文檔線性幅度調(diào)制系統(tǒng)的仿真設計

1、通信系統(tǒng)課程設計報告通信系統(tǒng)課程設計報告課題名稱 線性幅度調(diào)制系統(tǒng)的仿真設計 學生姓名 班 級 學 號 指導教師 設計地點 13年 12月 1日目 錄序言 1第 1 章MATLAB軟件介紹 2第2章 AM調(diào)制解調(diào) 32.1 AM調(diào)制指標要求 32.2 整體設計 32.2.1 AM調(diào)制設計 32.2.2 AM解調(diào)設計 4 2.3 AM調(diào)制流程圖 52.4 AM調(diào)制仿真結果及分析 6第3章 DSB調(diào)制解調(diào) 93.1 DSB調(diào)制指標要求 93.2 整體設計 93.2.1 DSB調(diào)制設計 93.2.2 DSB解調(diào)設計 103.3 DSB調(diào)制流程圖 113.4 DSB調(diào)制仿真結果及分析12第4章 SSB

2、調(diào)制解調(diào) 144.1 SSB 調(diào)制指標要求 144.2 整體設計 144.2.1 SSB調(diào)制設計 144.2.2 SSB解調(diào)設計 154.3 SSB調(diào)制流程圖 164.4 SSB調(diào)制仿真結果及分析 17參考文獻 19體會與建議 20附錄 21序 言這次課程設計的重點就是模擬通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本原理以及仿真，并在MATLAB軟件平臺上的仿真實現(xiàn)幾種常見的模擬調(diào)制方式。幅度調(diào)制是用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程 ，常分為標準調(diào)幅（AM）、抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）、單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶調(diào)制（VSB）等。在通信系統(tǒng)中，信道的頻段往往是有限的，而原始

3、的通道信號的頻段與信道要求的頻段是不匹配的，這就要求將原始信號進行調(diào)制再進行發(fā)送。相應的在接收端對調(diào)制的信號進行調(diào)解，恢復原始的信號，而且調(diào)制解調(diào)還可以在一定的程度上抑制噪聲對通信型號的干擾。調(diào)制解調(diào)技術按照通信信號是模擬的還是數(shù)字的可分為模擬調(diào)制調(diào)制和數(shù)字調(diào)制解調(diào)。但不論是模擬調(diào)制解調(diào)還是數(shù)字調(diào)制解調(diào)，都是通過將通信信號的信息加載到載波的幅度、頻率或者相位上，因此調(diào)制解調(diào)可有分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。通信系統(tǒng)有不同的分類的方法，根據(jù)是否采用調(diào)制，將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)頻帶調(diào)制的信號直接傳送，調(diào)制的方式有很多。調(diào)制方式按照傳輸特性，調(diào)制方式可分為線性調(diào)制和非

4、線性調(diào)制。廣義的線性調(diào)制，是指已調(diào)波中被調(diào)參數(shù)隨調(diào) 制信號成線性變化的調(diào)制過程。狹義的線性調(diào)制,是指把調(diào)制信號的頻譜搬移到載波頻率兩側而成為上、下邊帶的調(diào)制過程。此時只改變頻譜中各分量的頻率，但不改變各分量振幅的相對比例，使上邊帶的頻譜結構與調(diào)制信號的頻譜相同，下邊帶的頻譜結構則是調(diào)制信號頻譜的鏡像。狹義的線性調(diào)制有調(diào)幅(AM)、抑制載波的雙邊帶調(diào)制(DSB-SC)和單邊帶調(diào)制(SSB)、殘留邊帶調(diào)制（VSB）。調(diào)制和解調(diào)在通信系統(tǒng)中是一個極為重要的組成部分，采用什么樣的調(diào)制與解調(diào)方式將直接影響通信系統(tǒng)的性能。而模擬調(diào)制技術的原理還可以推廣到數(shù)字調(diào)制中，因此我們有必要對模擬調(diào)制技術進行研究。

5、第 1 章MATLAB 軟件介紹MATLAB是matrix & laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematca、Maple并稱為三大數(shù)學軟

6、件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導

7、入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。第 2 章 AM調(diào)制信號21AM調(diào)制指標要求（1）信源為fm=7Hz,Am=7V的余弦信號，載波fc=70Hz（2）根據(jù)線性幅度調(diào)制原理，確定調(diào)制系統(tǒng)設計方案（3）畫出AM調(diào)制信號時域波形和頻譜圖（4）對數(shù)據(jù)結果進行分析2.2 整體設計 2.2.1 AM調(diào)制設計標準調(diào)幅就是常規(guī)雙邊帶調(diào)制，簡稱調(diào)幅（AF）。假設調(diào)制信號m(t)的平均值為0，將其疊加一個直流偏量后與載波相乘(圖2-1),即可形成調(diào)幅信號。 載波乘法器加法器m(t) S(t)圖2-1 AM調(diào)制模型AM信號的時

8、域和頻域表達式分別為 SAM=(t)A0+m(t)coswc(t)=A0coswc(t)+m(t)coswc(t) (1) SAM()= A0(+C)+ (-)+1/2M（+）+M(-C) （2）式中，A0為外加的直流分量；m(t)可以是確知信號也可以是隨機信號，但通常認為其平均值為0，即 m(t) =0 。AM信號的頻譜SAM(t)是由載頻分量和上、下兩個邊帶組成（通常稱頻譜中畫斜線的部分為上邊帶，不畫斜線的部分為下邊帶）。上邊帶的頻譜與原調(diào)制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。顯然，無論是上邊帶還是下邊帶，都含有原調(diào)制信號的完整信息。故AM信號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信

9、號帶寬的兩倍，即BAM=2Bm=2fH (3)式中，Bm=fH為調(diào)制信號m(t)的帶寬，fH為調(diào)制信號的最高頻率。2.2.2 AM解調(diào)設計（1） AM信號的解調(diào)原理及方式 解調(diào)是將位于載波的信號頻譜再搬回來，并且不失真的恢復出原始基帶信號。解調(diào)的方式有兩種：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)適用于各種線性調(diào)制系統(tǒng)，非線性解調(diào)一般適用于幅度調(diào)制（AM）信號。（2）相干解調(diào)相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。解調(diào)是把在載頻位置的以調(diào)信號的譜搬回到原始基帶位置。由AM信號的頻譜可知，如果將已調(diào)信號的頻譜搬回到原點位置，即可得到原始的調(diào)制信號頻譜，從而恢復出原始信號。解調(diào)中的頻譜搬移

10、同樣可用調(diào)制時的相乘運算來實現(xiàn)。 載波低通濾波器乘法器S（t） m(t)圖2-2 相干解調(diào)原理圖SAM(t)coswct=A0+m(t)cos2wct=1/2A0+m(t)+1/2A0+m(t)cos2wct(1)2.3AM調(diào)制流程圖 開始 為各個變量賦初值生成源信號m(t)對m(t)進行AM調(diào)制計算帶寬畫出AM信號波形畫出AM相干解調(diào)波形畫出AM頻譜圖 結束圖2-3 AM調(diào)制流程圖2.4 AM調(diào)制仿真及分析 仿真程序close all;clear all;dt=0.0001; %時間采樣間隔fm=7; %信源最高頻率fc=70; %載波中心頻率T=1 %信號時長N=T/dt;t=0:N-1*

11、dt;mt=7*cos(2*pi*fm*t); %信源，調(diào)制信號m(t)表達式%AM modulationA=7; %不失真條件，A要大于m(t)的最大值s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); %AM時域表達式B=2*fm; %帶通濾波器帶寬figure(1) %表示顯示在一張圖片上subplot(311) %3表示上下顯示三個，1表示一行顯示一個，1表示顯示的位置plot(t,s_am);hold on; %畫出AM信號波形 ，hold on 繼續(xù) plot(t,A+mt,r-); %標出AM的包絡title(AM調(diào)制信號)xlabel(t); %橫坐標顯示tgrid on

12、%AM demodulationrt=s_am.*cos(2*pi*fc*t); %相干解調(diào) 表達式rt=rt-mean(rt);f,rf=FFT_SHIFT(t,rt);t,rt=RECT_LPF(f,rf,2*fm); %低通濾波subplot(312)plot(t,rt);hold on;title(AM相干解調(diào)后的信號波形)xlabel(t)grid onsubplot(313)f,sf=FFT_SHIFT(t,s_am); %調(diào)制信號頻譜plot(f,sf);hold on; %畫出頻譜圖形axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(sf); title(AM信號頻譜)xla

13、bel(f); %橫坐標顯示fgrid on 圖2-4AM仿真圖形（不過載）A=7。由圖2-4可以看出AMD 的調(diào)制信號幅值的為-20到+20，周期為0.13圖2-5AM仿真圖形（過載）A=1由圖2-5可以看出AMD 的調(diào)制信號的幅值為-10到+10周期為0.13（1）當未滿足|m(t)|maxA0的條件時，就會出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象，這時包絡檢波將會發(fā)生失真。本題過調(diào)幅時的參數(shù)（A0=10，|m(t)|=7）表達式為f(t)=(8+7)coswct。（2）可以看出AM調(diào)制占用頻帶較寬，已調(diào)信號的頻帶寬度是調(diào)制信號的頻帶的兩倍。（3）AM信號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍，所

14、以信道利用率不高，傳輸效率很低。（4）由圖2-4看出帶寬為BAM=2Bm=2fH=14hz，與理論值一致。第3章 DSB調(diào)制信號3.1 DSB調(diào)制指標要求（1）信源為fm=7Hz,Am=7V的余弦信號，載波fc=70Hz（2）根據(jù)線性幅度調(diào)制原理，確定調(diào)制系統(tǒng)設計方案（3）畫出DSB調(diào)制解調(diào)信號時域波形和頻譜圖（4）對數(shù)據(jù)結果進行分析3.2 整體設計3.2.1 DSB調(diào)制設計在AM信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送。如果將載波抑制，只需在將直流去掉，即可輸出抑制載波雙邊帶信號，簡稱雙邊帶信號（DSB）。DSB調(diào)制器模型如圖3-1所示。m(t)SDSB(t)cosc(t)圖3-1

15、DSB調(diào)制模型 其中，設正弦載波為c(t)=Acos(ct+0) (1)式中，為載波幅度；為載波角頻率；為初始相位（假定0為0）。調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調(diào)是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復出原始基帶信號。3.2.2 DSB解調(diào)設計雙邊帶解調(diào)通常采用相干解調(diào)的方式，它使用一個同步解調(diào)器，即由相乘器和低通濾波器組成。在解調(diào)過程中，輸入信號和噪聲可以分別單獨解調(diào)。相干解調(diào)的原理框圖如圖2-2所示 c(t)=Acos(ct+0) (2)乘法器低通濾波器 (t)Sm(t)m0(t)圖3-2 相干解調(diào)器原理圖信號傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率

16、為2。DSB信號只能運用相干解調(diào)，SDSB(t).coswct=m(t)cos2wct=1/2m(t)+1/2m(t)cos2wct (3)經(jīng)低通濾波器濾除高次項，得M0(t)=1/2m(t) (4) 無失真的恢復原始電信號。3.3 DSB調(diào)制流程圖 開始 為各個變量賦初值生成源信號m(t)對m(t)進行DSB調(diào)制計算帶寬畫出DSB信號波形畫出DSB相干解調(diào)波形畫出DSB頻譜圖 結束圖3-3 DSB調(diào)制流程圖3.4 DSB調(diào)制仿真及分析仿真程序close all;clear all;dt=0.0001; %時間采樣間隔fm=7; %信源最高頻率fc=70; %載波中心頻率T=1 %信號時長N=

17、T/dt;t=0:N-1*dt;mt=7*cos(2*pi*fm*t); %信源，調(diào)制信號m(t)表達式%DSB modulations_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); %DSB時域表達式B=2*fm; %帶通濾波器帶寬figure(1) %表示顯示在一張圖片上subplot(312) %3表示上下顯示三個，1表示一行顯示一個，2表示顯示的位置plot(t,s_dsb);hold on; %畫出DSB信號波形 ，hold on 繼續(xù) plot(t,mt,r-); %標出mt的波形 title(DSB調(diào)制信號)xlabel(t); %橫坐標顯示tgrid on%DSB demod

18、ulationrt=s_dsb.*cos(2*pi*fc*t); %相干解調(diào) 表達式rt=rt-mean(rt);f,rf=FFT_SHIFT(t,rt);t,rt=RECT_LPF(f,rf,2*fm); %低通濾波subplot(312)plot(t,rt); hold on;title(DSB相干解調(diào)后的信號波形)xlabel(t);grid onsubplot(313)f,sf=FFT_SHIFT(t,s_dsb); %調(diào)制信號頻譜plot(f,sf);hold on; %畫出頻譜圖形axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(sf); title(DSB信號頻譜)xlabel

19、(f); %橫坐標顯示fgrid on圖3-4 DSB仿真圖形由圖3-4可以看出，DSB的調(diào)制信號幅值為-10到+10周期為0.13，有上邊帶和下邊帶（1）DSB的頻譜不含載頻，只有兩個邊帶，仍是線性頻譜搬移（頻譜線性搬移即將調(diào)制信號頻譜線性搬移至載頻附近）。（2）DSB的帶寬和AM的帶寬相同，所以頻帶利用率都比較低。（3）與AM信號頻譜相比，因為不存在載波分量，DSB信號的頻譜少掉了載頻部分的頻譜；（4）DSB信號所需的傳輸帶寬仍是調(diào)制信號的2倍。（5）由圖3-4看出帶寬為BAM=2Bm=2fH=14hz，與理論值一致。第4章 SSB調(diào)制信號4.1 SSB調(diào)制指標要求（1）信源為fm=7Hz

20、,Am=7V的余弦信號，載波fc=70Hz（2）根據(jù)線性幅度調(diào)制原理，確定調(diào)制系統(tǒng)設計方案（3）畫出SSB調(diào)制信號時域波形和頻譜圖（4）對數(shù)據(jù)結果進行分析4.2 整體設計4.2.1 SSB調(diào)制設計用濾波法實現(xiàn)單邊帶調(diào)制的原理圖如圖4-1所示，圖中的HSSB()為單邊帶濾波器。產(chǎn)生SSB信號最直觀方法的是，將HSSB()設計成具有理想高通特性HH()或理想低通特性HL()的單邊帶濾波器，從而只讓所需的一個邊帶通過，而濾除另一個邊帶。產(chǎn)生上邊帶信號時HSSB()即為HH()，產(chǎn)生下邊帶信號時HSSB()即為HL()。 載波 Hssb(w)乘法器 Sdsb(t)m(t)Sssb(t)圖4-1 SSB

21、信號調(diào)制模型顯然，SSB信號的頻譜可表示為SSSB(w)=SDSB(w)HSSB(w)=1/2M(w+wc)+M(w-wc)HSSB(w) (1)用濾波法實現(xiàn)SSB信號，原理框圖簡潔、直觀，但存在的一個重要問題是單邊帶濾波器不易制作。這是因為，理想特性的濾波器是不可能做到的，實際濾波器從通帶到阻帶總有一個過渡帶。濾波器的實現(xiàn)難度與過渡帶相對于載頻的歸一化值有關，過渡帶的歸一化值愈小，分割上、下邊帶就愈難實現(xiàn)。而一般調(diào)制信號都具有豐富的低頻成分，經(jīng)過調(diào)制后得到的DSB信號的上、下邊帶之間的間隔很窄，要想通過一個邊帶而濾除另一個，要求單邊帶濾波器在附近具有陡峭的截止特性即很小的過渡帶，這就使得濾波

22、器的設計與制作很困難，有時甚至難以實現(xiàn)。為此，實際中往往采用多級調(diào)制的辦法，目的在于降低每一級的過渡帶歸一化值，減小實現(xiàn)難度。4.2.2 SSB解調(diào)設計從SSB信號調(diào)制原理圖中不難看出，SSB信號的包絡不再與調(diào)制信號成正比，因此SSB信號的解調(diào)也不能采用簡單的包絡檢波，需采用相干解調(diào)低通濾波器乘法器 載波 Sp(t)Sssb(t)m(t)圖4-2 SSB信號相干解調(diào)原理圖乘法器輸出 Sp(t)=Sssb(t)*cosct=1/2m(t)cosctm(t)sinct cosct=1/2m(t) cos2ct1/2m(t)cosct sinct =1/4m(t)+1/4m(t) cos2ct1/4

23、m(t)sin2ct(2)經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為m0(t)=1/4m(t)(3)因而可得到無失真的調(diào)制信號。4.3 SSB調(diào)制流程圖 開始 為各個變量賦初值生成源信號m(t)對m(t)進行DSB調(diào)制計算帶寬畫出DSB信號波形畫出DSB相干解調(diào)波形畫出DSB頻譜圖 結束圖4-3 SSB調(diào)制流程圖4.4 SSB調(diào)制仿真及分析仿真程序close all;clear all;dt=0.0001; %時間采樣間隔fm=7; %信源最高頻率fc=70; %載波中心頻率T=1 %信號時長N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=7*cos(2*pi*fm*t); %信源，調(diào)制信號m(t)表達式%SSB m

24、odulation 調(diào)幅s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t); %SSB時域表達式B=fm; %帶通濾波器帶寬figure(1) %表示顯示在一張圖片上subplot(313) %3表示上下顯示三個，1表示一行顯示一個，3表示顯示的位置plot(t,s_ssb);hold on; %畫出SSB信號波形 ，hold on 繼續(xù) plot(t,mt,r-); %標出mt的包絡title(SSB調(diào)制信號)xlabel(t);grid on%SSB demodulation 解調(diào)，檢波rt=s_ssb.*cos(2*pi*fc*t); %相干解調(diào)f,rf=F

25、FT_SHIFT(t,rt);t,nr=RECT_LPF(f,rf,2*fm); %低通濾波subplot(312)plot(t,nr); hold on;title(SSB相干解調(diào)后的信號波形)xlabel(t);grid onsubplot(313)f,sf=FFT_SHIFT(t,s_ssb); %單邊帶信號頻譜plot(f,sf);hold on; %畫出頻譜圖形axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(sf); title(SSB信號頻譜)xlabel(f);grid on圖4-4 SSB仿真圖形由圖4-4可以看出，SSB的調(diào)制信號幅值為-10到+10，周期為0.13，只有

26、一個下邊帶（1）由頻譜仿真結果可以看出，SSB信號的實現(xiàn)比AM，DSB要復雜，SSB調(diào)制方式在傳輸時，傳輸?shù)氖且粋€邊帶，節(jié)省發(fā)射功率；（2）SSB的傳輸帶寬比AM、DSB壓縮一半，頻帶利用率高。（3）和DSB頻譜圖相比，SSB的頻譜圖出現(xiàn)的只有一個邊帶，但仍是頻譜線性搬移。 （4）由圖4-4看出帶寬為BAM=2Bm=2fH=14hz，與理論值一致。參考文獻1 樊昌信.曹麗娜等.通信原理（第六版）.北京.國防工業(yè)出版社。2 王興亮.通信系統(tǒng)原理教程【M】.西安電子科技大學出版。3 劉穎. 數(shù)字通信原理與技術 北京.北京郵電大學出版社，20024 徐金明.MATLAB應用基礎.北京.北京交通大學出

27、版社。5 趙鴻圖、茅艷等.通信原理MATLAB仿真教程【M】.北京.人民郵電出版社。6 汪浩 軟件無線電調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn) 航空電子技術 2005（36）57-59體會與建議通過這次的課程設計，我更進一步地了解了AM、DSB和SSB的調(diào)制與相干解調(diào)原理，特別是對其調(diào)制解調(diào)電路用Matlab來實現(xiàn)并進行分析。這次的課程設計讓我們在原來的理論基礎上加以實踐，讓我們更深刻地了解了模擬調(diào)制的過程，這對我們以后寫畢業(yè)論文和找工作方面都有巨大的益處。依照以前所學MTLAB的書上介紹的MATLAB軟件，實驗準備之時我對MATLAB的相關知識及其應用也一定的了解，回顧了一下MATLAB編程語言。然后根據(jù)線性調(diào)制幅度原理確定設計了方案。通過上網(wǎng)查找與相關線性調(diào)制幅度相關的實驗程序，結合本