文档线性幅度调制系统的仿真设计_课程设计报告.doc

通信系统课程设计报告通信系统课程设计报告课题名称 线性幅度调制系统的仿真设计 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 设计地点 13年 12月 1日目 录序言 1第 1 章matlab软件介绍 2第2章 am调制解调 32.1 am调制指标要求 32.2 整体设计 32.2.1 am调制设计 32.2.2 am解调设计 4 2.3 am调制流程图 52.4 am调制仿真结果及分析 6第3章 dsb调制解调 93.1 dsb调制指标要求 93.2 整体设计 93.2.1 dsb调制设计 93.2.2 dsb解调设计 103.3 dsb调制流程图 113.4 dsb调制仿真结果及分析12第4章 ssb调制解调 144.1 ssb 调制指标要求 144.2 整体设计 144.2.1 ssb调制设计 144.2.2 ssb解调设计 154.3 ssb调制流程图 164.4 ssb调制仿真结果及分析 17参考文献 19体会与建议 20附录 21序 言这次课程设计的重点就是模拟通信系统中的调制解调系统的基本原理以及仿真，并在matlab软件平台上的仿真实现几种常见的模拟调制方式。幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化的过程 ，常分为标准调幅（am）、抑制载波双边带调制（dsb）、单边带调制（ssb）和残留边带调制（vsb）等。在通信系统中，信道的频段往往是有限的，而原始的通道信号的频段与信道要求的频段是不匹配的，这就要求将原始信号进行调制再进行发送。相应的在接收端对调制的信号进行调解，恢复原始的信号，而且调制解调还可以在一定的程度上抑制噪声对通信型号的干扰。调制解调技术按照通信信号是模拟的还是数字的可分为模拟调制调制和数字调制解调。但不论是模拟调制解调还是数字调制解调，都是通过将通信信号的信息加载到载波的幅度、频率或者相位上，因此调制解调可有分为幅度调制、频率调制和相位调制。通信系统有不同的分类的方法，根据是否采用调制，将通信系统分为基带传输和频带传输。基带传输是将未经频带调制的信号直接传送，调制的方式有很多。调制方式按照传输特性，调制方式可分为线性调制和非线性调制。广义的线性调制，是指已调波中被调参数随调 制信号成线性变化的调制过程。狭义的线性调制,是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。此时只改变频谱中各分量的频率，但不改变各分量振幅的相对比例，使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同，下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。狭义的线性调制有调幅(am)、抑制载波的双边带调制(dsb-sc)和单边带调制(ssb)、残留边带调制（vsb）。调制和解调在通信系统中是一个极为重要的组成部分，采用什么样的调制与解调方式将直接影响通信系统的性能。而模拟调制技术的原理还可以推广到数字调制中，因此我们有必要对模拟调制技术进行研究。 第 1 章matlab 软件介绍matlab是matrix & laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如c、fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。matlab和mathematca、maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用matlab来解算问题要比用c，fortran等语言完成相同的事情简捷得多，并且matlab也吸收了像maple等软件的优点，使matlab成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对c，fortran，c+，java的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到matlab函数库中方便自己以后调用，此外许多的matlab爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。第 2 章 am调制信号21am调制指标要求（1）信源为fm=7hz,am=7v的余弦信号，载波fc=70hz（2）根据线性幅度调制原理，确定调制系统设计方案（3）画出am调制信号时域波形和频谱图（4）对数据结果进行分析2.2 整体设计 2.2.1 am调制设计标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（af）。假设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个直流偏量后与载波相乘(图2-1),即可形成调幅信号。 载波乘法器加法器m(t) s(t)图2-1 am调制模型am信号的时域和频域表达式分别为 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为外加的直流分量；m(t)可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即 m(t) =0 。am信号的频谱sam(t)是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故am信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即bam=2bm=2fh (3)式中，bm=fh为调制信号m(t)的带宽，fh为调制信号的最高频率。2.2.2 am解调设计（1） am信号的解调原理及方式 解调是将位于载波的信号频谱再搬回来，并且不失真的恢复出原始基带信号。解调的方式有两种：相干解调和非相干解调。相干解调适用于各种线性调制系统，非线性解调一般适用于幅度调制（am）信号。（2）相干解调相干解调也叫同步检波。解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。解调是把在载频位置的以调信号的谱搬回到原始基带位置。由am信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。 载波低通滤波器乘法器s（t） m(t)图2-2 相干解调原理图sam(t)coswct=a0+m(t)cos2wct=1/2a0+m(t)+1/2a0+m(t)cos2wct(1)2.3am调制流程图 开始 为各个变量赋初值生成源信号m(t)对m(t)进行am调制计算带宽画出am信号波形画出am相干解调波形画出am频谱图 结束图2-3 am调制流程图2.4 am调制仿真及分析 仿真程序close all;clear all;dt=0.0001; %时间采样间隔fm=7; %信源最高频率fc=70; %载波中心频率t=1 %信号时长n=t/dt;t=0:n-1*dt;mt=7*cos(2*pi*fm*t); %信源，调制信号m(t)表达式%am modulationa=7; %不失真条件，a要大于m(t)的最大值s_am=(a+mt).*cos(2*pi*fc*t); %am时域表达式b=2*fm; %带通滤波器带宽figure(1) %表示显示在一张图片上subplot(311) %3表示上下显示三个，1表示一行显示一个，1表示显示的位置plot(t,s_am);hold on; %画出am信号波形 ，hold on 继续 plot(t,a+mt,r-); %标出am的包络title(am调制信号)xlabel(t); %横坐标显示tgrid on%am demodulationrt=s_am.*cos(2*pi*fc*t); %相干解调 表达式rt=rt-mean(rt);f,rf=fft_shift(t,rt);t,rt=rect_lpf(f,rf,2*fm); %低通滤波subplot(312)plot(t,rt);hold on;title(am相干解调后的信号波形)xlabel(t)grid onsubplot(313)f,sf=fft_shift(t,s_am); %调制信号频谱plot(f,sf);hold on; %画出频谱图形axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(sf); title(am信号频谱)xlabel(f); %横坐标显示fgrid on 图2-4am仿真图形（不过载）a=7。由图2-4可以看出amd 的调制信号幅值的为-20到+20，周期为0.13图2-5am仿真图形（过载）a=1由图2-5可以看出amd 的调制信号的幅值为-10到+10周期为0.13（1）当未满足|m(t)|maxa0的条件时，就会出现“过调幅”现象，这时包络检波将会发生失真。本题过调幅时的参数（a0=10，|m(t)|=7）表达式为f(t)=(8+7)coswct。（2）可以看出am调制占用频带较宽，已调信号的频带宽度是调制信号的频带的两倍。（3）am信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，所以信道利用率不高，传输效率很低。（4）由图2-4看出带宽为bam=2bm=2fh=14hz，与理论值一致。第3章 dsb调制信号3.1 dsb调制指标要求（1）信源为fm=7hz,am=7v的余弦信号，载波fc=70hz（2）根据线性幅度调制原理，确定调制系统设计方案（3）画出dsb调制解调信号时域波形和频谱图（4）对数据结果进行分析3.2 整体设计3.2.1 dsb调制设计在am信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，只需在将直流去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（dsb）。dsb调制器模型如图3-1所示。m(t)sdsb(t)cosc(t)图3-1 dsb调制模型 其中，设正弦载波为c(t)=acos(ct+0) (1)式中，为载波幅度；为载波角频率；为初始相位（假定0为0）。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。3.2.2 dsb解调设计双边带解调通常采用相干解调的方式，它使用一个同步解调器，即由相乘器和低通滤波器组成。在解调过程中，输入信号和噪声可以分别单独解调。相干解调的原理框图如图2-2所示 c(t)=acos(ct+0) (2)乘法器低通滤波器 (t)sm(t)m0(t)图3-2 相干解调器原理图信号传输信道为高斯白噪声信道，其功率为2。dsb信号只能运用相干解调，sdsb(t).coswct=m(t)cos2wct=1/2m(t)+1/2m(t)cos2wct (3)经低通滤波器滤除高次项，得m0(t)=1/2m(t) (4) 无失真的恢复原始电信号。3.3 dsb调制流程图 开始 为各个变量赋初值生成源信号m(t)对m(t)进行dsb调制计算带宽画出dsb信号波形画出dsb相干解调波形画出dsb频谱图 结束图3-3 dsb调制流程图3.4 dsb调制仿真及分析仿真程序close all;clear all;dt=0.0001; %时间采样间隔fm=7; %信源最高频率fc=70; %载波中心频率t=1 %信号时长n=t/dt;t=0:n-1*dt;mt=7*cos(2*pi*fm*t); %信源，调制信号m(t)表达式%dsb modulations_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); %dsb时域表达式b=2*fm; %带通滤波器带宽figure(1) %表示显示在一张图片上subplot(312) %3表示上下显示三个，1表示一行显示一个，2表示显示的位置plot(t,s_dsb);hold on; %画出dsb信号波形 ，hold on 继续 plot(t,mt,r-); %标出mt的波形 title(dsb调制信号)xlabel(t); %横坐标显示tgrid on%dsb demodulationrt=s_dsb.*cos(2*pi*fc*t); %相干解调 表达式rt=rt-mean(rt);f,rf=fft_shift(t,rt);t,rt=rect_lpf(f,rf,2*fm); %低通滤波subplot(312)plot(t,rt); hold on;title(dsb相干解调后的信号波形)xlabel(t);grid onsubplot(313)f,sf=fft_shift(t,s_dsb); %调制信号频谱plot(f,sf);hold on; %画出频谱图形axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(sf); title(dsb信号频谱)xlabel(f); %横坐标显示fgrid on图3-4 dsb仿真图形由图3-4可以看出，dsb的调制信号幅值为-10到+10周期为0.13，有上边带和下边带（1）dsb的频谱不含载频，只有两个边带，仍是线性频谱搬移（频谱线性搬移即将调制信号频谱线性搬移至载频附近）。（2）dsb的带宽和am的带宽相同，所以频带利用率都比较低。（3）与am信号频谱相比，因为不存在载波分量，dsb信号的频谱少掉了载频部分的频谱；（4）dsb信号所需的传输带宽仍是调制信号的2倍。（5）由图3-4看出带宽为bam=2bm=2fh=14hz，与理论值一致。第4章 ssb调制信号4.1 ssb调制指标要求（1）信源为fm=7hz,am=7v的余弦信号，载波fc=70hz（2）根据线性幅度调制原理，确定调制系统设计方案（3）画出ssb调制信号时域波形和频谱图（4）对数据结果进行分析4.2 整体设计4.2.1 ssb调制设计用滤波法实现单边带调制的原理图如图4-1所示，图中的hssb()为单边带滤波器。产生ssb信号最直观方法的是，将hssb()设计成具有理想高通特性hh()或理想低通特性hl()的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带信号时hssb()即为hh()，产生下边带信号时hssb()即为hl()。 载波 hssb(w)乘法器 sdsb(t)m(t)sssb(t)图4-1 ssb信号调制模型显然，ssb信号的频谱可表示为sssb(w)=sdsb(w)hssb(w)=1/2m(w+wc)+m(w-wc)hssb(w) (1)用滤波法实现ssb信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。而一般调制信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的dsb信号的上、下边带之间的间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波器在附近具有陡峭的截止特性即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时甚至难以实现。为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的过渡带归一化值，减小实现难度。4.2.2 ssb解调设计从ssb信号调制原理图中不难看出，ssb信号的包络不再与调制信号成正比，因此ssb信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调低通滤波器乘法器 载波 sp(t)sssb(t)m(t)图4-2 ssb信号相干解调原理图乘法器输出 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) cos2ct1/4m(t)sin2ct(2)经低通滤波后的解调输出为m0(t)=1/4m(t)(3)因而可得到无失真的调制信号。4.3 ssb调制流程图 开始 为各个变量赋初值生成源信号m(t)对m(t)进行dsb调制计算带宽画出dsb信号波形画出dsb相干解调波形画出dsb频谱图 结束图4-3 ssb调制流程图4.4 ssb调制仿真及分析仿真程序close all;clear all;dt=0.0001; %时间采样间隔fm=7; %信源最高频率fc=70; %载波中心频率t=1 %信号时长n=t/dt;t=0:n-1*dt;mt=7*cos(2*pi*fm*t); %信源，调制信号m(t)表达式%ssb modulation 调幅s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t); %ssb时域表达式b=fm; %带通滤波器带宽figure(1) %表示显示在一张图片上subplot(313) %3表示上下显示三个，1表示一行显示一个，3表示显示的位置plot(t,s_ssb);hold on; %画出ssb信号波形 ，hold on 继续 plot(t,mt,r-); %标出mt的包络title(ssb调制信号)xlabel(t);grid on%ssb demodulation 解调，检波rt=s_ssb.*cos(2*pi*fc*t); %相干解调f,rf=fft_shift(t,rt);t,nr=rect_lpf(f,rf,2*fm); %低通滤波subplot(312)plot(t,nr); hold on;title(ssb相干解调后的信号波形)xlabel(t);grid onsubplot(313)f,sf=fft_shift(t,s_ssb); %单边带信号频谱plot(f,sf);hold on; %画出频谱图形axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(sf); title(ssb信号频谱)xlabel(f);grid on图4-4 ssb仿真图形由图4-4可以看出，ssb的调制信号幅值为-10到+10，周期为0.13，只有一个下边带（1）由频谱仿真结果可以看出，ssb信号的实现比am，dsb要复杂，ssb调制方式在传输时，传输的是一个边带，节省发射功率；（2）ssb的传输带宽比am、dsb压缩一半，频带利用率高。（3）和dsb频谱图相比，ssb的频谱图出现的只有一个边带，但仍是频谱线性搬移。 （4）由图4-4看出带宽为bam=2bm=2fh=14hz，与理论值一致。参考文献1 樊昌信.曹丽娜等.通信原理（第六版）.北京.国防工业出版社。2 王兴亮.通信系统原理教程【m】.西安电子科技大学出版。3 刘颖. 数字通信原理与技术 北京.北京邮电大学出版社，20024 徐金明.matlab应用基础.北京.北京交通大学出版社。5 赵鸿图、茅艳等.通信原理matlab仿真教程【m】.北京.人民邮电出版社。6 汪浩 软件无线电调制解调系统的仿真与实现 航空电子技术 2005（36）57-59体会与建议通过这次的课程设计，我更进一步地了解了am、dsb和ssb的调制与相干解调原理，特别是对其调制解调电路用matlab来实现并进行分析。这次的课程设计让我们在原来的理论基础上加以实践，让我们更深刻地了解了模拟调制的过程，这对我们以后写毕业论文和找工作方面都有巨大的益处。依照以前所学mtlab的书上介绍的matlab软件，实验准备之时我对matlab的相关知识及其应用也一定的了解，回顾了一下matlab编程语言。然后根据线性调制幅度原理确定设计了方案。通过上网查找与相关线性调制幅度相关的实验程序，结合本