这又表明DFT是DTFT连续频谱的离散化。
综上所述,DFT是数码时代信号分析与合成的最重要的工具,理论上讲,几乎所有的物理信号(连续的或离散的、周期的或非周期的)的傅立叶分析都可以采用DFT实现计算机运算。
其离散傅里叶变换(DFT)公式如下:
(1-1)
(1-2)
可以看出,求出离散时域的信号x(n)的N点离散傅里叶变换f(k),需要
次复数乘法和N(N-1)次复数加法运算。
当N很大时,大量的计算需要很长时间和很多的设备资源,影响了它的推广和应用。
快速傅里叶变换(FFT)表达式中变换因子W的对称性和周期性:
(1-2)
将上述计算的复数乘法的次数降低为(N/2)1bN,复数加法的次数降低为N1bN。
则计算量锐减,极大地扩展了它的应用范围。
2仿真设计
2.1仿真方案
应用频谱仪观察两路正弦信号(频率分别为12GHz、15GHz,幅度分别为1.0V、0.3V),以及幅度可调的高斯白噪声信号(噪声输出端连接一个可变衰减器)。
两路正弦信号与噪声信号相加后送到频谱仪。
(1)频谱仪应用快速傅里叶变换(FFT)完成数据流从时域到频域的变换。
(2)希望所研究的谱线内容出现在频谱仪显示窗的中间部分,能观察到在频率轴上谱线的低端和高端的情况,以便于观察和分析。
(3)注意频谱仪的采样频率与被测信号的采样频率要一致。
2.2仿真建模
(1)数学建模在MATLAB信号处理工具箱中有频谱仪,正确的参数设置后就可以方便地为我使用,称此为Similink(仿真)方法。
(2-1)
(2-2)
(2)系统建模仿真系统构建如图2-1所示。
图2-1频谱仪仿真系统示例
2.3仿真参数设计
表2-1SignalGenerator(信号发生器)的主要参数
参数名称
参数值
generator
generator1
Waveform(波形)
sine
sine
Amplitude(幅度)
1
0.3
Frequency(频率)
12e9
15e9
Unit(单位)
Hertz
Hertz
表2-2RandomNumber(随机数产生器)的主要参数
参数名称
参数值
Mean(均值)
0
Variance(方差)
1
SampleTime(采样时间)
1e-11
表2-3dBGain(增益调节)的主要参数
参数名称
参数值
GaindB(增益)
-30
Inputsignal(输入信号)
Amplitude(幅度)
表2-4SpectrumScopes(频谱仪)的主要参数
参数名称
参数值
Buffersize(缓存长度)
1024
Bufferoverlap(缓存交叠)
512
FFTsize(FFT长度)
1024
Numberofspectralaverages谱(计算)平均(点)数
10
Frequencyunits(频率单位)
Hertz
Frequencyrange(频率范围)
[0…Fs/2]
Amplitudescaling(幅度刻度)
dB
Inheritsampleincrementfrominput(继承输入采样时间)
√
MinimumY-Limit(Y轴最小值)
-50
MaximumY-Limit(Y轴最小值)
40
注:
零阶采样保持电路的采样时间设置为2e-11s。
3仿真实验
3.1仿真环境、条件
基于计算机的MATLAB仿真条件,不受环境影响。
3.2实验数据
4仿真分析
产生一个均值为0,RandomNumber(随即产生器)方差为1,采样时间为1e-11s的高斯白噪声,dBGain(增益调节)改变噪声的电平。
这种仿真频谱仪可显示与实际频谱仪观察到的类似的波形。
采样保持电路Hold的采样时间设为2e-11s的波形如图4-1所示。
图4-1
所以当采样保持电路Hold的采样时间设为2.5e-13s,采样频率即为Fs=4e12(4THz),此时1THz的频率可读正好在频谱仪显示窗的中心,如图4-2所示。
当采样时间减小时,采样频率提高,显示窗的刻度值变大,1THz的谱线就左移,反之右移,采样时间缩小为1.5e-13s时的波形如图4-3所示。
图4-2图4-3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 频谱仪 仿真 系统 设计 报告