VSB的调制与解调.docx

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VSB的调制与解调

VSB的调制与解调

1选题背景  

调制是将各种基带信号转换成适于信道传输的调制信号（已调信号或频带信号），就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。

调制技术分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：

模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。

主要的数字调制方式包括比较传统的幅移键控（ASK）和多电平正交调幅（mQAM），频移键控（FSK），相移键控（PSK）和多相相移键控（mPSK）。

也包括近期发展起来的网格编码调制（TCM）、残留边带调制、正交频分复用调制等方法。

数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。

在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。

由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，将来必然还要寻找更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。

激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。

数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。

数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性，除此之外，数字调制抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。

在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。

残留边带调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式； 它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现中的困难。

在这种调制方式中； 它不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带，而是逐渐切割，使其残留—小部分； 

解调是调制的逆过程。

调制方式不同，解调方法也不一样。

与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。

正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。

同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。

对于多重调制需要配以多重解调。

解调过程大体上包含两个主要环节：

首先把位于载波附近携带有用信息的频谱搬移到基带中，然后用相应的滤波器滤出基带信号，完成解调任务。

脉冲调制信号的解调比较简单。

例如脉幅调制和脉宽调制信号都含有很大的调制信号分量，可以用低通滤波器直接从脉冲已调波中将它们滤出，实现解调；有的脉冲已调波（如脉位调制、脉码调制等）中的调制信号分量较小，通常先把它们变为脉幅或脉宽调制信号，再用滤波器把有用信号滤出。

正弦波已调信号中不包含调制信号分量。

解调时应先进行频率变换，把孕含在边带中的有用信号频谱搬移到适当的频带之内，再用滤波器或适当器件，把有用信号检出。

2 方案论证

残留边带调制是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式，在残留边带调制中除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分。

对于具有低频即直流分量的调制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带是无限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这就避免了实现上的困难。

本次设计的主要是总分总思想进行，先要知道本实验的要求和目的，再根据设计要求了解MATLAB的使用，模拟信号的调制，模拟调制的分类，熟知模拟调制的工作方式，了解模拟调制的知识，本设计应该分为两个主体，首先是对VSB信号进行调制，再是对已调的VSB信号的解调。

用matlab产生一个频率分别为5Hz、5/2Hz的余弦和正弦叠加信号作为信源m（t）,两个频率分量功率相同，总信号功率为2W，设载波频率为20Hz。

3过程论述

3.1VSB信号分析

残留边带调制VSB是一种幅度调制法（AM），它是在双边带调制的基础上，通过设计滤波器，使信号一个边带的频谱成分原则上保留，另一个边带频谱成分只保留小部分（残留）。

由于该调制方法介于双边带与单边带之间，因此该调制方法既比双边带调制节省频谱，又比单边带易于解调。

由于VSB基本性能接近SSB，而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现，所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。

数字VSB调制方式输出的是一种使用单个载波、采用幅度调制的、抑制载波的残留边带信号。

VSB系统实际上提供了一系列调制等级，如2-VSB、4-VSB、8-VSB、16-VSB调制等。

这一系列的VSB可以使用相同的导频、符号率、数据帧结构、交织过程、R-S编码及同步脉冲。

它可以应用于地面广播和有线电视，如美国ATSC的数字电视标准就是采用的VSB调制方式。

在地面广播中常用8-VSB调制，在一个6MHz模拟带宽内可传送一路HDTV信号；而在有线电视中常用16-VSB调制，此时，在一个6MHz模拟带宽内可传送2路HDTV信号。

在6MHz的模拟带宽上采用4-VSB调制可以携带21.5Mbit/s信息（理想情况为24Mbit/s），采用16-VSB调制可以携带43Mbit/s信息（理想情况为48Mbit/s）。

我们知道，标准的一路HDTV数字视频信号经约50倍的压缩后，其数码率约为20Mbit/s。

因此，在有线电视的16-VSB调制情况下，在6MHz的模拟带宽中，可传输两路HDTV信号。

由于有线电视在电缆中传输，因而传输环境较好，不需要对所传信号进行冗余的TCM编码。

然而，在数字电视地面广播的传输条件下，由于空间传输的环境较差，因而对所传输的信号进行2/3的TCM编码，因此，在地面广播中采用加TCM的8-VSB调制，其有效数码率和4-VSB方式一样，为21.5Mbit/s，可传一路HDTV信号。

在高斯白噪声环境下，VSB和QAM具有相同的误码特性（VSB的功率忽视导频能量）。

8-VSB相当于64-QAM，16-VSB相当于256-QAM的性能。

但从结构来看，VSB要比QAM简单，硬件复杂度低

3.2VSB信号的传输方法

用滤波法实现残留边带调制的原理图如图

图3-1滤波法实现实现残留边带调制原理图

残留部分下边带时的传递函数

图3-2残留部分下边带图

残留部分上边带传递函数

图3-3残留部分上边带图

它的几何含义是，残留边带滤波器的传输函数Hvsb（W）在Wc附近必须具有互补对称性，它可以看作是对截止频率为Wc的理想滤波器进行“平滑”的结果，习惯上，称这种“平滑”为“滚降”。

显然，由于“滚降”，滤波器截止频率特性的“陡度”变缓，实现难度降低，但滤波器的带宽变宽。

3.3基本参数设计

设抽样频率Fs=1000FsHz，抽样时长5秒，对应采样点数N=5000N

VSB调制和解调可以用信号过系统的方法进行仿真。

（1）对信号进行抽样得到X（n）;

（2）对信号做离散傅立叶变换X（n）<->X（w）;

（3） 信号过系统，频域相乘 Y（w）=X（w）H（w）; 

（4） 对输出信号做傅立叶反变换，与输入信号做对比。

3.4VSB调制

残留边带为0.2mf的VSB调制信号时域波形 ，VSB调制可等效为输入基带信号先调制为DSB信号，再通过一个特殊的滤波器。

对滤波器的要求：

滤波器有过渡带，其中一个边带损失的恰好能够被另外一个边带残留的部分补偿。

图3-4调制原理图

3.5VSB信号进行相干解调。

残留边带信号显然也不能简单采用包络检波，而必须采用下图所示的相干解调。

图3-5解调原理图

4结果分析

4.1VSB调制信号

图4-1VSB调制信号与信源的比较图

由图可以看出，VSB调制信号与信源相比，幅度值和周期都发生了改变。

4.2采用相干解调后的VSB信号波形

图4-2相干解调后的波形与原输入信号的波形

由图可以看出，相干解调后的信号除了幅度值是输入信号（信源）的1/2外，波形没有发生变化，也没有发生时延。

4.3调制信号的功率谱密度

图4-3调制信号的功率谱密度

由图可以看出，输入信号（信源）经过调制后，信号功率谱已发生变化。

符合残留边带滤波器的效果。

4.4加上窄带高斯噪声后重新解调

4.4.1用MATLAB仿真

N0=0.1

noise = noise_nb（fc,B,N0,t）; 

s_vsb2 = s_vsb + noise;

rt2 = s_vsb2.*cos（2*pi*fc*t）; 

figure

（2） • subplot（211） 

plot（t,mt,'r--'）;           %标示mt的波形 

hold on; 

title（'原始信号的波形'）

subplot（212） 

plot（t,s_vsb2）;       %画出s_vsb2信号波形 

title（‘窄带高斯噪声加载后的波形'）; 

xlabel（'t'）; 

ylabel（'幅度'）; 

%窄带高斯白噪声的解调

[f,rf2]=T2F（t,rt2）;

[t,rt2]=lpf（f,rf2,2*fm）;

figure（3）

plot（t,rt2,t,mt,'r--'）;

holdon;

legend（'加噪声重新解调后的信号','输入信号（信源）'）

title（'在接收端带通后加上窄带高斯噪声后重新解调得到的波形'）;

xlabel（'t'）;

ylabel（'幅度'）;

4.4.2窄带高斯白噪声的调制

图4-4在输入端加窄带高斯噪声调制图

由图可以看出，此时调制信号已经接收窄带高斯白噪声影响发生变化，发生严重的幅度失真，只能粗略估计出原VSB信号的变化规律。

4.4.3窄带高斯白噪声的解调

图4-5在接收端加入窄带高斯白噪声的解调图与信源图的比较

在接收端带通后加上窄带高斯噪声后重新解调后，输出信号已经发生幅度失真，但是没有发生相位失真。

输出信号已经失去信源的周期性，幅度值发生不规律变化，信号波形比较平坦，幅度大约为调制信号的一半。

5结论

VSB信号的调制可等效为输入基带信号先调制为DSB信号，再通过一个特殊的滤波器。

但对滤波器有要求：

滤波器有过渡带，其中一个边带损失的恰好能够被另外一个边带残留的部分补偿。

选择合适的载波频率进行相干解调，可以除幅度减半之外相对无失真的恢复原始信号，但是对于接收到比较微弱的信号进行相干解调，需要在功率上进行补偿。

调制信号---VSB信号是功率信号，它的能量无穷大，利用巴塞瓦尔定理和极限的方法得到信号的单边功率谱密度近似等于信号傅里叶变换（频谱密度）模值的平方除以信号的周期（在周期近似无穷大的前提下）。

若VSB信号在信道中叠加了窄带高斯噪声，经接收和相干解调是无法消除该噪声的，且该噪声会严重影响我们相干解调的效果，甚至无法看到原始信号的变化规律。

所以，噪声在接收方，是需要极力避免的。

我们在进行信号接收和分析时，应根据我们的需要调整滤波器的设计方式、进行FFT或IFFT后幅值的大小等，不能拘泥于原理本身，要灵活的应用它们，为自己服务，它们和MATLAB一样，是服务于我们的工具。

本次仿真就运用一个幅度调制是正余弦载波的幅度随调制信号线性变化的过程。

幅度调制后的已调信号，在时间波形上，波的幅度随调制信号成线性变化，在频谱结构上，频谱已从基带域搬移到其他一个频域，而且他的频谱结构完全是基带信号频谱在频域内的简单的搬移，由于这种搬移是线性的,因此幅度调制又称线性调制，但应注意的是线性调制并不是线性变换，而是一种非线性过程。

运用matlab中的M文件进行编程，首要的目标便是确定一个模型即数学函数。

有了数学函数，就有了编程的思想和思路，所写的每一行代码都为这个函数所用。

参考文献

[1]张德丰．《MATLAB通信工程仿真》．机械工业出版社．2013

[2]刘学勇．《Matlab/Simulink通信系统建模与仿真》．北京电子工业出版社．2013

[3]樊昌信．《通信原理》.北京国防工业出版社．2015

[4]邵玉斌．《Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析》．清华大学出版社．2015