模拟调制技术性能比较

1、 课 题： 模拟调制技术性能比较 院 （系）： 专 业： 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 摘要调制，在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。而模拟调制技术是非常重要的一种调制方式。本文主要运用MATLAB软件，通过写程序完成模拟调制技术（本文主要侧重线性调制）的仿真，并对仿真结果进行分析，比较模拟调制技术性能。关键字：线性调制 AM调制 DSB调制 SSB调制 MATLAB仿真一、通信系统仿真设计的目的和要求1、目的：以MATLAB作为编程和通信仿真的工具，通过仿真，加深对通信原理知识的理解，同时，掌握利用MATLAB来进行通信仿真设

2、计的基本方法。2、具体要求如下：模拟调制技术性能比较的仿真设计给定单音信号，载波；请按原理及给定条件和要求，借助MATLAB设计一模拟通信系统：当采用AM调制时，A取2；当采用DSB和SSB调制时，A取1；解调时，加入经接收端带通滤波后，功率为0.1的窄带高斯白噪声。AM解调时要用相干解调与包络检波；包络检波时：取R=50，C分别为2F，20F和0.2F；电路结构见下图。按要求仿真并画出各种调制及解调后的信号波形图；分析比较各种技术的性能；调用的子程序必须能运行并与主程序能有效连接。二、幅度调制（线性调制）的原理幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度

3、调制器的一般模型如图1所示。图中，为调制信号，为已调信号，为滤波器的冲激响应，则已调信号的时域和频域一般表达式分别为 式中，为调制信号的频谱，为载波角频率。由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。在图1的一般模型中，适当选择滤波器的特性，便可得到各种幅度调制信号，例如：常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等。（1）常规双边带调幅（AM）

4、 1. AM信号的表达式、频谱及带宽AM调制器模型如图2所示。假设滤波器为全通网络（1），调制信号叠加直流后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。AM信号的时域和频域表示式分别为式中，为外加的直流分量；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。 AM信号的典型波形和频谱分别如图3所示，图中假定调制信号的上限频率为。显然，调制信号的带宽为。由图可知，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。 但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足 ，否则将出现过调幅现象而带来失真。由频谱可以看出，AM信号的频谱是由载频分量和上、下两

5、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。因此，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 式中，为调制信号的带宽，为调制信号的最高频率。2. AM信号的解调调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信号。 AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。（1）相干解调 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。相干解调的原理框图如图4所示。

6、将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号 想干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的的载波。如果同频同相位条件得不到满足，则会破坏原始信号的回复。（2） 包络检波法由的波形可见，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成。一个二极管峰值包络检波器如图5所示，电路由二极管D、电阻R和电容C组成。当RC满足条件时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即 隔去直流后即可得到原信号。包络检波法属于非相干解调法，其

7、特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。 综上所述，可以看出，采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。（2）抑制载波的双边带调幅（DSB）1. DSB信号的表达式、频谱及带宽在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（1），调制信号中无直流分量，则输出的已调信号就

8、是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB）调制信号，简称双边带（DSB）信号。DSB调制器模型如图6所示。可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为DSB信号的包络不再与的变化规律一致，因此不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍， 即 式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。2. DSB信号的功率分配及调制效率由于不再含有载波成分，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信号功

9、率的一半，即式中，为边带功率，为调制信号功率。显然，DSB信号的调制效率为100%。3. DSB信号的解调 DSB信号只能采用相干解调，其模型与AM信号相干解调时完全相同，如图4所示。此时，乘法器输出 经低通滤波器滤除高次项，得即无失真地恢复出原始电信号。 抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。（3）单边带调制（SSB）由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演变出另一种新的调制方式单边带调制

10、（SSB）。1. SSB信号的产生产生SSB信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。 （1）用滤波法形成SSB信号 用滤波法实现单边带调制的原理图如图7所示，图中的为单边带滤波器。产生SSB信号最直观方法的是，将设计成具有理想高通特性或理想低通特性的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带信号时即为，产生下边带信号时即为。 SSB信号的频谱可表示为用滤波法形成SSB信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题即单边带滤波器不易制作。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

11、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。（2）用相移法形成SSB信号 SSB信号的时域表示式为 式中，“”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；表示把的所有频率成分均相移，称是的希尔伯特变换。 根据上式可得到用相移法形成SSB信号的一般模型，如图8所示。图中，为希尔伯特滤波器

12、，它实质上是一个宽带相移网络，对中的任意频率分量均相移。 相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移，这一点即使近似达到也是困难的。2. SSB信号的带宽、功率和调制效率 从SSB信号调制原理图中可以清楚地看出，SSB信号的频谱是DSB信号频谱的一个边带，其带宽为DSB信号的一半，与基带信号带宽相同，即式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。由于仅包含一个边带，因此SSB信号的功率为DSB信号的一半，即 显然，因SSB信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为100%。3. SSB信号的解调 从SSB信号调制原理图中不难看出，SSB信号的包

13、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，如图9所示。此时，乘法器输出经低通滤波后的解调输出为从而可得到无失真的调制信号。综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大。三、MATLAB程序仿真与分析1、AM调制给定单音信号，载波，A取2，解调时，加入经接收端带通滤波后，功率为0.1的窄带高斯白噪声，AM解调时要用相干解调与包络检波，包络检波时：取R=50，C分别为2F，20F和0.2F。其MATLAB程序见附录（包络检波子程序见附录），其仿真结果如图10和

14、图11：图 10 AM调制与相干解调过程信号波形频谱图从图10的A图、E图和I图可看出，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律呈正比地变化；由B图、F图和J图可看出，在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，若调制信号频率为，载波频率，调制后信号频率搬移至处；从D图和H图，可看出解调时的频谱亦是在频域内的简单搬移。因此，可验证，AM调制是线性调制。从I图和C图、J图和D图可以得出加入噪声是小噪声信号，因为其波形和频谱几乎不变。从A图和K图可以看出，经调制解调的单音信号波形与原波形比较虽存在一定的失真，但整体上还是基本满足原信号特征的。图11 AM包络检波 由前面的原理分析可

15、知，包络检波时要合理选择RC的参数，使其满足关系式，防止拖尾。对于给定的参数，经计算可发现不满足条件，其仿真结果如图11的A图、B图、和C图所示，出现了严重失真。根据计算，选取一个比较符合条件的参数，其仿真结果如图11的D图所示。2、DSB调制给定单音信号，载波，A取1，解调时，加入经接收端带通滤波后，功率为0.1的窄带高斯白噪声。其MATLAB程序见附录，其仿真结果如下：图12 DSB调制与解调过程波形和频谱图由图12的频谱图可以看出DSB的调制与解调同AM一样是线性的，DSB调制信号与AM调制信号的带宽一样。加入噪声后，已调信号出现了相位和幅度的失真，相干解调后，得到了携带高频成分的信号，

16、之后通过低通滤波器，滤除了高频成分，保留了低频成分，恢复了原基带信号。从图12的A和K可以得出DSB调制信号的调制效率较AM调制来说较高2、SSB调制给定单音信号，载波，A取1，解调时，加入经接收端带通滤波后，功率为0.1的窄带高斯白噪声。其MATLAB程序见附录，其仿真结果如下：图13 SSB调制与解调过程波形和频谱图由图13可知，与DSB调制信号相比，由于SSB调制信号保留的是上边带，所以其带宽只有AM的一半。加入噪声后，出现了相位和幅度的失真，相干解调后，得到了携带高频成分的信号，之后通过低通滤波器，滤除了高频成分，保留了低频成分，恢复了原基带信号。总之，三种线性调制方法各有优缺点：AM

17、调制的优点是接收设备简单，缺点是功率利用率低，抗干扰能力差；DSB调制的优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但接收要求同步解调，设备较复杂；SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力优于AM，且带宽只有AM的一半，缺点是发送和接收设备都较复杂。四、小结在这次基于MATLAB的通信系统仿真设计中，主要是通过分析、查阅、掌握模拟调制技术的相关原理，在MATLAB环境下设计了对幅度调制（AM调制、DSB调制和SSB调制）的仿真。我最大的收获是对MATLAB软件的使用有了更深的了解，尤其是懂得了新的函数，同时，提高了我查阅相关图书的能力，此外，对模拟调制技术原理有了更加深刻的认识。五

18、、附录AM调制与解调程序% AM调制的参数设置 %clear all;clc;Am=sqrt(2); %调制信号振幅fm=1; %调制信号频率fc=10; %载波信号频率Ac=2; %载波信号振幅ts=0.01; t0=2;t=-t0+0.0001:ts:t0;N=length(t);w=0:2*pi/(N-1):2*pi;% 载波和调制信号的波形 %mt=Am*cos(2*pi*fm.*t); ct=Ac*cos(2*pi*fc.*t);figure(1);subplot(3,4,1);plot(t,mt);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(A.单音信号波形);% a

19、xis(-2,2,-10,10);subplot(3,4,2);plot(w,real(fft(mt);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(B.单音信号频谱);axis(0,1,0,400);subplot(3,4,5);plot(t,ct);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(E.载波信号波形);axis(0,2,-3,3);subplot(3,4,6);plot(w,real(fft(ct);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(F.载波信号频谱);axis(0,1,0,500);% AM信号调制程

20、序 %A0=2; %直流偏量amt=(A0+mt).*ct;subplot(3,4,9);plot(t,real(amt);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(I.AM已调信号波形);axis(-2,2,-10,10);subplot(3,4,10);plot(w,real(fft(amt);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(J.AM已调信号频谱);axis(0,1,0,1000);% 在信道中加入窄带高斯白噪声 %fangcha=0.1; h,l=size(mt); nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); am

21、tn=amt+nit;subplot(3,4,3);plot(t,real(amtn);xlabel(t/s),ylabel(幅度);title(C.加噪声后的AM已调信号波形);subplot(3,4,4);plot(w,real(fft(amtn);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度);title(D.加噪声后的AM已调信号频谱);axis(0,pi,0,1000);% 对加噪声后的AM已调信号进行“相干解调” % amtm=amtn.*ct;subplot(3,4,7);plot(t,real(amtm);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(G

22、.加噪声后的AM相干解调信号波形);subplot(3,4,8);plot(w,real(fft(amtm);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度);title(H.加噪声后的AM相干解调信号频谱);axis(0,pi,0,1000);% 解调信号通过低通滤波器 %Rp=0.1;Rs=50;%设置通带波纹（dB）和阻带最小衰减(dB)Wp=5/100;Ws=10/100;%设置通带截止频率和阻带起始角频率n,Wn=ellipord(Wp,Ws,Rp,Rs);%椭圆滤波器的最小阶数n和截止频率Wnb,a=ellip(n,Rp,Rs,Wn,low);X1=filtfilt(b,

23、a,amtm);X=X1/2-A0;subplot(3,4,11);plot(t,real(X);axis(-2,2,-2,2);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(K.加噪声后的AM解调信号,通过低通滤波器后的波形);subplot(3,4,12);plot(w,real(fft(X);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度);title(L.加噪声后的AM解调信号,通过低通滤波器后的频谱);% “包络检波” %amtm1=BaoLuoJianBo(50,2*10-5,N,amtn);amtm2=BaoLuoJianBo(50,2*10-6,N,amt

24、n);amtm3=BaoLuoJianBo(50,2*10-7,N,amtn);amtm4=BaoLuoJianBo(50,6*10-3,N,amtn);figure(2);subplot(4,1,1);plot(t,real(amtm1);xlabel(t/s),ylabel(幅度);hold on;plot(t,A0+mt,r-);title(A.包络检波后的AM信号波形（其中R=50，C=2*10-5）);subplot(4,1,2);plot(t,real(amtm2);xlabel(t/s),ylabel(幅度);title(B.包络检波后的AM信号波形（其中R=50，C=2*10-

25、6）);hold on;plot(t,A0+mt,r-);subplot(4,1,3);plot(t,real(amtm3);xlabel(t/s),ylabel(幅度);title(C.包络检波后的AM信号波形（其中R=50，C=2*10-7）);hold on;plot(t,A0+mt,r-);subplot(4,1,4);plot(t,real(amtm4);xlabel(t/s),ylabel(幅度);title(D.包络检波后的AM信号波形（其中R=50，C=6*10-3）);hold on;plot(t,A0+mt,r-);包络检波子程序function out=BaoLuoJB(

26、R,C,N,st)w=-pi:10000*pi/(N-1):pi;for k=1:N if (st(k)0) st(k)=0; end endH=1./(1+1i.*w*R*C);out=conv(st,ifft(H);DSB调制与解调程序% DSB调制参数设置 % clear all;clc;Am=sqrt(2); %调制信号振幅fm=1; %调制信号频率fc=10; %载波信号频率Ac=1; %载波信号振幅ts=0.01; t0=2;t=-t0+0.0001:ts:t0;N=length(t);w=0:2*pi/(N-1):2*pi;% 载波和调制信号波形 %mt=Am*cos(2*pi*

27、fm.*t); ct=Ac*cos(2*pi*fc.*t);subplot(3,4,1);plot(t,mt);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(A.调制信号波形);axis(-2,2,-2,2);subplot(3,4,2);plot(w,real(fft(mt);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(B.调制信号频谱);axis(0,1,0,400);subplot(3,4,5);plot(t,ct);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(E.载波信号波形);axis(-2,2,-2,2);subplot(3,4

28、,6);plot(w,real(fft(ct);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(F.载波信号频谱);axis(0,1,0,400);% DSB信号调制程序 %dsbt=mt.*ct;subplot(3,4,9);plot(t,real(dsbt);hold on;plot(t,mt,r-); xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(I.DSB已调信号波形);axis(-2,2,-2,2);subplot(3,4,10);plot(w,real(fft(dsbt);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(J

29、.DSB已调信号频谱);axis(0,1,0,500);% 在信道中加入窄带高斯白噪声 % fangcha=0.1; h,l=size(mt); nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); dsbtn=dsbt+nit;subplot(3,4,3);plot(t,real(dsbtn);xlabel(t/s),ylabel(幅度);title(C.加噪声后的DSB已调信号波形);subplot(3,4,4);plot(w,real(fft(dsbtn);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度);title(加噪声后的DSB已调信号频谱);axis(0,pi,

30、0,200);% 对加窄带高斯白噪声后的DSB已调信号解调 % dsbtm=(dsbtn.*ct)*2;subplot(3,4,7);plot(t,real(dsbtm);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(G.加噪声后的DSB解调信号波形);subplot(3,4,8);plot(w,real(fft(dsbtm);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度);title(H.加噪声后的DSB解调信号频谱);axis(0,pi,0,300);% 解调信号通过低通滤波器 %Rp=0.1;Rs=50;Wp=5/100;Ws=10/100;n,Wn=ellipo

31、rd(Wp,Ws,Rp,Rs);b,a=ellip(n,Rp,Rs,Wn,low);X=filtfilt(b,a,dsbtm);subplot(3,4,11);plot(t,real(X);axis(-2,2,-2,2);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(K.加噪DSB解调信号,通过低通滤波器的波形);subplot(3,4,12);plot(w,real(fft(X);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度);title(L.加噪DSB解调信号,通过低通滤波器的频谱);axis(0,pi,0,100);SSB调制与解调程序% SSB调制参数设置 %

32、clear all;clc;Am=sqrt(2); %调制信号振幅fm=1; %调制信号频率fc=10; %载波信号频率Ac=1; %载波信号振幅ts=0.01; t0=2;t=-t0+0.000001:ts:t0;N=length(t);w=0:2*pi/(N-1):2*pi;% 载波和调制信号波形 %mt=Am*cos(2*pi*fm.*t); ct=Ac*cos(2*pi*fc.*t);subplot(3,4,1);plot(t,mt);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(A.调制信号波形);% axis(-2,2,-2,2);subplot(3,4,2);plot

33、(w,real(fft(mt);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(B.调制信号频谱);axis(0,1,0,400);subplot(3,4,5);plot(t,ct);xlabel(t/s),ylabel(幅度),title(E.载波信号波形);% axis(-2,2,-2,2);subplot(3,4,6);plot(w,real(fft(ct);xlabel(w/(rad*s-1),ylabel(幅度),title(F.载波信号频谱);axis(0,1,0,400);% SSB信号调制程序 %mt1=imag(hilbert(mt,N);%基带信号的希尔伯特变换ct1=Ac*sin(2*pi*fc.*t);ssbt=0.5*(mt.*ct-mt1.*ct1);%下边带SSB生成 % ssbt2=0.5*(mt.*ct+mt1.*ct1)