基于AM-DSB-TC信号包络检测器的音乐接收及AM的理论与仿真

1、数字通信原理课程报告题目：基于AM-DSB-TC信号包络检测器的音乐接收及AM的理论与仿真 小组成员： 王晨 （1430310143）王桂林（1430310144）王蕾 （1430310146）郑昕 （1430310163）2017年6月7日摘要：通过翻译文献，使用MATLABSimulink和SDR通过AM-DSB-TC信号的包络检测器接收音乐并完成幅度调制（AM）的理论与仿真。1、 AM 波简介1. 定义 调幅（Amplitude Modulation，AM）。调幅也就是通常说的中波，范围在530-1600KHz。调幅是用声音的高低变为幅度的变化的电信号。传输距离较远，但受天气因素影响较大

2、，适合省际电台的广播。早期VHF频段的移动通信电台大都采用调幅方式，由于信道衰落会使模拟调幅产生附加调幅，造成失真，在传输的过程中也很容易被窃听，目前已很少采用。目前在简单通信设备中还有采用，如收音机中的AM波段就是调幅波，音质和FM波段调频波相比较差。使载波（被调制信号）振幅按照调制信号改变的调制方式叫调幅。经过调幅的电波叫调幅波。它保持着高频载波的频率特性，但包络线的形状则和调制信号波形相似。调幅波的振幅大小，由调制信号的强度决定。调幅波用英文字母AM表示。调幅波平均功率中真正有用的分量是边频功率，载波功率无用。2. 分类 振幅调制可分为普通调幅（AM），双边带调幅（DSB-AM），单边带

3、调幅（SSB-AM）与残留边带调幅（VSB-AM）几种不同方式。1 双边带调幅双边带调幅信号中仅包含两个边频，无载波分量，其频带宽度仍为调制信号 频率的2倍。2 单边带调幅 单边带调幅信号中仅包含一个边频。3 残留边带调幅残留边带调幅是指信号发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的 小部分的调幅方法。3. 产生普通调幅信号的产生可将调制信号与直流相加，再与载波信号相乘，即可实现普通调幅。可采用低电平调幅方法和高电平调幅方法。2、 AM调制所谓调制，就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。这里高频振荡波就是携带信号的运载工具，也叫载波。振幅调制，就是由调制信

4、号去控制高频载波的振幅，直至随调制信号做线性变化。在线性调制系列中，最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅，简称为调幅（AM）。为了提高传输的效率，还有载波受到抑制的双边带调幅波（DSB）和单边带调幅波（SSB）。在频域中，已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移；在时域中，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。标准振幅调制（Amplitude Modulation, AM）是一种相对便宜的，质量不高的调制形式，主要用于声频和视频的商业广播。 调幅过程只是改变载波的振幅，使载波振幅与调制信号成线性关系，即使Ucm变为Ucm+KaUmcost，据此，可以写出已调幅波表答式：3、

5、 AM解调 调幅波的解调即是从调幅信号来说，它的载波分量未被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，得到所需的解调电压，而不必另加同步信号，通常将这种振幅检波器称为包络检波器，目前应用最广的是二极管包络检波器，而在集成电路中，主要采用三极管射级包络器。4、 SDR简介 软件定义无线电（SDR）是一种无线电通信系统，通常以硬件（例如混频器、滤波器、放大器、调制器和解调器、检波器等）组件实施，现在通过个人计算机或嵌入式系统上的软件来实现。虽然软件定义无线电（SDR）不是新的概念，但其涉及的许多快速的数字电子发展能力在过去只是理论上可行。 基本的SDR系统由配有声卡或其它模数转换器、有某种形式的

6、射频前端的个人电脑组成。大量的信号被交给通用处理器处理，而不是用专用的硬件。在军事和手机服务中软件无线电具有重大的实用性，这两个都要求实时提供各式各样变化的无线电协议。 从长远来看，提倡者像 SDRForum（现在的无线创新论坛）预计软件定义无线电将成为无线电通信中的主导技术。软件定义无线电与软件定义天线一同是认知无线电的使成者。 软件定义无线电具有足够的灵活性以一种或多种方式避免了以前种类无线电设计师的"有限的频谱"假设，以一种或多种方式，包括：（1） 扩频和超宽带技术允许几台发射机在相同的位置用相同的频率发射且干扰很小，通常结合一个或多个错误检测和校正技术来修复所有由该

7、干扰引起的错误。（2） 软件定义天线自适应地锁定到定向信号，以便接收机可以更好地拒绝来自其它方向的干扰使其能够检测微弱的传输。（3） 认知无线电技术：每个电台检测使用中的频谱并把这些信息传达给其它合作的电台，以便发射机通过选择未使用的频率能避免相互干扰。（4） 动态发射机功率调整，基于来自接收机的信息，按最低所需降低发射功率，减少远近的问题，并减少对其它的干扰。（5） 每次电台总容量增加都会减少在无线网状网络上任何一个节点上所要求的功率。每个节点只发射足够大声的信息跳到距离某个方向最近的节点，减少了远近问题并减少干扰。SDR软件执行所有的解调、滤波（无线电频率和音频频率）、信号增强（均衡和双耳

8、提交）。用途包括：摩尔斯电码、单边带调制、频率调制、调幅和各式各样的数字模式，如无线电电传、慢扫描电视和数据包无线电。 5、 具体实例1.练习8.4 RTL-SDR：AM-DSB-TC信号的包络检测器 在本练习中，我们将构建一个使用复数包络检测器的AM接收器。创建一个新的Simulink模型，放置与RTL-SDR接口的Simulink库中的组件，并实现解调器。将接收机设计为接收AM-DSB-TC音频信号，并将解调的音频信息输出到计算机的扬声器或耳机。 如果没有RTL-SDR，或者无法发送可以接收的AM-DSB-TC信号，则仍然可以通过将RTL-SDR接收器块替换为RTL- SDR数据块,如下所

9、述:a) 打开MATLAB。 将工作目录设置为运动文件夹，/ my_models/receivers/接下来，创建一个新的Simulink模型。 保存此文件名称：. / rtlsdr_am_envelope_demod.slxb) 打开此文件，然后打开Simulink Library Browser。c) 如果有RTL-SDR可用，则放置一个RTL-SDR接收器块。d) 发送AM-DSB-TC信号，从RTL-SDR收音机的通信系统工具箱支持包放置RTL-SDR接收器并打开其参数窗口，将“中心频率”和“调谐器增益”的“源”更改为“输入端口”。 在“采样率”字段中输入“240e3”，将RTL-SD

10、R设置为以240kHz的速率进行采样。将“输出数据类型”下拉菜单设置为“单”，并在“每帧样本”框中输入“4096”。如果单个RTL-SDR连接到您的计算机，则“无线电地址”可以保留为0。 如果有多个连接，则在MATLAB命令窗口中运行sdrinfo命令，找到希望使用的标签的ID。 应用这些更改，然后关闭窗口。 在块上的文本上重命名该块RTL-SDR接收器 o / p fs = 240kHz。从 Simulink > Sources 中添加三个常量块，然后从>Simulink > Math Operations添加模块。 将常数块的名称修改为AM信号频率（Hz），偏移频率（Hz

11、）和调谐器增益（dB）。 将AM信号频率的“常数值”设置为要接收的AM信号的中心频率，例如433.9MHz的“433.9e6”。 输入“-40e3”作为偏移频率的值，将偏移量设置为40kHz。将调谐器增益块设置为默认值“30”（这可能需要稍后调整，具体取决于接收信号的强度）。将这些模块连接如下：e) 导入RTL-SDR数据块。 如果没有RTL-SDR或无法传输AM-DSB-TC信号，导航到> RTL-SDR书库>其他工具，并放入导入RTL-SDR数据块。 在此处，并更改“文件名”参数以引用该文件： /am/rtlsdr_rx/rec_data/am_dsb_tc.mat将“输出框架

12、尺寸”设置为“4096”，应用更改并关闭参数窗口。如果此过程成功，则该块应显示右下角记录信号的采样频率（在这种情况下，频率为240kHz）。从该块输出的信号应等于由上述RTL-SDR配置输出的信号。当记录该信号时，RTL-SDR调谐到433.96MHz，偏移频率设置为40kHz。 f) 放置和配置实现解调器所需的模块。从DSP系统工具箱>过滤>过滤器设计放置带通滤波器。打开其参数窗口并将设置更改为以下内容： 这将滤波器设置为通过25kHz至55kHz之间的频率，这意味着仅允许IF AM-DSB-TC信号通过。重新命名该通道滤波器fpass = 40kHz。g) 打开> Sim

13、ulink>数学运算，找到Abs块。将其中一个放在模型中，采用复数AM-DSB-TC信号的幅度检测其包络并输出解调信息信号。h) 接下来，从> DSP System Toolbox> Filtering> Multirate Filters找到FIR Decimation块。该块对应用于其输入端口的数据进行抽取，可以将采样频率降低整数因子。它还对数据进行低通滤波，以确保不发生混叠。将其中一个放在模型中并打开其参数窗口。将“FIR滤波器系数”和“抽取因子”改为：这将抽取因子配置为5（即从240kHz到48kHz的速率变化），并将频率传递到15kHz。在“value”选项下

14、拉菜单中选择“允许多速率处理”，然后应用更改。重命名此块FIR抽取o / p fs = 48kHz。i) 连接模块，连接块如下图所示： j) 添加范围和音频输出模块。导航到> DSP系统工具箱>接收器。在模型中放置两个频谱分析仪块，重新命名一个频谱分析仪调制和另一个频谱分析仪解调。 接下来放置时间范围和音频设备块。打开> Simulink> Math Operations，找到Matrix Concatenate块。将其放在模型中，然后将所有这些附加到框图中，如下截图所示。在每个与Matrix Concatenate块的输入连接上，并给出有意义的信号名称。 k) 在时间

15、范围上打开它，然后导航到“配置属性”。 打开“时间”选项卡，将“时间跨度”更改为“512 / 240e3”。 这将限制仅显示512个单独样本的范围。 应用更改然后关闭窗口。 l) 打开参考文件。 作为构建接收器的替代方法，打开以下文件：/am/rtlsdr_rx/rtlsdr_am_envelope_demod.slx如果导入数据而不是连接到RTL-SDR，请删除RTL-SDR接收器块，并将导入RTL-SDR数据块连接到位。检查该块是否引用了上面讨论的文件。m) 准备运行模拟。将扬声器或耳机连接到计算机，并进行测试以确保它们正常工作。如果导入信号，将模拟停止时间设置为60秒，“60”。 如果使

16、用RTL-SDR，请将模拟停止时间设置为“inf”，方法是将其输入到Simulink工具栏中，将模拟模式设置为“加速器”。这将强制Simulink将模型部分地编译为计算机的本机代码，从而使其运行速度更快。检查MATLAB可以通过在MATLAB命令窗口中键入sdrinfo与RTL-SDR进行通信。最后，确保模型已被保存。n) 运行模拟。通过Simulink工具栏中的“运行”按钮开始模拟。几秒钟后，将开始仿真，频谱分析仪和时间范围窗口应该出现，并且解调的AM信号应该是可听见的。如果使用RTL-SDR，请调整频率和增益值，直到器件调谐到所需信号为止记住信号必须在带通滤波器的通带内; 位于40kHz左

17、右的基带信号。o) 信号分析：频谱分析仪。 频谱分析仪窗口允许监视信号在频域中的解调。会看到频谱分析仪调制中绘制的两个信号的光谱。通过导航到“查看”，“配置属性”并勾选“显示图例”框打开图例。 蓝线表示从RTL-SDR接收的信号的频谱，橙色表示带通滤波后的信号。AM信号以大约40kHz调制，这应该是足够高的频率，使包络检测器正常工作。 频谱分析仪已解调显示了经过包络检测后解调信号的频谱。在这里信息已成功转移回基带。 通过以上步骤，我们接收到了信号的音频。但是音频质量很差，我们使用耳机只能听到音频信号为“嘶嘶声”。我们解释的原因是因为 FIR Decimator中的低通滤波器没有被去除，对它造成

18、影响。 我们采用RTL-SDR来输入数据，可以接收到信号音频，声音相对清晰，并可以判别出音调。2. 练习 6.1 幅度调制（AM）的理论与仿真 在这个练习中，我们将测试am-dsb-sc调制器。这个模型中包含了两个不同的信息信号，可以在它们之间切换以查看输出的不同。一个频谱分析仪和一个时间范围被连接到整个模型的不同的点上，这将允许在被调制的时间和频率域内监视信号。a) 开放的MATLAB。将工作目录设置为适当的文件夹，就可以打开这个模型:/am/simulation/am_dsb_sc.slx框图应该是这样的: b) 第一个信息信号(顶部)是一个单一的音调，另一种是音调的总和。它们是产品模块的

19、输入，让它们与载波波形混合在一起以创建am-dsb-sc信号。信息信号选择器开关允许在它们之间切换。将这一套设置为“单一色调”。 所有这些信号都是对作用域的输入，可以在时间和频率域上对它们进行可视化。c) 运行仿真。通过模拟工具栏上的“Run”按钮开始模拟。两个作用域窗口出现并将它们定位，以便看到它们。信息信号是蓝色的，载体是橙色的，而am-dsb-sc信号是绿色的，如图例所示。d) 信号分析# 1。切换到“单音”。信息信号是一个单音调，频率为2kHz。载体(也是单音)，频率为15kHz。当这些混合在一起时，会产生am-dsb-sc信号。从频谱分析仪可以看到，调制信号只包含两个频率分量，分别位于13kHz和17kHz。很明显，在这个信号中没有任何载体，因为没有绿色成分。e) 在am-dsb-sc信号的时域图上覆盖的红色虚线表示信息信号是如何影响载波的振幅的。在抑制载波调制的情况下，信号的调制指数为100%，这意味着不存在任何信息包络线。f) 信号分析# 2。将信息信号选择器开关设置为“基带信息信号”，并重新运行模拟。这就是作用域现在展示的:在本例中，信息信号包含四个频率分量，分别位于1kHz、2kHz、3kHz和4kHz。当使用相同的