AM解调与调制的设计与实现报告书BYWenny.docx
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AM解调与调制的设计与实现报告书BYWenny
目录
1技术要求1
2基本原理1
2.1幅度调制原理1
2.1.1调幅2
2.1.2双边带调制3
2.1.3单边带调制4
2.2信号解调5
2.2.1相干解调5
2.2.2包络检波6
2.3SystemView基本操作7
3建立模型描述8
3.1基于SystemView建模8
3.1.1AM调制相干/非相干解调8
3.1.2DSB调制相干解调10
3.1.3SSB调制相干解调11
3.2基于MATLAB建模12
3.2.1AM调制相干解调12
3.2.2DSB调制相干解调13
4仿真结果及分析14
4.1基于SystemView的系统仿真结果14
4.1.1AM调制解调系统仿真结果14
4.1.2DSB调制解调系统仿真结果16
4.1.3SSB调制解调系统仿真结果17
4.2基于MATLAB的系统仿真结果18
5调试过程及结论20
6心得体会20
7参考文献21
AM解调与调制的设计与实现
1技术要求
设计一个AM调制与解调系统，要求：
a）设计出规定的AM调制与解调系统的结构；
b）根据信号与线性系统及通信原理相关知识，设计出各个模块的参数（例如滤波器的截止频率等）；
c）用Matlab或SystemView实现该系统，观察仿真并进行波形分析；
d）系统的性能评价。
2基本原理
信号是信息的物理表示形式,或说是传递信息的函数,而信息则是信号的内容。
在信号传输的过程中，如何准确地传输信息是通信系统的一个重要目标。
通常情况下，从信源产生的原始的基带信号具有较低频率的频谱分量，在多信道复用、无线电传输等场合不适宜直接进行传输。
因此，在通信系统的发送端通常要将基带信号调制在较高的载频上，而在接收端则需要有解调。
本次课程设计中，将针对信号的幅度调制和解调进行深入探讨。
2.1幅度调制原理
模拟调制方式是载频信号的幅度、频率或相位随着欲传输的模拟输入基带信号的变化而相应发生变化的调制方式，包括：
幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）三种。
其中，AM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，其它参数不变。
可以说，AM调制是使高频载波的振幅载有传输信息的调制方式。
具体来看，AM调制又分为三种方式，包括普通调幅方式（AM）、抑制载波的双边带调制（DSB）和单边带调制（SSB），所得已调信号分别称为调幅波信号、双边带信号和单边带信号。
设目标信号m（t）、正弦型载波
则以上三种调制方式具体原理如下。
2.1.1调幅
图1调幅调制模型
如图1所示为调幅调制基本模型，假设调制信号m（t）平均值为0，将其叠加一个直流偏量
后与载波相乘，即可形成调幅信号。
调幅信号时域表达式为
若m（t）为确知信号，则AM信号频谱为
其典型波形和频谱如图2所示。
图2调幅信号典型波形和频谱
由图2中时域波形可以看出，当满足条件
时，调幅波的包络与调制信号波形完全一致，因此用包络检波法将会很容易恢复出原始调制信号。
如未满足前述条件，将出现“过调幅”现象，此时用包络检波将发生失真、无法准确恢复原始波形，应当采用其他的解调方法解调，如同步检波。
由图2中频域波形可看出AM信号频谱由载频分量、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信号是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽最大值的2倍，即
。
2.1.2双边带调制
图3双边带调制模型
如图3所示，在AM调制模型中将直流分量
去掉，即可输出抑制载波双边带信号、简称DSB信号，其时域和频域表达式如下：
对应的典型DSB信号波形和频谱图如图4所示。
图4双边带信号典型波形和频谱
同AM调幅信号相比，DSB信号有以下三点特点：
a）需采用相干解调（同步检波），不能采用简单的包络检波;
b）节省了载波功率，全部功率都用于信号传输，调制效率为100％；
c）DSB信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。
2.1.3单边带调制
双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱
的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。
这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为SSB单边带调制。
图5滤波法SSB调制器
如图5所示滤波法产生SSB信号，先产生一个双边带信号，再让其通过一个边带滤波器滤除不要的边带，即可得到单边带信号。
图中，
为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性
则可滤除下边带，保留上边带（USB）；若
具有如下理想低通特性
则可滤除上边带，保留上边带（LSB）。
图6边带滤波器
滤波特性
因此，SSB信号频谱可表示为
，边带滤波器
滤波特性存在如图6所示a、b两种情况。
相对应的，SSB信号频谱也存在两种情况如图7。
通常情况下选取保留上边带。
图7SSB信号典型频谱
除了滤波法还可使用相移法产生SSB信号，在此不作赘述。
SSB信号具备以下两点特点：
a）不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为
；
b）SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。
2.2信号解调
解调是调制的逆过程，其作用是从接受的已调信号中恢复原始基带信号。
解调的方法可以分为两类：
相干解调和非相干解调（包络检波）。
2.2.1相干解调
相干解调也称同步检波。
解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。
在相干解调时，为保证无失真地恢复基带信号，接收端必须提供与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。
图8相干解调器的一般模型
如图8所示为相干解调器的一般模型，解调器输入的已调信号的一般表达式为
与同频同相的相干载波c（t）相乘后，得
经低通滤波器LPF后
，又因为
是
通过一个全通滤波器
后的结果，故上式中的
就是解调输出，即
可见相干解调适用于所有线性调制信号的解调，即对应于AM、DSB、SSB均是适用的。
2.2.2包络检波
AM信号在满足
的条件时，其包络与调制信号形状完全相同。
因此，AM信号除相干解调外还可使用包络检波法恢复原始信号。
图9包络检波器
包络检波器通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成，如图9。
包络检波属于非相干解调，不需要相干载波。
通常情况下，检波器的输出为
，隔去直流后即为原信号
。
2.3SystemView基本操作
SystemView软件是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。
在SystemView的使用过程中，常用器件及其功能如表1所示。
表1SystemView常用器件及其功能
3建立模型描述
3.1基于SystemView建模
针对AM调制解调这一基本内容，基于SystemView建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号为
，幅值2V、频率100Hz；载波信号为
，幅值1V、频率1000Hz；信道噪声为高斯白噪声，其最大幅值为0.1V。
3.1.1AM调制相干/非相干解调
图10调幅调制解调系统建模
如图10，调幅调制解调系统由三部分组成：
AM调制，信道加噪、去噪，相干、非相干解调。
首先讨论AM调制模块如图11，信号发生器0产生原始基带信号
，设定幅值为2V、频率100Hz；信号发生器10产生幅值为4V的阶跃信号，即
，不会出现过调幅。
上述两信号经加法器后与载波信号相乘，载波
由信号发生器5产生，设定幅值为1V、频率1000Hz。
这一部分器件最终输出的信号即为调幅调制信号。
图11AM调制模块
再来讨论信道传输部分，如图12。
为模拟实际通信系统，在信道传输部分引入由模块13产生高斯白噪声信号，定义幅值0.1V，这是由于通常情况下信道噪声远小于通信过程中有用信号。
又，高斯白噪声呈加性，故通过加法器12实现信号的加噪。
在信道传输部分的末端，为滤除噪声使用带通滤波器23，其通频带应为AM调制信号频率范围。
AM调制信号中心频率1000Hz，故，设定带通滤波器通频带范围为
，即
。
图12信道传输模块
最后，考虑解调模块如图13。
这里使用了两种解调方法，上方为相干解调、下方为包络检波法：
a）相干解调中，为无失真恢复基带信号，信号发生器15产生与载波信号
同频同相、完全一致的信号作相干载波，故设定幅值为1V、频率1000Hz。
通过乘法器14讲接收到的调制信号与相干载波相乘，使在频谱位置的已调信号的谱搬回到原始基带位置。
经低通滤波器16取出低频成分，即可得到原始基带调制信号，设定低通滤波器截止频率为原始基带信号信号频率100Hz。
图13解调模块
b）包络检波法中，通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成检波器。
这里使用全波整流器20和低通滤波器21构成检波器，同理，低通滤波器21的作用是取出低频成分、得到原始基带调制信号，故设定低通滤波器截止频率为原始基带信号信号频率100Hz。
3.1.2DSB调制相干解调
如图14，DSB调制解调系统由三部分组成：
双边带调制，信道加噪、去噪，相干解调。
其中信道传输模块中对高斯白噪声的加入与滤除，同调幅调制解调系统中信道传输模块的基本原理、设计方案、参数确定方法完全一致，在此不再赘述。
而相干解调模块也与调幅调制解调系统中相干解调部分一致，同样不作赘述。
图14DSB调制解调系统
重点讨论DSB调制解调系统中DSB调制模块，如图15。
图15DSB调制模块
DSB，又称抑制载波双边带信号，针对AM信号中载波分量不携带信息、仅边带传送信息的情况，DSB去掉直流分量
直接将原始基带信号与载波相乘获取边带信息。
因此直接将信号发生器0产生的基带信号和信号发生器4产生的载波信号，通过乘法器1相乘即可获得DSB已调信号。
这里，设定信号发生器0幅值为2V、频率100Hz，信号发生器4幅值为1V、频率1000Hz。
3.1.3SSB调制相干解调
如图16，SSB调制解调系统由三部分组成：
单边带调制，信道加噪、去噪，相干解调。
图16SSB调制解调系统
如图17所示，SSB信号调制模块仅在图15所示DSB调制模块的基础上加入一个边带滤波器。
这里通过边带滤波器3滤除信号下边带信号仅保留上边带，信号中心频率1000Hz、边带宽度100Hz，故设定边带滤波器3通频带为
，即
仅使上边带信号通过。
图17SSB信号调制模块
SSB调制解调系统的信道传输模块、相干解调模块设计原理也与前述两种系统的同一模块设计原理相同，不同的是部分模块参数将发生变化。
由于SSB已调信号滤除了下边带，故信号频率范围变化到
。
相对应的，信道传输模块中带通滤波器的通频带范围应当修正调整到
。
3.2基于MATLAB建模
针对AM调制解调这一基本内容，基于MATLAB建立统一的调制解调系统模型，选定原始基带信号为
，载波
；信道噪声为高斯白噪声，其最大幅值为0.1V。
采样频率fs=10000Hz，采样点数n=0:
2500，t=n*（1/fs）。
使用MATLAB语言，定义输入基带信号m=2*cos（100*t）、载波信号c=cos（1000*t）。
3.2.1AM调制相干解调
%AM调制相干解调Matlab源程序
n=0:
2500;
fs=10000;
t=n*（1/fs）;
m=2*cos（100*t）;%输入信号
c=cos（1000*t）;%载波
p1=m+4;
p2=p1.*c;%调幅调制
p4=p2.*c;
[nb,na]=butter（4,100,'s'）;
sys=tf（nb,na）;
s=lsim（sys,p4,t）;
figure
（1）
subplot（2,2,1）
plot（t,m）;
title（'输入信号时域波形m（t）'）;
subplot（2,2,2）
plot（t,c）;
title（'载波波形c（t）'）;
subplot（2,2,3）
plot（t,p2）;
title（'AM调制波形'）;
subplot（2,2,4）
plot（t,s）;
title（'相干解调波形s（t）'）;
3.2.2DSB调制相干解调
%DSB调制相干解调Matlab源程序
n=0:
2500;
fs=10000;
t=n*（1/fs）;
m=2*cos（100*t）;%输入信号
c=cos（1000*t）;%载波
p1=m.*c;%调幅调制
p3=p1.*c;
[nb,na]=butter（4,100,'s'）;
sys=tf（nb,na）;
s=lsim（sys,p3,t）;
figure
（1）
subplot（2,2,1）
plot（t,m）;
title（'输入信号时域波形m（t）'）;
subplot（2,2,2）
plot（t,c）;
title（'载波波形c（t）'）;
subplot（2,2,3）
plot（t,p1）;
title（'DSB调制波形'）;
subplot（2,2,4）
plot（t,s）;
title（'相干解调波形s（t）'）;
4仿真结果及分析
4.1基于SystemView的系统仿真结果
4.1.1AM调制解调系统仿真结果
针对图10所示AM调制解调系统仿真，观测各点波形情况如下图18至图24。
图18原始基带信号m（t）
图19原始基带叠加直流偏量后的结果m（t）+A
图20载波信号c（t）
图21AM调制已调波形
图22信道噪声n（t）
图23非相干解调解调信号波形
图24相干解调解调信号波形
由图21，从AM调制已调波形可以看出调幅调制的基本特征，已调信号的包络与原始基带信号波形一直，边带携带信息。
通过包络检波可以无失真恢复原始基带波形。
由图23、图24，两种不同解调方法得到的解调波形可知解调波形存在一定延时且向上偏移。
其中向上偏移是由于在系统进行信号调制的时候为避免过调制现象的出现叠加直流分量A到基带信号，而该直流分量未减去，故信号整体向上偏移。
就解调波形而言，与原始基带信号时域波形基本一致。
这说明，对原始基带信号AM调制解调系统的建模是成功的。
4.1.2DSB调制解调系统仿真结果
原始基带信号、载波信号和信道噪声在本小节始终保持一致，在此不再赘述。
如图25至图28反映了DSB调制解调系统的仿真情况。
图25DSB调制已调波形
图26加噪后的DSB已调波形
图27经LPF前的DSB已调信号解调波形
首先观察图25中DSB调制的已调波形，可见明显的载波反相点，验证了DSB已调信号不存在载波分量的特性，可以推断出DSB调至效率为100%。
又如图可见此时信号的包络不再与调制信号变化规律一致，验证了DSB已调信号不能采用包络检波恢复基带，只能通过相干解调恢复基带信号。
图28DSB调制解调系统解调输出波形
比较图28与图18，可见建立的DSB调制解调系统模型可以实现DSB调制并能够通过相干解调恢复原始基带信号。
与此同时，比较分析图28与图24可见DSB调制解调系统对信号的传输更有优势，最终接受到的信号波形偏差更小。
4.1.3SSB调制解调系统仿真结果
原始基带信号、载波信号和信道噪声在本小节始终保持一致，在此不再赘述。
如图29至图33反映了SSB调制解调系统的仿真情况。
图29SSB调制已调信号时域波形
图30经LPF前的SSB已调信号解调波形
图31SSB调制解调系统解调输出波形
图32DSB调制信号频谱
图33SSB调制信号频谱
比较图31与图18，SSB调制解调系统输出解调信号波形与输入原始基带信号波形基本一致，说明对SSB调制解调系统的建模是成功的，能够正确实现信号的调制与解调。
比较图32与图33，可从DSB和SSB调制信号的频谱图看出二者之间的关系：
a）SSB调制信号可由DSB信号直接滤去一个边带得到；
b）占用的频带宽度为
。
通过分析实验现象得出的结论，符合相关理论知识。
4.2基于MATLAB的系统仿真结果
基于MATLAB建模得到的系统仿真结果波形与基于SystemView建模的情况大体一致，对于波形含义的分析此处不再赘述。
建立的两个系统模型仿真结果如图34、图35所示。
图34基于MATLAB的AM调制解调系统仿真图
图35基于MATLAB的DSB调制解调系统仿真图
5调试过程及结论
程序调试过程中主要的问题都集中在基于SystemView的系统模型中。
在SystemView中调试系统，开始的时候各基本信号输出点未见有波形输出。
考虑到不仅系统终端无信号输出，连输入信号的波形也无法检测，打开判断可能是由于软件默认的系统仿真时间和采样率无法满足信号需求导致。
有了初步判断后，打开DefineSystemTime对话框定义系统仿真时间，如下图36。
图36时间规定对话框
这里StartTime和StopTime控制了系统运行的时间范围，SampleRate和TimePacing在系统仿真中控制步长也就是我们通常说的采样速率和采样间隔。
这两个参数互为倒数。
根据乃奎斯特抽样定理，若
是频带宽带有限的，要想抽样后
能够不失真还原出原信号
，则抽样频率必须大于或等于两倍信号频谱的最高频率，即
。
考虑系统输入信号频率值最高为1000Hz，修改采样速率SampleRate为10000Hz，保证无混叠。
随后，再次对系统进行仿真，得到准确波形。
6心得体会
通过这次课程设计，再次熟悉了信号与系统、数字信号处理、通信原理以及MATLAB计算软件的相关原理和应用方法，并且通过查阅书籍资料学习和掌握了动态系统仿真软件SystemView、切身体会到了其强大的线性、非线性控制系统设计和仿真功能。
基于本次课程设计的课题AM调制与解调，我通过SystemView和MATLAB这两个不同的实验平台进行了系统的建模、设计、实现和仿真，对照课堂上讲授的基本原理验证了调幅信号、双边带调制信号、单边带调制信号的一系列时域、频域特性，深入理解了AM信号、DSB信号、SSB信号、VSB信号各中优劣。
同时，也复习巩固了信号解调的有关原理。
另一方面，在独立完成课程设计过程中遇到的一些小问题、小挫折也提高了我冷静自主分析问题、研究问题、解决问题的能力。
比如，除了在实现系统过程中遇到的专业知识问题外，由于撰写报告书过程中需要用到系统原理图，而MicrosoftWord的自带功能已无法满足需求，遂自主查找是否有其它三方软件可实现目标需求、精益求精。
其后，通过微软公司开发的程序流图专业绘制工具MicrosoftOfficeVisio间接实现系统原理图的绘制工作。
总的来说，这次课程设计带给我的不仅仅是学识上的精进还有个人能力素养的提升，也督促培养了个人独立思考、善于查阅并应用相关资料书籍的能力。
经过这次课程设计，我收获很多。
7参考文献
[1]周润景，张斐.数字信号处理的SystemView设计与分析.北京航空航天大学出版社，2008.1
[2]程佩青.数字信号处理教程.清华大学出版社，2007.2
[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理.国防工业出版社，2007.8
[4]SaeedV.Vaseghi.AdvancedDigitalSignalProcessingandNoiseReduction.电子工业出版社，2007.8
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