《基于Simulink的AM调制解调系统建模与仿真研究》7800字【论文】

hu基于Simulink的AM调制解调系统建模与仿真研究摘要随着社会的不断发展，模拟通信和信号技术的也开始进入高速发展阶段，在应用过程中可以通过信道传递消息。在通信过程中将文字、声音、数据相关的信息转换成电信号，也就是基带信号。这种信号可划分为模拟和数字基带信号两种，其一般为低频带限信号，这样很容易受到各种通讯设备的干扰，不满足无线传输和应用相关要求，不能进行多路复用。为解决这些问题就需要基于调制技术将基带信号变成频带信号。调制也就是进行频谱搬移处理。我主要研究常规双边带信号（AM）的调制与解调系统，AM信号主要是基于包络检波法来恢复信号。根据AM调制解调和载波同步原理，在MATLAB的Simulink中进行AM调制解调系统的构建，采用平方变换法和科斯塔斯环法两种方法进行载波提取。经过了模块参数的优化设置和仿真波形的对比，比较出这两种载波提取方法的优劣。关键字：AM调制解调；平方变换法；科斯塔斯环法;Simulink目录TOC\o"1-3"\h\u41881绪论 绪论1.1研究目的及意义本课题是要学习AM信号调制解调的原理，信号调制主要是将低频信号转移到信道通带的过程，解调则是相反的过程，主要是将接收信号的目标信号提取出而满足特定的应用要求。AM信号调制主要是对高频载波的幅度进行控制，使得载波和调制信号线性变化。对比分析可知在基带信号变化条件下，已调信号的幅度持续的改变。AM信号处理过程中主要是基于相干解调法进行解调。相干解调法的话，主要是基于相乘器与载波相乘来解调。这种处理过程中主要是基于低通滤波器而确定出与此相关的解调信号，这种情况接收端会通过本地载波乘以已调信号，然后根据要求低通滤波而得到低频分量。AM信号在满足一定的条件时，它的包络和调制信号的形状一模一样。所以，AM信号大多都使用简单的包络检波法来恢复信号。包络检波法是从已调波的幅度中直接提取得到原调制信号的，包络检波器在应用过程中相应的输出为相干解调输出的两倍，因而在进行解调时可很高满足AM信号的处理要求。在通信过程中无法直接接收到载波情况下，应根据要求恢复出和载波同频同相载波，满足其后的信号处理相关要求。这种模式下提取时可选择的方法包括平方环法和科斯塔斯环法，它们是自同步法。自同步法无法从发射端直接提取出相干载波，必须经过一系列的处理才能得到载波。使用这两种方法从不同的角度来研究信号在调制过程中的变化，看这两种方法各有什么优缺点，看需要怎样才能提取出完美的基带信号。基于Matlab-Simulink建立AM信号的相干解调法、包络检波法、平方环法和科斯塔斯环法的仿真模型，设置好模块参数，运行得到波形图，最后进行分析比较，确定出这种方法的优势。1.2研究现状在当今高度信息化的社会，通信的重要性不断提升，且在生产和生活中的应用价值也不断表现出。信息的的价值需要在传播过程中体现出，可以通过信息交流而推动社会生产力的发展、也为科学技术的进步，生产的高效运行提供支持。而通信与传感技术、计算机技术结合起来，在现代信息社会发展中的重要性也开始明显体现出，人们的生活方式也和通信存在密切关系，因而很有必要进行通信技术的研究。通信和信息传递存在密切关系，消息是物质或精神状态的载体，其存在不同的的形式，如声音、文字、数据都是不同类型的信息。通信则是进行信息的时空转移，主要是通过一定的方式和信道对信息进行传输，其和通信技术密切相关。实现通信的方式有很多种，主要如图片、手势、语言和视频等，而现代化社会中，则广泛应用基于电子技术的通信，如电话、广播、电视和网络等，虽然通信模式不同，不过在应用过程中主要的目的都是进行信息交流。1837年莫尔斯在研究过程中最初提出了有线通信技术，其后的研究过程中电话被研发出，且由于各方面的优势而成为通信的主要工具；此后发展过程中无线通信技术也被研发出，1936年，商业电视广播开播等，这也为现代媒体技术的发展和应用打下良好的基础。电信技术的发展速度也不断加快，同时为更好的满足相关应用要求，人们对通信提出了更高的要求，这样也使得电信技术水平不断提升，“通信”的模式有很多种，不过一般是指“电通信”。光通信是电通信的一种特殊形式。1.3研究背景在目前数字信号处理技术迅速发展形势下，通信技术水平也不断提高，可更好地满足复杂条件下通信要求在19世纪初，信息的电信传输变得司空见惯。FB莫尔斯在大量的研究基础上进行改进而发明了电报。在接下来的100年里，电信行业经历了三发展阶段，其中一个是早期阶段，代表性技术为FBMorse。FBMorse发明家电报；第二，是一个现代阶段，在这个阶段，信息论被提出来，这为信息的量化分析打下良好的基础；第三个是现代阶段，光纤通信在20世纪70年代得到了广泛应用。在此阶段签名。在目前情况下，通信发展的第三阶段主要涉及光纤通信技术、卫星通信和移动通信的一体化。在硬件实现方面，数字通信系统的组成单元主要包括源、编码器、调制器、通道。数字调制对这种系统有重要的意义，其主要是基于编码器编码相关的输入信号，并根据主带信号进行调整。模拟数字调制系统，不必担心主带信号，在处理过程中将基带信号发送到与此相关的调制系统中，而无需通过编码器。信息传输所需的所有技术和通信手段都称为通信系统。在通信系统中接收装置就是是解调装置，调制器是用来调制主带信号的，为了方便他们的传输。接收装置解调已调信号，并恢复主带信号。1.4研究内容理解AM调制解调原理，在Matlab环境下的Simulink中构建构建一个AM调制解调系统，相干解调时所用载波分别用平方环法和科斯塔斯环法恢复。观察调制解调波形和频谱结构并进行分析，并比较不同解调方式的抗噪声性能。

2设计原理2.1AM调制原理图2-1AM信号的调制原理模型假设调制信号m（t）的平均值为0，在进行调制处理过程中将其加上直流偏量A0后乘以载波，在此基础上就可确定出满足要求的调幅信号。表达式如下式中：A0为直流分量；m（t）随机信号。AM信号的波形和频谱特性如下：基带信号m(t)是随机的，这种情况下为满足应用要求，先考虑m(t)是目标傅氏频谱，在此基础上进行判断分析确定出功率谱密度。可知设m(t)的频谱为M(w），由傅氏变换的理论可得已调信号AM的波形和相应的频谱图如下图2-2.AM信号的时域波形及其频谱根据以上的论述可知，AM的频谱与基带信号的频谱呈存在一定都是线性相关性，主要是进行频谱搬移而得到，不存在其他成分，由此可知其属于线性的；第二：其对应的包络与基带信号存在一定的正相关关系，这种模式下进行解调时可选择相干解调方法而满足要求。第三：含有载频和两个边带，相关的原信号信息模拟没有丢失，保持完整，因而其对应的带宽为原来的两倍，即其中为最高频率。2.2AM解调原理解调主要是通过一定方法对载波信号进行处理后，恢复原来的信号。这种操作过程中可选择不同的方法，主要包括相干和非相干解调。二者各有一定适用范围，前者主要是针对线性调制系统，而后者则可实现幅度调节目的。2.2.1AM信号的相干解调这种解调主要是对已调信号进行处理，恢复而得到原来的信号，为满足完全恢复要求，需要确保同频同相。在研究过程中可通过如下表达式描述出相干载波模型结构：图2-3AM相干解调模型将已调信号乘上满足这种频率额相位要求的载波，得根据以上的表达式可看出，在处理过程中单纯通过一个低通滤波器，就可实现分离目的，将原信号完整的解调出来相干解调过程中主要的目的在于确定出一个同频同相载波，在不满足这种要求情况下，则会产生失真的问题，导致不能完全的进行信号的恢复。2.2.2AM信号的非相干解调这种方法进行解调过程中主要的特征表现为不用到本地载波，主要是基于相关包络信号而实现恢复目的[7]。由此分析可知其存在一定的应用局限性，单纯适用幅度调制（AM）系统，在应用过程中需要注意到这一点。具体分析可知包络解调器电路简单，可很好的满足效率要求，因而在幅度调制（AM）系统中广泛应用，具体电路相关情况如下。图2-4.AM信号的非相干解调原理模型当RC符合要求时，对比分析可知其输出和输入的包络变化符合如下的关系，即其中，。得到原信号2.3载波的提取方法原理2.3.1平方环法假如消息信号为m(t)，m(t)中无直流分量，本地载波为cosωc(t)，S在处理过程中先平方变换，这种转换处理后确定出：e由上式可以得出，前文的研究中认为m(t)无直流分量的，但经过一个乘法器后产生了直流分量m2t。所以上式中e(t)中就包含2fc频率的分量。这种情况下处理过程中为满足要求就需要通过2fc窄带滤波器确定出与此相关的分量。再二分频器进行一定处理而获得相应2f但由于该滤出的载波是存在相位偏转的，而且含有噪声干扰，所以为了改善这种方法性能，更好的满足应用要求进行改进过程中，可将窄带滤波器用锁相环来替代，如下图3-5、3-6分别对应于这两种方法提取载波框图：图3-5平方变换法提取载波原理框图图3-6平方环法提取载波原理框图2.3.2科斯塔斯环法如下图中的方框图可以看出，输入已调信号s(t)也就是AM调制信号分别被送入二路的乘法器当中，这两个乘法器的输入点的a点和b点的压控振荡器电压分别为VV它们和调制信号的电压相乘后，就得到c点和d点的电压：V=1V=1低通滤波器滤除高频的部分，变为：VV最后这两路的电压再经过乘法器相乘，得到g点的输入电压：V上式中：(φ−θ)是压控振荡器电压与调制信号的载波相位之差，然后将m(t)=±1代入式中，并考虑到当(φ−θ)在非常小时sin(φ−θ)≈(φ−θ)V通过窄带滤波器的电压Vg进行适当的调节而控制与此相关的振荡频率，满足应用要求。不过具体分析可知这种类型滤波器的截止频率很低，在滤波过程中之后很低频率成分的可通过，而其输出电压相位进行控制调节，从而使（φ−θ)这时当φ=0，Vg=0,Ve=12mtcosφ−θ图3-7科斯塔斯环法提取载波图3系统设计与仿真所用软件介绍3.1MATLAB简介MATLAB为一种高性能的数学分析工具，可满足各方面的数学分析要求，从20世纪60年代末，引入了Matlab软件包，的覆盖范围不断更新和扩大，随着社会的发展，并且对用户的计算机语言的了解较少。编程效率非常高，在应用观察可以根据要求设置各类型精细的图形界面，而为结果的直观显示提供支持。数据分析和处理功能很强大，且可以满足很多工程计算相关应用要求，在科研领域也广泛应用。目前，matlab“广泛使用，并在发展过程中不断扩展到技术和工程设计相关领域。Matlab包含更多标准功能，其中包括一组代码。客户可以在Matlab编码，这些文件必须扩展到M，也就是说，在整个系统内，AM/QDPSK是目前电信业最重要的调制方案之一，它的抗干扰性很高，可以由硬件设备进行纠错以发出下一个信号：可以发送和接受。主要可以通过M函数的M函数模拟程序。可以随时更改关联的功能。直接调用设置的M文件或M函数非常容易。Matlab具有许多重要的优势。首先，效率高的工作和编程。可将其看作为一种工程计算语言，其特征表现为编程简单，为用户提供很多的便利，可选择数学方法进行直观性的编程。因此，写作速度高，工作效率高，容易理解。Matlab的功能与用户的文件信息一致，在应用过程中可当做为作库函数来调用各类型文件。Matlab是最简单的矩阵运算，因为它具有语句简单，含义丰富，效率高和易于操作的优点。Matlab语言具有与Basic，Fortran和C相同的特定算术程序。运算的主要形式是算术运算符、通信运算符、赋值运算符等。这些运算符有着共同的功能。使用原始格式的表单直接应用于数组操作。简单的绘图功能Matlab具有2D和3D绘图功能，并且非常易于使用。3.2Simulink简介随着科技的发展，数字技术的飞速发展，数字设备在实际应用中得到广泛应用，对AM解调器数字化的关注日益增加。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，其独特的策略就是对其进行研究，分析和仿真的同时执行动态系统建模。而且，系统仿真非常重要。作为关键数据模块之一，Simulink可以提供广泛的功能齐全的模块系统，以满足客户的需求。基于此，可以对相关图形开始建模和接口。构建一个系统模型的基石。它有一个正常的梯子。在应用过程中可以通过这种工具进行处理，而形成更复杂的系统，为模拟分析功能实现提供支持，更好的满足复杂条件下的编程相关要求。Simulink是一个综合系统，在该系统中建立了动态模拟系统；模拟环境分析。在这种情况下，可以使用鼠标操作来创建复杂的系统，而无需编写许多程序。如今，Simulink因其强大的适应性，明确过程，出色的仿真，接近真实性，控制和数字信号处理都明显的简化，处理速度显著提高。同时，许多程序和硬件也被广泛用于模拟和设计。第三方资金必须用于Simulink。Matlab提供Simulink主要来源，接收器，离散，线性，非线性，已连接，块集和工具箱等模块组成。注意，“块集和工具箱”模块可满足一定的通信分析功能，其中设置了很多工具，如可通过CommTbx库模块实现相关的仿真功能。在实际的应用过程中，用户可根据要求进行灵活的选择，所有的通信可在下一个模块中总结。也就是说，接收信息，信息的编码和解码，信息的调制和解码，发送和接收信息，每个信息模块也可以分为几个子项目，几乎涵盖所有的领域，提供了现有的通信系统。在建立通信系统的过程中最重要的是建立一个完整的数学模型。可以创建一个公式来满足需要通信系统。用户可以根据实际需要确定模块的特点，然后用鼠标拖动以将模块和窗口放在同一位置。同时设置每个模块如果执行上述工作，可以平稳地运行特定参数的动态模拟。客户可以使用输出模块捕捉实时仿真，包括这类具体数据，作为光谱图和空间波的形状。在模拟过程中，可以对系数和模拟参数进行一定的优化调节而提高系统的性能。取决于客观因素的变化，和反馈结果处理情况，此外也和用户的处理目标存在一定相关性。如果没有模拟模块，可以使用S功能来创建各种类型的模块而满足特定条件下应用要求，也可以灵活的设置各类型模块库。以下具体显示出SIMULINK模块工具相关组成情况：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）FunctionTables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）SignalsSystems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）4AM调制解调系统的设计与仿真4.1采用相干解调的AM系统设计与仿真在Simulink中新建一个空白仿真模块窗口，分别把两个信号发生器、两个加法器、两个乘法器、两个常数、一个加性高斯白噪声模块、一个低通滤波器、一个示波器拖入窗口中，并按下图4-1AM相干解调法系统仿真图连接好各个器件。图4-1AM相干解调法仿真图其中消息信号和载波信号的参数分别设置为：消息信号m(t):振幅为1V，频率1KHz。载波信号s(t):振幅为1V，频率10KHz。如下图4-2所示图4-2消息信号（左）和载波信号（右）参数框图两个常数的参数框图如下图4-3所示图4-3两个常数的参数框图加性高斯白噪声的参数设置为：初始种子Initialseed为5，模式选择Signaltonoiseratio(SNR)，并设置信噪比SNR为10，输入信号功率Inputsignalpower设置为1，模式选择Variancefrommask,并设置方差Variance为0.01。如下图4-4所示图4-4加性高斯白噪声Signaltonoiseratio(SNR)模式（左）和Variancefrommask模式（右）参数框图低通滤波器的截止频率设置为1KHz，如下图4-5所示图4-5低通滤波器参数框图设置好参数后，在Simulink中运行上图4-1中的AM相干解调法模块系统，AM相干解调系统基带信号、调制信号、加入高斯白噪声之后的调制信号和解调信号的波形图，我们可以看出，解调后的信号与基带信号相比，幅度变小了，频率变大了。图4-6AM相干解调系统各个过程的波形图（SNR为10时）从上至下分别为：基带信号、调制信号、加入高斯白噪声之后的调制信号、解调信号。现在我们来改变加性高斯白噪声AWGN模块的参数，逐渐增大信号功率与噪声功率的比值，也就是减小噪声，观察不同SNR下各个阶段波形图的变化情况如图4-7SNR(dB)为20的系统各过程波形图、图4-8SNR(dB)为30的系统各过程波形图、图4-9SNR(dB)为40的系统各过程波形图。图4-7AM相干解调系统各过程波形图（SNR为20时）图4-8AM相干解调系统各过程波形图（SNR为30时）图4-9AM相干解调系统各过程波形图（SNR为40时）从改变加性高斯白噪声AWGN模块的参数之后的波形图我们可以看出，当输入信号功率与噪声功率的比值越来越大时，随着信号功率与噪声功率的比值SNR不断的增大，也就是噪声越来越小时，加入高斯白噪声之后的调制信号波形和调制信号波形的区别越来越小，逐渐接近。4.2采用非相干解调的AM系统设计与仿真图4-10AM非相干解调法仿真图与AM相干解调法仿真图相比，非相干解调法就是把其中的一个乘法器替换成了一个饱和度模块（Saturation），其他的模块参数不变。饱和度模块（Saturation）参数设置如下图4-11所示图4-11饱和度模块（Saturation）参数框图现在我们来改变加性高斯白噪声AWGN模块的参数，逐渐增大信号功率与噪声功率的比值，也就是减小噪声，观察不同SNR下各个阶段波形图的变化情况如图4-12SNR(dB)为10的系统各过程波形图、图4-13SNR(dB)为20的系统各过程波形图、图4-14SNR(dB)为30的系统各过程波形图、图4-15SNR(dB)为40的系统各过程波形图。图4-12AM非相干解调系统各过程波形图（SNR为10时）图4-13AM非相干解调系统各过程波形图（SNR为20时）图4-14AM非相干解调系统各过程波形图（SNR为30时）图4-15AM非相干解调系统各过程波形图（SNR为40时）从改变加性高斯白噪声AWGN模块的参数之后的波形图我们可以看出，当输入信号功率与噪声功率的比值越来越大时，随着信号功率与噪声功率的比值SNR不断的增大，也就是噪声越来越小时，加入高斯白噪声之后的调制信号波形和调制信号波形的区别越来越小，逐渐接近。4.3采用载波同步的AM系统设计仿真先构建一个AM相干解调系统仿真图，在此基础上按照平方环法的原理及介绍，连接好各模块如下图4-16平方环法载波同步恢复系统的仿真图所