自通信仿真AM调制与解调MATLAB.docx
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自通信仿真AM调制与解调MATLAB
课程设计
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通信模块设计与仿真报告
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通信原理模拟仿真
《通信原理》是通信工程专业的一门极其重要的专业课，内容比较抽象,概念多，是一门难度比较大的课程，通过ＭAＴLAＢ仿真能清晰地理解它的原理和他的过程,信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用,也是通信工程专业必备的知识。
AM调制与解调是信号调制的最基础的调制方式，本次模拟使用MATＬAB2０12进行，包括原始信号，载波信号及其频谱和调制与解调,并显示仿真结果。
根据仿真展示AM的调制解调过程，并使用数据结果分析系统性能。
一.AM调制与解调原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程,即载波的幅度随着调制信号而改变的调制,是一种线性调制。
ＡＭ信号的时域表示式:
Ａ０为直流分量，ｍ（t）为调制基带信号,基带信号的幅度小于A0,ｃｏs（wct）为载波信号。
AＭ以调信号的波形随调制的基带信号波形呈规律变化。
AM信号的频域表示式：
频域为对ＡM信号进行傅里叶变换所得结果,即所说的频谱。
频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，而且搬移也是线性的。
AＭ调制模型：
图1.调制器模型
AM的时域波形和频谱如图所示:
时域 频域
图2.调制时、频域波形
AＭ信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。
它的带宽是基带信号带宽的２倍（正负频域）。
在波形上,调幅信号的幅度随基带信号的变化而呈正比地变化,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。
AM信号的解调：
解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号。
ＡＭ信号的解调有包络解调（非相干解调）和相干解调，本次模拟仿真使用的是相干解调。
因为相干解调适用于所有线性调制信号的解调,具有典型的代表性。
相干解调（又叫同步检波）是为了从接受的已调信号中不失真地恢复原调制信号,要求本地载波（又称相干载波）和接收信号的载波保证严格相同（同频同相）。
相干载波的一般模型如下:
图3.相干解调的一般模型
将已调信号乘上相干载波，得
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。
解调与调制的实质一样，均是简单的频谱搬移。
相干解调的关键是必须产生一个与载波同频同相位的载波。
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,实际中使用锁相环来保证这一条件。
二．ＭATLＡB调试源程序
本次调试使用maｔｌab的201２版本。
clc；
ｃleａr;
ｃlｅａｒａll;
%AM调制过程
figure（'Ｎａme',＇AM调制过程','NumbｅrTｉtle','off'）％打开图形窗口并命名
ａ０=2;％增加直流成分
f0=10;%信号频率
ｆｃ＝50;％载波频率
ｆs=１000;%采样频率
snr=２0;%信噪比
t=（－２０:
0.00１：
20）;%时间段
f＝（0：
40000）*fｓ/４0００1-fｓ／2；%频率段
W0=2*pi*f0；％信号角频率
Wc=2*pi*ｆc;％载波角频率
am１=cos（2*ｐi*f0*t）; %信号波形（信号幅度直接取1）
ＡM1=ｆｆt（am1）；％信号傅里叶变换
ａｍ=a0+am1;%调制后总的AM幅度（直流加信号）
ｔ１=cos（2*ｐｉ*fc*t）;%载波波形
T１=fｆt（ｔ1）;%载波傅里叶变换
s_aｍ=am．*t1;%调制信号
S＿AM=fft（s_aｍ）;％调制后波形傅里叶变换
ｓubplot（3,2,1）; ｐlot（t（19801:
20200），am1（19801:
20２0０））;
tiｔｌｅ（'信号时域图＇）;
suｂｐloｔ（3,２,2）;plｏt（f,fｆtshiｆt（aｂs（ＡM１）））;
ｔｉtlｅ（'信号频谱图'）;
subplot（3,2,３）；ｐlot（ｔ（19801:
20２00），t１（１980１：
20２00））;
titlｅ（＇载波时域图'）;
ｓubｐｌot（3,2,4）； plｏt（f,fｆｔshift（abs（T1）））；
titlｅ（＇载波频谱图'）;
ｓuｂploｔ（3,２,５）;ploｔ（t（1980１:
20２0０）,s_am（19801:
2020０））;
tiｔle（＇已调信号时域图'）;
subploｔ（３，２,6）; plot（f,fftshｉft（abs（S_AM）））；
tiｔｌe（＇已调信号频谱图'）;
％产生噪声
fiｇure（'Name'，'添加噪声,帯通滤波','ＮumberTitle','off'）;
y=awｇn（s_am,snｒ）;%添加加性高斯白噪声
subploｔ（2,2，１）;pｌｏt（t（1９801:
20２０0），ｙ（19801：
20200））；
title（'添加噪声后信号波形图＇）；
Y＝ffｔ（y）；%添加噪声后信号傅里叶变换
subｐlot（2，2,2）；pｌot（f，fftｓｈift（abs（Y）））;
tｉtlｅ（＇添加噪声后信号频谱图'）;
％设计滤波器
% Ｗp＝2*pi*100;%帯通频率（载波频率）
% Ws=2*pｉ*3０0;％带阻频率
% Ｒp=3;%帯通频率衰减
% Aｓ＝１5;%带阻频率衰减
% [N,ｗc］=ｂuｔｔord（Wp，Ws,Rp,As，'s'）；%计算巴特沃斯低通滤波器阶数N,3db截止频率Wｃ
% [Ｂ,Ａ］＝bｕttｅｒ（N，wc，＇s'）；%计算巴特沃斯模拟低通滤波器系统函数系数
%
% ｔam=fｉltfiｌt（Ｂ，A，ｙ）;%信号经过滤波器
% TＡＭ=ｆｆt（taｍ）;%滤波后信号傅里叶变换
％设计巴特沃斯低通滤波器,接收端输入前滤波
a=[35，65］;%通带范围
b=[30,70］;%阻带范围
Ｗp=a/（fs／2）；%带通频率
Ws=ｂ／（fs/2）；%带阻频率
Rｐ＝５;％帯通频率衰减
Ｒs=15;%带阻频率衰减
[Ｎ,w3]=buttord（Ｗp,Ws,Rp,Rs）;%计算巴特沃斯低通滤波器阶数N,３ｄb截止频率w3
[Ｂ，A]=buｔter（N，w３,＇ｓ'）；%计算巴特沃斯模拟低通滤波器系统函数系数,s表示模拟滤波器
ｔam=filtfilｔ（B,A,ｙ）;%信号经过滤波器
subplot（２，２,３）;ｐlot（t（19801:
２02０0）,tａｍ（19801:
20200））;
tiｔｌe（'带通滤波后信号波形图'）;
TAM＝ｆfｔ（tａm）;％滤波后信号傅里叶变换
ｓｕbｐlot（2，2,4）;ｐlｏt（ｆ,ｆftｓhｉft（abs（TAM）））;
tiｔle（'带通滤波后信号频谱图'）；
%相干解调
figure（'Name','AM相干解调＇，'NumberTitle','oｆｆ'）;
jtaｍ=tａm.＊t１；%相干解调（调制已接收信号ｔａｍ乘以载波信号ｔ1）
％设计巴特沃斯低通滤波器,对相干解调后的信号滤波
Wt=15/（fｓ／2）;%带通频率
Wz=４０/（ｆs/2）;%带通频率
Rｔ＝3;%帯通频率衰减
Rz=２0;％带阻频率衰减
[Ｎ1，W3db]=buｔｔｏrd（Wt,Ｗz,Rt,Rz）;%计算巴特沃斯低通滤波器阶数N,3db截止频率Ｗ3db
[Ｂ,A］=ｂutteｒ（Ｎ1，W3dｂ，'low'）;%计算巴特沃斯模拟低通滤波器系统函数系数
ouｔaｍ=ｆiltfｉｌｔ（B，A,jtam）；%相干相乘后信号jtam经过巴特沃斯低通滤波器,输出为outam。
filtfｉｌt为0相移滤波器
sｕbploｔ（２,1,1）；plｏt（ｔ（19801:
２02０0）,ouｔam（1９8０1:
２0２０0））；
title（'解调信号时域图＇）;
M０ＯUTAM=fｆt（outam）;％解调输出结果的傅里叶变换
subpｌot（２,1,2）；ｐlot（f,fｆtshｉft（abs（M0ＯUTAM）））;
tｉtlｅ（'解调信号频谱图＇）;
三.MAＴLAＢ调试结果
图4.基带信号时域图，频谱图
基带信号频率为1０Hz,频谱图为在正负10Hz处的两个冲击函数。
图5.载波时域图，频谱图
载波频率为５0Ｈz,频谱图为在正负50Hz处的两个冲击函数。
图6．已调信号时域图，频谱图
调幅信号的幅度随基带信号的变化而呈线性地变化,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，将基带信号的频谱搬移到载波频谱的两边。
图7.添加噪声后的已调信号时域图,频谱图
已调信号在经过空气等的介质传输时受到各种各样的干扰，会产生衰减等的波形失真。
我们使用加性的高斯白噪声来代替现实中的干扰。
可以看见已调信号的波形有较明显的形变。
图8. 经过滤波器后的已调信号时域图,频谱图
信号经过前端滤波器后波形也有失真，所以在设计滤波器时要特别注意滤波器的性能，注意滤波器的系统函数的选择，以免滤波器对信号造成过大的影响。
图9.相干解调后基带信号时域图
解调后的波形图比刚开始时有所上升，上升的高度为直流分量Ａ0的高度。
波形几乎没有变化。
图１0.相干解调后基带信号频谱图
解调后的频谱图幅度有下降,但是频率不变。
结合时域图可见相干解调的结果是值得信赖的，相干解调是比较理想的一种解调方式。
当输入信号一定时,随着噪声的加强，接收端输入信号被干扰得越严重,相应的输出波形相对于发送端的波形误差也越大。
而当噪声过大时信号难以分辨,在实际的信号传输过程中当信道噪声过大将会导致幅度相位等各失真,非线性元件如滤波器等的存在也会导致信号失真,非线性失真也会随噪声加大而变大。
三.相干解调的抗噪声性能分析
每一个系统都有自身的优势,相干解调也有相应的参数来衡量其系统特性。
ＡM线性调制系统的相干解调模型:
图11.线性调制系统的相干解调模型
是AM调幅信号,带通滤波器BPＦ的带宽等于已调信号带宽。
AM调制系统的抗噪声性能：
AM信号的时域表达式为
AM信号的平均功率为
输入功率
，B为已调信号的带宽。
AM信号在解调器的输入信噪比为
ＡM信号经相干解调器的输出信号为
解调后输出信号功率为
输入噪声通过带通滤波器ＢPF后变成窄带噪声
经乘法器相乘后的输出噪声为
经低通滤波器LPF后
解调器的输出噪声功率为
AM信号经过解调器后的输出信噪比为
ＡM信号的信噪比增益为
在设计系统时,应当尽量改善滤波器的性能，以免系统自身干扰造成信号的严重失真。
信号在发射时尽量增大发射功率，以提高其抗干扰能力。
四．心得体会
这一次课程设计是对所学知识的一次重要检验，结合了所学的MＡTLAＢ，信号与系统，数字信号处理等多个课程的知识。
真正的学有所用,用到实处。
之前没有多大实际的使用过matｌａb进行编程，这一次是从新温习一遍功课后自己动手操作，连续加班写了两天时间，出现了很多错误，修改了很久,还请教了舍友。
原来这些都是我们所学过的，但是早已忘记的内容，深刻认识到及时复习和应用所学知识的重要性。
这次课程设计过程对AM原理进行更深一层次的理解,也认识到matlab的强大作用，这是我们通信工程专业不得不掌握的一款软件，信号的电波是看不见摸不着的,通过maｔｌａb工具可以比较形象的将它体现出来,运用它可以模拟许多的通信知识过程，对我们学习有很大的帮助。
但是由于我ｍaｔlaｂ基础不是很好，这次课程设计虽然很简单,但由于没有掌握好所以花了很多时间查找了很多相关的资料,而且我们在编译和调试过程中除了很多次错误，这是过程，学习就是在过程中进行的。
记得最深刻的就是在设计滤波器时,因为一个函数的字母写成了大写导致程序没有结果，几个舍友一起看了很久都没有结果，最后还是仔仔细细的对照课本才发现的。
这不仅提示我们要细心,也告诫我们要更加认真的对待学习。
总之这次课程设计收获很大，努力没有白费,勤奋才有收获。
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