通信系统设计

1、目录序言2第一章 基于Matlab的通信系统课程设计要求31.1设计要求31.2 课程设计题目3第二章 线性幅度调制的原理42.1振幅调制产生原理42.2几种调幅电路方案分析4 2.2.1标准调幅波（AM） 调制原理42.2.2 标准调幅波（AM） 解调原理52.2.3 双边带调幅（DSB）调制原理62.2.4 双边带调幅（DSB）解调原理72.2.5 单边带调幅（SSB）调制原理82.2.6 单边带调幅（SSB）解调原理9第三章 线性幅度调制系统的MATLAB仿真103.1 MATLAB的基本操作103.2 标准调幅波（AM）的编译仿真与分析113.3 双边带调制（DSB）的编译仿真与分析1

2、23.4 单边带调制（SSB）的编译仿真与分析14实验总结16心得与体会17参考文献18附录19序言在信号的传输过程中，大多数待传输的信号具有较低的频率成分，称之为基带信号，如果将基带信号直接传输，称为基带传输。但是，很多信道不适宜进行基带信号的传输，或者说，如果基带信号在其中传输，会产生很大的衰减和失真。因此，需要将基带信号进行调制，变换为适合信道传输的形式，调制是让基带信号m（t）去控制载波的某个（或某些）参数，是该参数按照信号m（t）的规律变化的过程。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。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制

3、）。在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能。本次课设主要讲述模拟（线性幅度）调制的方式及其仿真结果。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。AM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，在传输中如果载波遇到信道的选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高，因此AM调制用于通信质量要求不高的场合。目前主要

4、用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信，运用不太广泛。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和选择性衰落能力均强于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都很复杂。鉴于这些特点，SSB调制普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波无线电广播和频分多路复用系统中。 在线性调制系统实验中，此次课程设计主要用调幅（AM）,双边带（DSB）和单边带（SSB）等调制为说明对象，从原理等方面进行分析阐述并进行仿真分析，说明其调制原理，并进行仿真分析。利用MATLAB对模拟调制系统进行仿真，结合M

5、ATLAB模块和Simulink工具箱的实现，对仿真结果进行分析，从而能够更深入地掌握通信原理中掌握模拟调制系统的相关知识。第一章 基于Matlab的通信系统课程设计要求1.1设计要求1.1.1 建立通信系统的数字模型 根据通信系统的基本原理、确定总的系统功能，将各部分功能模块化，并找出各部分之间的关系，画出系统框图。1.1.2熟悉仿真工具，采用m编程或Simulink模块化设计，组建通信系统 首先新建一个m文件，再根据系统原理框图画出软件实现流程图，然后根据流程编写相应程序，最后对代码进行修正优化，最终实现系统功能。1.1.3根据系统性能指标，设置和调整各模块参数及初始变量值。1.1.4实现

6、系统运行仿真，观察分析结果（计算的数据、显示的图形）。1.2、课程设计题目线性幅度调制系统的仿真设计指标要求：(1) 信源位Fm=1Hz， Am=1V的余弦信号，载波Fc=1Hz。(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，DSB，SSB调制解调信号时域波形和频谱图。(4) 对数据结果进行分析。第二章 线性幅度调制的原理 2.1振幅调制产生原理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

7、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。2.2 几种调幅电路方案分析2.2.1标准调幅波（AM）调制原理 调制信号是只来来自信源的调制信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，亦可以是数字的。为首调制的高频振荡信号可称为载波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脉冲序列)。载波由高频信号源直接产生即可，然后经过高频功率放大器进行放大，作为调幅波的载波，调制信号由低频信号源直接产生，二者经过乘法器后即可产生

8、双边带的调幅波。 设载波信号的表达式，调制信号的表达式为 ，则调幅信号时域和频域表达式为 (1) 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， 图2.2.1 标准调幅波示意图2.2.2 标准调幅波（AM）解调原理 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图2.2.

9、2（1） 相干解调原理图将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得 (2)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相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。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，如下图所示。图2.2.2(2) 包络检波原理图上图为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形，电路由二极管D、电阻R和电容C组成。当RC满足条件

10、 (3)时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即的波纹，可由LPF滤除。 AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。AM调制的最大缺点是调制效率低。2.2.3 双边带调幅（DSB）调制原理 在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由便在传送。如果在AM调制模型中将直流分量去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式抑制载波的双边带调幅波（DSB）DSB的时域和频域表达式为                

11、            （4）                     （5）可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘。下面是DSB的调制模型： 图2.2.3 DSB调制模型器图2.2.4 双边带调幅（DSB）解调原理 DSB信号只能运用相干解调，其模型与AM信号相干解调时

12、完全相同。此时，乘法器输出 (6)经低通滤波器滤除高次项，得 (7)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。DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。另外，在调制信号的过零点处，高频载波相位有180°的突变。除了不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。所以DSB信号的带宽与AM信号的带宽相同，也为基带信号带宽的

13、两倍， 即 （8）式中，为调制信号的最高频率。 2.2.5 单边带调幅（SSB）调制原理 产生SSB信号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所示 图2.2.5(1) SSB信号的滤波法产生显然，SSB信号的频谱可表示为(9)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。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

14、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  可以证明，SSB信号的时域表示式为(10)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，如图3-12所示。图中，为希尔伯特滤波器，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。图2.2.5(2) 相移法形成SSB信号的模型相移法形成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。2.2.6 单边

15、带调幅（SSB）解调原理 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，如图所示。图2.2.6 SSB信号的相干解调此时，乘法器输出 (11) 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。第三章 线性幅度调制系统的MATLAB仿真MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。在用SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，

16、就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为时间流的仿真。而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据，首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用两种仿真方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同的。3.1 MATLAB的基本操作在桌面上双击MATLAB6.5.1的“启动”图标后将启动MATLAB。图3-1便是启用后的默认界面。 图3.1 MATLAB启用后的默认界面从图3-1中可以看到MATLAB的启动界面主要包括六部分：标题栏、菜单栏、工具条、Command Window（命令窗口）、

17、Workspace（工作窗口）、Command History（历史命令窗口）及Start（项目启动菜单）。其中，标题栏用于显示打开文件的名称：菜单栏包括“File”、“Edit”、“Web”、“Window”、和“Help”5个菜单；工具栏包括了一些常用的操作图标，单击它们MATLAB可立即执行相应操作。菜单栏和工具栏操作方法和其它应用程序中的操作方法相同。3.2 标准调幅波（AM）的编译仿真与分析编写AM波的调制解调程序如下：close all;clear all;dt=0.001; %时间采样间隔fm=1;%信源最高频率fc=10;%载波中心频率T=5;%信号时长t=0:dt:T;mt=

18、sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); B=2*fm;%带通滤波器带4宽figure(1)subplot(3,1,1)plot(t,s_am),grid;hold on;%画出AM信号波形plot(t,A+mt,'r-');%标出AM的包络title('AM调制信号及包络')xlabel('t');rt=s_am.*cos(2*pi*fc*t);%相干解调rt=rt-mean(rt);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);%低通滤波sub

19、plot(3,1,3)plot(t,rt),grid;hold on;plot(t,mt/2,'r-');title('相干解调后的信号与输入信号')xlabel('t')subplot(3,1,2)f,sf=T2F(t,s_am);%调制信号频谱psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title('AM信号频谱')xlabel('f');%subplot(4,1,4)%f,sf=T2F(t,s_am);%调制信号频谱%psf=(abs(sf

20、).2)/T;%plot(f,psf);%axis(0 15 0 max(psf);%title('AM信号右频谱')%xlabel('f');从而得到仿真波形如下：图3.2 AM调制解调波分析：由频谱图可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。此调制方式占用频带较宽，已调信号的频带宽度是调制信号的频带的两倍。从图中可以看出有部分功率耗用在正弦载波上，而没有用于信息的传送，从效率上看，AM调幅幅度方式效率较低，但调制和解调过程简单，较易实现。3.3 双边带调制（DSB）的编译仿

21、真与分析编写DSB调制解调程序如下：close all;clear all;dt=0.001; %时间采样间隔fm=1;%信源最高频率fc=10;%载波中心频率T=5;%信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm;figure(1)subplot(311)plot(t,s_dsb),grid;hold on;%画出DSB信号波形plot(t,mt,'r-');%标出mt的波形title('DSB调制信号')xlabel('t');rt=s_ds

22、b.*cos(2*pi*fc*t);rt=rt-mean(rt);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);subplot(312)f,sf=T2F(t,s_dsb);psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title('DSB信号频谱')xlabel('f');subplot(313)plot(t,rt),grid;hold on;plot(t,mt/2,'r-');title('相干解调后的信号与输入信号')xlabel(&#

23、39;t');编译仿真图如下： 图3.3 双边带(DSB)调制解调波分析： 观察DSB信号的仿真图形可见，DSB的频谱相当于从AM波频谱图中将载频去掉后的频谱。上下半轴对称，说明上下两个边带所带的消息相同，所以消息传送的角度看，发送一个边带即可，这样不仅可以节省发射功率，而且频带的宽度也缩小一半，虽然它比普通调幅波经济，但在频带利用率上没有改进。DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处要突变180度。3.4 单边带调制（SSB）的编译仿真与分析编写SSB调制解调程序如下：close all;clear all;dt=0.001;%时间采样间隔fm=1;%信源最高频率fc=10;%载波

24、中心频率T=5;%信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源%SSB modulations_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);B=fm;%带通滤波器带宽figure(1)subplot(311)plot(t,s_ssb),grid;hold on;%画出SSB信号波形plot(t,mt,'r-');%标出mt的包络title('SSB调制信号')xlabel('t');rt=s_ssb.*cos(2*pi*fc*t);%相干解调rt=rt-mean(rt);f

25、,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);%低通滤波subplot(313)plot(t,rt),grid;hold on;plot(t,mt/2,'r-');title('滤波后的信号与输入信号')xlabel('t')subplot(312)f,sf=T2F(t,s_ssb);%单边带信号频谱psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title('SSB信号频谱')xlabel('f');编译后的波形图如下：图3.

26、4 单边带(SSB)调制解调波分析：从图中可以看出，SSB的振幅与调制信号的幅度成正比，它的频率随调制信号的频率不同而不同，因而它含消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同。单边带调制技术可以避免带宽翻倍，同时避免将能量浪费在载波上。 实验总结AM信号的包络与调制信号m(t) 的形状完全一样，因此可采用简单的包络检波器进行解调，DSB信号抑制了AM信号中的载波分量，因此调制效率是100%；SSB只传输DSB信号中的一个边带，所以频谱最窄，效率最高。 时域：调制信号波形与AM的包络相同，而与DSB、SSB的不同；频域：AM信号包含有载波、上下边带；DSB仅有上下边带而无载波；SSB仅有

27、上边带或下边带而无载波；上边带或下边带的带宽与调制信号带宽相等。心得与体会通过这一周的课程设计，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解。通过在课程设计中查阅资料，我拓宽了知识面，增长了见识。在这过程中我遇到了很多困难，其中两大难点就是matlab的应用和改错，切身体会到自己的知识欠佳。不过，很欣慰自己可以坚持到底，最后圆满完成课程设计任务。 我深切体会到做任何事情都必须用心、耐心。这次训练，让我对原来的知识有了更深一步的了解，也对MATLAB这个仿真软件的操作有了更深的理解。在此期间，我多多少少也遇到了一些问题，但是通过老师和同学们的帮助，终于完成了这次通信系统综合训练的任务。我很感谢在课设过

28、程中给予我帮助的老师和同学。我相信，我们的每一次拼搏都是未来的垫脚石，课程设计过程中所学到的东西是有限的，但是从中学到的经验能力是无限 的。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.2006.2 刘敏.魏玲等.MATLAB通信仿真与应用.北京.国防工业出版社.2001.3 郭文彬.桑林等.通信原理-基于MATLAB的计算机仿真（第一版）.北京.北京邮电大学出版社.2006.4 周卫东, 罗国民, 朱勇等. 现代传输与交换技术M. 北京: 国防工业出版社, 20035 原东昌，李晋炬.通信原理与实验M . 北京理工大学出版社，2000 年.附录程序中调用的脚本文件T2F、F2T、lpffunctiont,st=F2T(f,sf)df=f(2)-f(1);Fmx=(f(end)-f(1)+df);dt=1/Fmx;N=le