dsp實驗報告-信號的調(diào)制與解調(diào)-課程設(shè)計

1、<p><b>　　DSP課程設(shè)計</b></p><p>　　實 驗 報 告</p><p><b>　　信號的調(diào)制與解調(diào)</b></p><p><b>　　院（系）：</b></p><p>　　設(shè)計人員： 學號： </p&g

2、t;<p>　　設(shè)計人員： 學號：</p><p><b>　　評語：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽字： </b></p><p><b>　　日期：</b></p><p><b>　　目 錄</b>

3、</p><p>　　一、設(shè)計任務(wù)書……………………………………………………3</p><p>　　二、設(shè)計內(nèi)容……………………………………………………...3</p><p>　　三、設(shè)計方案、算法原理說明…………………………………....3</p><p>　　四、程序設(shè)計、調(diào)試與結(jié)果分析………………………………....4</p&g

4、t;<p>　　五、設(shè)計（安裝）與調(diào)試的體會…………………………………17</p><p>　　六、參考文獻………………………………………………………18</p><p><b>　　1 設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　使用DSP產(chǎn)生調(diào)幅波和調(diào)頻波。調(diào)制信號從MIC音頻輸入接口輸入，頻率小于1000HZ；載頻由DSP程序內(nèi)

5、部產(chǎn)生，頻率在4000—8000HZ之間，調(diào)幅信號的調(diào)制度為50%。</p><p>　　發(fā)揮部分：使用DSP對所產(chǎn)生的調(diào)幅及調(diào)頻信號進行解調(diào)，并通過SPEAKER音頻輸出接口輸出解調(diào)后的信號。</p><p><b>　　2 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　?。?）編寫C語言程序，并在CCS集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試通過。</p>

6、<p>　?。?）實現(xiàn)設(shè)計所要求的各項功能。</p><p>　　（3）按要求撰寫設(shè)計報告。</p><p>　　3 設(shè)計方案、算法原理說明</p><p>　　模擬模擬幅度調(diào)制（AM）的實質(zhì)是頻譜搬移。輸出已調(diào)調(diào)幅信號的時域一般表示式為</p><p>　　AM載波產(chǎn)生方法：正弦函數(shù)可以展開成泰勒級數(shù)。</p>&l

7、t;p>　　取泰勒級數(shù)的前n項，得近似計算式：</p><p>　　AM調(diào)制部分如圖3-1。</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　AM解調(diào)部分如圖3-2。</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　　圖3-3為AM的M

8、ATLAB仿真。</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　如果載波的瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號f(t)成線性變化，則為頻率調(diào)制。調(diào)頻信號表示式： </p><p><b>　　其瞬時頻率為:</b><

9、;/p><p><b>　　，其中ωc</b></p><p>　　是未調(diào)載波的標稱角頻率，f (t)是調(diào)制信號，系數(shù)KFM稱為頻偏常數(shù)。上圖為FM解調(diào)流程圖。圖3-5為FM的MATLAB仿真。設(shè)，由三角公式可得：</p><p>　　所以，可以看成是的同相分量，</p><p>　　，可以看成是的正交分量。</p&g

10、t;<p><b>　　則FM解調(diào)為：</b></p><p>　　在利用相位差分計算瞬時頻率，由于計算要進行除法和反正切運算，這對于非專用數(shù)字處理器來說是復(fù)雜的，當比較小時，也可以用下面的方法來計算瞬時頻率：</p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　4 程序設(shè)計、調(diào)試與結(jié)果分析&l

11、t;/p><p>　　本次課程設(shè)計主要完成了對AM與FM兩種調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)，其中AM解調(diào)嘗試了相干解調(diào)和正交解調(diào)進行對比。載波的實現(xiàn)分別進行了查表法和積算法比較，查表法載波數(shù)據(jù)和濾波器的設(shè)計參數(shù)都由Matlab進行計算得出。</p><p>　　4.1.1AM的調(diào)制</p><p>　　根據(jù)已知AM輸出已調(diào)調(diào)幅信號的時域一般表示式為</p><p&g

12、t;　　首先使用Matlab計算產(chǎn)生了256點正弦和余弦表，導(dǎo)入CCS仿真程序中,然后使用查表法產(chǎn)生合適頻率的載波,并通過觀測虛擬示波器,發(fā)現(xiàn)當查表取點間隔為32時,輸出頻率4005HZ的載波波形最佳。</p><p>　　Matlab余弦載波數(shù)據(jù)的計算方法如下：</p><p>　　仿真程序中AM調(diào)制的核心程序如下：</p><p>　　在DMA接收數(shù)據(jù)完畢，觸發(fā)

13、中斷，進入copyData子函數(shù)，通過調(diào)節(jié)載波幅值與輸入信號的音量大小使得輸出良好的調(diào)制信號。</p><p>　　使用虛擬示波器信號源輸入一個低頻正弦（或三角、方波）信號，觀測得到調(diào)制信號如圖4-1，圖4-2。</p><p>　　圖4-1虛擬示波器（時域）載波4005HZ，調(diào)制信號： 100HZ正弦</p><p>　　圖4-2虛擬示波器（時域）載波4005HZ

14、，調(diào)制信號： 100HZ三角</p><p>　　在仿真調(diào)試中，查看調(diào)制信號輸出，進入View->graph，配置信息如圖4-3：</p><p><b>　　圖4-3</b></p><p>　　點擊OK即可查看仿真調(diào)制信號輸出，如圖4-4：</p><p><b>　　圖4-4</b>&l

15、t;/p><p>　　4.1.2 利用DMA實時解調(diào)AM信號</p><p>　　首先我們考慮的是讓調(diào)制信號直接乘上同頻率載波信號，然后通過低通濾波器實現(xiàn)解調(diào)，如圖4-5，解調(diào)效果較為理想，不過需要處理好載波信號與調(diào)制信號的相位差問題，若調(diào)制信號的相位差出現(xiàn)周期性變化時，會導(dǎo)致解調(diào)的輸出幅值發(fā)生變化。所以我們通過發(fā)送調(diào)制波的同時在另一個聲道發(fā)送載波，使得載波和調(diào)制波有相同的相位變化。使用計算機

16、自帶播放軟件播放錄制的調(diào)制信號，如圖4-6.相干解調(diào)的程序如下：</p><p>　　圖4-5虛擬示波器(解調(diào)),時域,載波4005HZ,調(diào)制信號:100HZ正弦</p><p>　　圖4-6 錄制調(diào)制信號的輸出</p><p>　　然后我們考慮采用正交解調(diào)的方法，由于這種方法對載波的頻率和相位要求不是很高。所以應(yīng)該最終產(chǎn)生的波形會比較好。但事實是，利用上面的方法進

17、行解調(diào)時，輸出波形反而變得非常亂，而將其中的濾波部分注釋后，輸出波形又恢復(fù)正常。所以我們考慮可能是中間的sqrt()函數(shù)導(dǎo)致cpu處理過程時間太長，從而不能夠?qū)崿F(xiàn)實時濾波。此外在data.h中存放了余弦和正弦的表，以及低通濾波器的系數(shù)。在主程序中我們設(shè)置了buffer1到buffer7共七個緩沖區(qū)，在相干解調(diào)的過程中我們用到了buffer1、buffer2分別來放置采入的左右聲道的數(shù)據(jù)（此處buffer2改成放入本地載波），buffer

18、3存放AM與載波相乘后的波形，之后利用fir函數(shù)將buffer3通過濾波器后放入buffer5中。同時利用graph同時觀察各個緩沖區(qū)的波形，時域波形如圖4-7，頻域波形如圖4-8。正交解調(diào)核心程序如下：</p><p><b>　　圖4-7</b></p><p><b>　　圖4-8</b></p><p>　　在實際

19、調(diào)試過程中遇到了非常多的問題，每一個緩沖區(qū)的波形都出現(xiàn)過問題，buffer1和buffer2中的波形好壞就直接決定了最終解調(diào)結(jié)果的好壞。buffer1中的波形剛開始時好時壞，我們通過改變數(shù)據(jù)大小等方法，最終發(fā)現(xiàn)提高耳機的音量能夠十分有限得改善buffer1中的波形（可能因為改變了信噪比吧），通過經(jīng)驗我們發(fā)現(xiàn)在中間運算時加入一個float形的中間變量能夠十分有效地提高運算結(jié)果的精度，不過最后輸出的時候依舊要還原成int型，否則輸出波形會出

20、現(xiàn)問題。解調(diào)一個調(diào)制信號為800HZ載波4005HZ的調(diào)制波輸出頻譜如圖4-9.可觀測到解調(diào)出的頻譜峰值在780HZ左右，解調(diào)成功。</p><p><b>　　圖4-9</b></p><p>　　在使用本地載波的時候剛開始也發(fā)生了一些問題，就是通過濾波后低頻分量附近會有一些很難去除的雜波分量，當時以為可能是由于本地載波與AM載波有頻率差以及不同步引起的。在解調(diào)出的

21、波形比較良好的情況下，也會出現(xiàn)波形忽大忽小的情況，從理論上將，如果本地載波與AM載波的相位差不恒定，最后解調(diào)出的波形幅值大小就會有所改變，所以我們想到了在發(fā)送的AM波形中一個聲道放置AM波，另一個聲道放置載波，這樣就可以直接從音頻信號中提取載波了。經(jīng)過調(diào)試，效果很好，波形穩(wěn)定。</p><p>　　4.2.1 FM的調(diào)制</p><p>　　FM調(diào)制實質(zhì)是載波的瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號f(t

22、)成線性變化。</p><p>　　在參考題目的文檔中給出了FM調(diào)制的遞歸差分方程y[n]=A*y[n-1]-y[n-2]，其中：A=2cos(x)，x=ωFM/FS, FS為采樣頻率。最初我們就是按照這種計算方法來實行FM調(diào)制。但后來發(fā)現(xiàn)，計算法得到的波形頻率都較低，大概在400Hz的時候就波形開始失真，無法達到4000—8000Hz的要求。我們推測是計算法耗時很大，400Hz就是它的運算極限了。所以我們改用查

23、表法。</p><p>　　如果直接利用瞬時頻率，比較困難。而由公式可知，正弦信號每個周期的樣點數(shù)N由正弦信號的頻率及D/A轉(zhuǎn)換速率決定。所在已知的情況下，改變N的大小可以控制正弦信號的頻率。</p><p>　　查表法主要程序如下：</p><p>　　程序的k即對應(yīng)N，改變k的取值間隔就可以控制輸出余弦信號的頻率。如本題中k=k+32.即，每隔32個點取一個點，

24、則每個周期（256個點）中取8個點，所以余弦信號的頻率為32000/8=4000Hz。如果加入tempt就可以改變頻率大小，達到調(diào)頻的目的。</p><p>　　與對比發(fā)現(xiàn)實質(zhì)相同。</p><p>　　如下圖4-10是虛擬示波器輸出調(diào)制結(jié)果：載波為4005Hz，調(diào)制信號為200Hz正弦。如圖4-11是仿真輸出調(diào)制結(jié)果。</p><p><b>　　圖4-

25、10</b></p><p><b>　　圖4-11</b></p><p>　　4.2.2 FM的解調(diào)</p><p>　　根據(jù)前面介紹過的FM解調(diào)原理，用下面的方法來計算瞬時頻率：</p><p>　　但是在實際解調(diào)中沒有得到理想的波形，失真比較嚴重。</p><p>　　用于Fm

26、解調(diào)程序如下：</p><p>　　解調(diào)后虛擬示波器顯示時域不規(guī)則波形如圖4-12，但是頻率穩(wěn)定在193HZ，低頻分量較多如圖4-13：</p><p><b>　　圖4-12</b></p><p><b>　　圖4-13</b></p><p>　　4.3濾波器的設(shè)計與產(chǎn)生</p>

27、<p>　　Matlab中自帶濾波器設(shè)計工具想fdatool，可以為我們想要得到的濾波器提供參數(shù)支持。</p><p>　　具體操作是在matlab命令窗口鍵入fdatool，然后彈出設(shè)計濾波器的工具菜單，供我們選擇濾波器的類型，階數(shù)，截頻等等。如下圖4-14所示</p><p><b>　　圖4-14</b></p><p>　　

28、是利用kaiser窗函數(shù)法設(shè)計的FIR濾波器，截頻為1000Hz、抽樣率為48000Hz，階數(shù)為30。提取數(shù)據(jù)類型為“Signed 16-bit integer”，是為了與CCS中的數(shù)據(jù)類型想匹配，如圖4-15。同理可設(shè)計其他類型的濾波器。</p><p><b>　　圖4-15</b></p><p>　　5設(shè)計（安裝）與調(diào)試的體會</p><p

29、>　　在最初課程設(shè)計題目選擇的時候，通過對AM，F(xiàn)M的學習，感覺信號的調(diào)試和解調(diào)仿佛并不會太難。但是在實踐的過程中卻沒有那么一帆風順。我主要負責AM的調(diào)制與解調(diào)部分。首先需要解決的是信號傳輸?shù)膯栴}，在這部分我們先嘗試使用了Codec Mcbsp，但是后來因為傳輸速度及需要實時濾波的關(guān)系，改換成DMA的數(shù)據(jù)傳輸方式。在能夠進行正常的信號輸入及輸出后，我們開始調(diào)試載波的輸出，為了產(chǎn)生一個4000-8000Hz的穩(wěn)定正弦和余弦信號，先后

30、分別使用了計算法和查表法，通過對比發(fā)現(xiàn)：對于高頻信號的產(chǎn)生，當豐富查表點數(shù)后，查表法輸出波形更加穩(wěn)定出色，所以我學習使用matlab制作了256點的余弦表和正弦表。對于AM的調(diào)制進行的較為順利，但是進行到解調(diào)部分遇到了困難，首先是對于AM 解調(diào)方法的選擇，我們首先實驗了正交解調(diào)法，通過對該方法的學習，編寫了相關(guān)程序，卻無法輸出波形，在仿真的圖像觀察窗中也沒有輸出，通過數(shù)據(jù)觀察窗對解調(diào)中的每一個數(shù)組逐一檢查，發(fā)現(xiàn)是因為數(shù)組數(shù)據(jù)類型的問題，

31、導(dǎo)致在運算過程中發(fā)生了數(shù)據(jù)溢出和計算精度降低。通過添加中間變量并改寫數(shù)據(jù)類型，最終解決了這個問題。但是因為正交解調(diào)法中部分運算子函數(shù)</p><p>　　我在此次課程設(shè)計中收獲很大，在十來天的課題研究中學習到了許多：</p><p>　　第一：細節(jié)決定成敗，往往一個設(shè)計中，或許只是一個數(shù)據(jù)類型的錯誤就導(dǎo)致了整個輸出的異常。也可能是音量或者輸出信號幅值的調(diào)節(jié)不夠精確，導(dǎo)致輸出波形不夠理想。&

32、lt;/p><p>　　第二：耐心是成功的關(guān)鍵，這十幾天的實驗室課程學習中，碰到過各種問題，會感到無從下手，心煩氣躁。但是只有靜下心來，耐心的分析程序，仔細的逐一調(diào)試各個參數(shù)，不斷的排除錯誤，才能夠成功。</p><p>　　第三：他山之石可以攻玉，同在一個實驗室學習的其他同學，都會有各自的想法值得我們學習，在互相交流的過程中我們會發(fā)現(xiàn)自己的不足，并且少走很多彎路。</p>&l

33、t;p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　AM與FM的調(diào)制與解調(diào)在理論上都比較簡單，但實踐起來卻困難重重。我主要負責FM的調(diào)制與解調(diào)部分。開始時用到泰勒級數(shù)來計算并輸出載波。在得到完整的波形之前一直認為泰勒級數(shù)的精確度不夠，多次嘗試之后的巧合的輸出了一個完整的波形，但是最高頻率在400Hz左右就不行了，此時增加或減少泰勒級數(shù)都沒辦法得到改善。所以推測由于計算法耗時長，限制載頻

34、無法達到4000-8000Hz。之后才改做查表法。查表法做得比較順利，但是FM的解調(diào)一直沒有做出來。</p><p>　　通過本次的實驗有幾點很深的感觸：</p><p>　　第一，做研究要耐得住性子。在實驗室10天左右的時間，大部分都是在調(diào)試軟件，很有可能一整天都沒有什么進展，只是更加熟悉軟件的一些操作而已。由于對軟件和硬件都沒有足夠的認識，每天的任務(wù)基本上也是單調(diào)的，不斷地“Relo

35、ad”和調(diào)整音量大小應(yīng)該是頻率最高的動作了。但是我們一定要欣然接受，因為這樣我們至少知道怎樣做是錯的。</p><p>　　第二，要勤于思考和實踐。在實驗中最可怕的是沒事可做，因為這樣就真的是干耗時間了。所以我們得多思考，哪怕要改動的地方很不起眼或者沒有足夠的理論支持，我們都要嘗試，這樣就總有一種希望。</p><p>　　第三，同學之間要相互合作。主要負責AM，而我主要負責FM。在各

36、自解調(diào)的部分，我們調(diào)試的都很艱難。AM的解調(diào)是在出來后，給我莫大的鼓舞，雖然最后FM沒有解調(diào)成功?？墒沁@樣對團隊是有益的，通過相互學習可以讓對方少走很多彎路。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　[1]高海林、錢滿義．DSP技術(shù)及其應(yīng)用講義．2005年10月</p><p>　　[2]汪春梅、孫洪波．TMS32

37、0C55xDSP．北京：電子工業(yè)出版社，2005年10月</p><p>　　[3] TMS320C54x DSP CPU and Peripherals. Texas Instrument Inc，2001.</p><p>　　[4] TMS320C54x DSP Applications and Guide. Texas Instrument Inc，2001.</p>