线性幅度调制系统的仿真设计最终报告.docx
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线性幅度调制系统的仿真设计最终报告
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线性幅度调制系统的仿真设计
课题名称线性幅度调制系统的仿真设计
学生姓名
班级
学号
指导教师
设计地点
x年x月x日
序言……………………………………………………………………………………3
第1章绪论………………………………………………………………………4
1.1通信技术的历史和发展…………………………………………………………4
1.2几种常见调制解调技术………………………………………………………5
1.3matlab仿真技术在现代通信中的应用……………………………………5
第2章MATLAB简介……………………………………………………………7
第3章通信系统课程设计基本要求与题目……………………………8
第4章线性调制与解调的基本原理………………………………………9
4.1幅度调制的一般模型……………………………………………………………9
4.2普通调幅（AM）的基本原理……………………………………………………10
4.2.1.AM信号的表达式、频谱及带宽……………………………………………10
4.2.2.AM信号的解调………………………………………………………………11
4.3双边带调制（DSB）的基本原理………………………………………………13
4.3.1.DSB信号的表达式、频谱及带宽…………………………………………14
4.3.2.DSB信号的解调………………………………………………………………14
4.4单边带调制（SSB）的基本原理…………………………………………………15
4.4.1.SSB信号的表达式、频谱及带宽……………………………………………15
4.4.2.SSB信号的解调………………………………………………………………16
第5章幅度调制系统的MATLAB仿真与分析…………………………17
5.1普通调幅（AM）的仿真与分析…………………………………………………17
5.2双边带调制（DSB）的仿真与分析………………………………………………20
5.3单边带调制（SSB）的仿真与分析……………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………………25
体会与建议…………………………………………………………………………26
附录……………………………………………………………………………………27
序言
在通信技术的发展中，通信系统的仿真是一个技术重点。
这次课程设计的重点就是模拟通信系统中的调制解调系统的基本原理以及仿真，并在MATLAB软件平台上的仿真实现几种常见的模拟调制方式。
最常用最重要的模拟方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。
常见的的调幅（AM）,双边带（DSB）和单边带（SSB）等调制就是幅度的几个典型实例。
在线性调制系统中，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MATLAB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。
通常，调制可以分为模拟调制和数字调制两种方式。
在模拟调制中，调制信号的取值是连续的：
而数字调制中的调制信号的取值则为离散的。
调制在通信系统中具有重要的作用。
通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成合适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。
调制方式往往决定了一个通信系统的性能。
第1章绪论
1.1通信技术的历史和发展
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。
消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像都是消息。
消息有模拟消息以及数字消息之分。
所有消息必须在转换成电信号后才能在通信系统中传输。
所以，信号是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。
通信技术的发展历史堪称突飞猛进。
载波通信、卫星通信和移动通信技术正在向数字化、智能化、宽带化发展。
信息的数字转换处理技术走向成熟，为大规模、多领域的信息产品制造和信息服务创造了条件。
下面我们来看看有关通信技术的发展历史相关信息。
美国英特尔公司副总裁摩尔提出了一个描述集成电路发展速度的所谓"摩尔定律"，即集成电路芯片的集成度每12~18个月就翻一番，这一趋势至今仍在延续。
集成电路的广泛应用，为通信设备的微型化、智能化、自动化和数字化打下了坚实的基础。
目前，通信技术正在向着融合、宽带、高速的方向发展。
代表性的通信技术主要有：
光纤通信；数据通信；移动通信；智能网（IN）技术。
相应的，通信文化也经历了三波浪潮，即模拟通信文化浪潮、数字通信文化浪潮和宽带通信文化浪潮三个阶段。
受各国政治经济发展不平衡状况的影响，通信文化的三波浪潮并不是齐头并进的，而是参差不齐的。
从全球范围看，通信文化目前正在经历数字通信文化浪潮和宽带通信文化浪潮。
从严格意义上讲，宽带技术是数字通信技术的延伸，但是，考虑到宽带技术对通信文化的潜在影响十分巨大，从某种意义上讲不啻于是一场新的通信文化革命，所以我们特别将其剥离出来，以表征这种特殊性。
在通信方面，从传输、交换到终端设备，从有线通信到无线通信，正在全面走向数字化，促进了通信技术从低速向高速、从单一语音通信向多媒体数据通信转变；在广播电视和新闻媒体领域，节目制作、传送和接收及印刷出版等均已开始实现数字化分布式处理。
网络技术大趋势是试图将整个国家或地区经济和社会进步的发展都架构在信息网络上，发展网络经济、网络社会。
与此同时，随着计算机结构和功能将向着微型化、超强功能、智能化和网络化的方向发展，人机界面将更为友好。
1.2几种常见调制解调技术
在通信系统中，信道的频段往往是有限的，而原始的通道信号的频段与信道要求的频段是不匹配的，这就要求将原始信号进行调制再进行发送。
相应的在接收端对调制的信号进行调解，恢复原始的信号，而且调制解调还可以在一定的程度上抑制噪声对通信型号的干扰。
调制解调技术按照通信信号是模拟的还是数字的可分为模拟调制调制和数字调制解调。
但不论是模拟调制解调还是数字调制解调，都是通过将通信信号的信息加载到载波的幅度、频率或者相位上，因此调制解调可有分为幅度调制、频率调制和相位调制。
通信系统有不同的分类的方法，根据是否采用调制，将通信系统分为基带传输和频带传输。
基带传输是将未经频带调制的信号直接传送，调制的方式有很多。
1.3matlab仿真技术在现代通信中的应用
随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性.。
计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。
Matlab仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。
Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。
Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。
应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。
Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。
Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。
用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
用于实现通信仿真的通信工具包（Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱）是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。
另外，Matlab的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。
第2章MATLAB简介
MATLAB是MathWorks公司开发的一种跨平台的，用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言，与其它计算机高级语言如C，C++，Fortran，Basic，Pascal等相比，MATLAB语言编程要简洁得多，编程语句更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。
对于具有任何一门高级语言基础的读者来说，学习MATLAB十分容易。
但是，要用好MATLAB却不是在短时间就可以达到的。
这并不是因为MATLAB语言复杂难懂，而是实际问题的求解往往更多的是需要使用者具备数学知识和专业知识。
MATLAB使得人们摆脱了常规计算机编程的繁琐，让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上。
可以说，应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具，可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。
目前，MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中，成为这些课程进行虚拟实验的有效工具。
在科研部门，MATLAB更是极为广泛地得到应用，成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。
在国内外许多著名学术期刊上登载的论文，大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB来完成的。
与其它高级语言相比较，MATLAB具有独特的优势：
（1）MATLAB是一种跨平台的数学语言。
（2）MATLAB是一种超高级语言。
（3）MATLAB语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发和验证的最佳工具。
（4）MATLAB计算精度很高。
（5）MATLAB具有强大的绘图功能。
（6）MATLAB具有串口操作、声音输入输出等硬件操控能力。
（7）MATLAB程序可以直接映射为DSP芯片可接受的代码，大大提高了现代电子通信设备的研发效率。
（8）MATLAB的程序执行效率比其它语言低。
第3章通信系统课程设计基本要求与题目
基于Matlab的通信系统课程设计要求
要求：
1.建立通信系统的数学模型
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
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
3.根据系统新能指标，设置和调整各模块参量及初始变量值
4.实现系统运行仿真，观察分析结果（计算的数据，显示的图形）
线性幅度调制系统的仿真设计
指标要求：
（1）信源为fm=1Hz,Am=1V的余弦信号，载波fc=10Hz
（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4章线性调制与解调的基本原理
4.1幅度调制的一般模型
幅度调制时用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。
幅度调制器的一般模型如图所示：
图4-1-1幅度调制器的一般模型
图中，
为调制信号，
为已调信号，
为滤波器的冲激响应，则已调信号的时域和频域一般表达式分别为
（3-1）
式中，
为调制信号
的频谱，
为载波角频率。
由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；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。
由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。
在上图的一般模型中，适当选择滤波器的特性
，便可得到各种幅度调制信号，例如：
常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等。
4.2普通调幅（AM）的基本原理
4.2.1.AM信号的表达式、频谱及带宽
在上图中，若假设滤波器为全通网络（＝1），调制信号叠加直流后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。
AM调制器模型如下图所示。
图4-2-1AM调制器模型
AM信号的时域和频域表达式分别为
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
AM信号的典型波形和频谱分别如下图（a）、（b）所示，图中假定调制信号
的上限频率为
。
显然，调制信号
的带宽为
。
图4-2-2AM信号的典型波形和频谱图
由图（a）可见，AM信号波形的包络与输入基带信号
成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。
但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足
，否则将出现过调幅现象而带来失真。
由它的频谱图可知，AM信号的频谱
是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。
上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。
显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。
故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即
式中，
为调制信号
的带宽，
为调制信号的最高频率。
4.2.2.AM信号的解调
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4-2-3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
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4-2-4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
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。
包络检波器输出的信号中，通常含有频率为
的波纹，可由LPF滤除。
图4-2-5串联型包络检波器电路及其输出波形
包络检波法属于非相干解调法，其特点是：
解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。
故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。
综上所述，可以看出，采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。
缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。
如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。
4.3双边带调制（DSB）的基本原理
4.3.1.DSB信号的表达式、频谱及带宽
在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（
＝1），调制信号
中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB-SC）调制信号，简称双边带（DSB）信号。
DSB调制器模型如图3-7所示。
可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为
图4-3-1DSB调制模型器图
可见，DSB信号的包络不再与
成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。
故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，即
式中，
为调制信号带宽，
为调制信号的最高频率。
4.3.2.DSB信号的解调
DSB信号只能运用相干解调，其模型与AM信号相干解调时完全相同，如图3-4所示。
此时，乘法器输出
经低通滤波器滤除高次项，得
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。
4.4单边带调制（SSB）的基本原理
由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。
这就又演变出另一种新的调制方式――单边带调制（SSB）。
4.4.1.SSB信号的产生
产生SSB信号的方法很多，其中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，图中的
为单边带滤波器。
产生SSB信号最直观方法的是，将
设计成具有理想高通特性
或理想低通特性
的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。
产生上边带信号时
即为
，产生下边带信号时
即为
。
图4-4-1SSB信号的滤波法产生
显然，SSB信号的频谱可表示为
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。
这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。
滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。
而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
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4-4-2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。
4.4.2.SSB信号的解调
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4-4-3SSB信号的相干解调
此时，乘法器输出
经低通滤波后的解调输出为
因而可得到无失真的调制信号。
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5章幅度调制系统的MATLAB仿真与分析
5.1普通调幅（AM）的仿真与分析
AM调制程序如下
%显示模拟调制的波形及解调方法AM,文件mam.m
%信源
closeall;
clearall;
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
%N0=0.01;%白噪单边功率谱密度
%AMmodulation
A=2;
s_am=（A+mt）.*cos（2*pi*fc*t）;
B=2*fm;%带通滤波器带宽
%noise=noise_nb（fc,B,N0,t）;%窄带高斯噪声产生
%s_am=s_am+noise;
figure
（1）
subplot（311）
plot（t,s_am）;holdon;%画出AM信号波形
plot（t,A+mt,'r--'）;%标出AM的包络
title（'AM调制信号及其包络'）
xlabel（'t'）;
%AMdemodulation
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
subplot（312）
plot（t,rt）;holdon;
plot（t,mt/2,'r--'）;
title（'相干解调后的信号波形与输入信号的比较'）
xlabel（'t'）
subplot（313）
[f,sf]=T2F（t,s_am）;%调制信号频谱
plot（f,sf）;holdon;
axis（[01505000]）;
title（'AM信号频谱'）
xlabel（'f'）;
仿真波形图5-1-1：
分析：
由频谱可以看出，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。
因此，AM信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的2倍。
对AM信号的解调采取乘积型同步检波。
实现方式是使调制信号与相干载波相乘，然后通过低通滤波器。
由AM仿真分析可得出：
（1）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；
（2）由于被调信号的包络就是调制信号叠加一个直流，所以容易实现峰值包络解调；
（3）含有正弦载波分量，即有部分功率耗用在载波上，而没有用于信息的传送；
（4）从效率上看，常规调幅幅度方式效率较低，但调制和解调过程简单。
5.2双边带调制（DSB）的仿真与分析
DSB调制程序如下；
%显示模拟调制的波形及解调方法DSB,文件mdsb.m
%信源
closeall;
clearall;
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
%N0=0.01;%白噪声单边功率谱密度
%DSBmodulation
s_dsb=mt.*cos（2*pi*fc*t）;
B=2*fm;
%noise=noise_nb（fc,B,N0,t）;
%s_dsb=s_dsb+noise;
figure
（1）
subplot（311）
plot（t,s_dsb）;holdon;%画出DSB信号波形
plot（t,mt,'r--'）;%标出mt的波形
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