信号分析处理课程设计基于MATLAB的模拟信号单边带幅度调制SSB与解调分析精品.docx
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信号分析处理课程设计基于MATLAB的模拟信号单边带幅度调制SSB与解调分析精品
课程设计任务书
学生姓名：
吕义斌专业班级：
电信1102班
指导教师：
桂林工作单位：
武汉理工大学
题目：
信号分析处理课程设计
－基于MATLAB的模拟信号单边带幅度调制（SSB）与解调分析
初始条件：
1.Matlab6.5以上版本软件；
2.先修课程：
通信原理等；
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、利用MATLAB中的simulink工具箱中的模块进行单边带幅度调制（SSB）与解调，观察波形变化；
2、画出程序设计框图，编写程序代码，上机运行调试程序，记录实验结果（含计算结果和图表等），并对实验结果进行分析和总结；
3、课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括：
⑴目录；⑵理论分析；
⑶程序设计；⑷程序运行结果及图表分析和总结；
⑸课程设计的心得体会（至少800字，必须手写。
）；
⑹参考文献（不少于5篇）。
时间安排：
周一、周二查阅资料，了解设计内容；
周三、周四程序设计，上机调试程序；
周五、整理实验结果，撰写课程设计说明书。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1.概述
本课程设计是实现SSB的调制与相干解调，以及在不同噪声下对信道的影响。
信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用。
调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。
解调是调制的逆过程，即是将已经调制的信号还原成基带信号的过程。
信号的接收端就是通过解调来还原已调制信号从而读取发送端发送的信息。
因此信号的解调对系统的传输有效性户传输可靠性有很大的影响。
调制与解调方式往往决定了一个通信系统的性能。
单边带SSB信号的解调采用相干解调法，这种方式被广泛应用在载波通信和短波电话通信中。
新版的MATLAB增强了图形处理功能，并在WINDOWS环境下运行。
现今，MATLAB的发展已大大超出了“矩阵实验室”的范围，它的配备了涉及到自动控制、信息处理、计算机仿真等种类繁多的工具箱（ToolBox），这些工具箱有数理统计、信号处理、系统辨识、最优化、稳健等等。
本次课程设计主要利用MATLAB软件对通信原理中的模拟信号进行进行抑制双边带调制的仿真分析，即SSB信号调试与解调的仿真分析。
设计中主要是对SSB已调信号进行时域和频域分析。
Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理建模和仿真中。
Simulink可以连续采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成。
2.设计方案
2.1SSB调制原理
单边带调制是幅度调制中的一种。
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。
在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；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。
常见的调幅（AM）、双边带（DSB）、残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的几种典型的实例。
单边带调制（SSB）信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。
根据滤除方法的不同，产生SSB信号的方法有：
滤波法和相移法。
2.1.1滤波法
单边带调制就是只传送双边带信号中的一个边带（上边带或下边带）。
产生单边带信号最直接、最常用的是滤波法，就是从双边带信号中滤出一个边带信号，图2-1是滤波法模型的示意图。
单边带信号的频谱如图2-2所示，该图能说明滤波法的基本原理，图中
是单边带滤波器的系统函数，即
的傅里叶变换。
图2-1滤波法模型
若保留上边带，则
应具有高通特性如如图2-2（b）所示，表达式（2-1）如下：
（式2-1）
单边带信号的频谱如图2-2（c）所示。
若保留下边带，则
应具有低通特性如图2-2（d）所示，表达式（2-2）如下：
（式2-2）
单边带信号的频谱如图2-2（e）所示。
图2-2单边带信号频谱图
2.1.2相移法
单边带信号的时域表达式为：
（式2-3）
（式2-4）
这里
是
的希尔伯特变换。
从表达式可以得到单边带调制信号相移法的一般模型框图，如图2-3所示。
希尔伯特变换H（w）及有关特性为：
定义
（式2-5）
（式2-6）
式中
（式2-7）
图2-3SSB移相法模型
显然，
信号通过传递函数为
的滤波器，即可得到
。
具有传递函数
的滤波器称为希尔伯特滤波器。
传递函数的模和相位特性如图2-4所示。
从图2-4可见，希尔伯特滤波器是一个宽带90o移相网络，是正交变换网络。
图2-4希尔伯特滤波器的传递函数
2.2解调原理
2.2.1相干解调
相干解调也叫同步检波。
解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。
调制是把基带信号的谱搬到了载频位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。
解调则是调制的反过程，即把在载波位置的已调信号的谱搬回到原始基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘来实现。
相干解调器的一般模型如图2-5所示。
图2-5相干解调器的一般模型
2.2.22级单边带调制解调
在实际应用中，有时需要将信号调制到较高频率的载波上进行传输，但一般设备很难一次性调制成功，所以这时需要将信号分两级调制。
第1级调制时，信号先与频率相对较低1级载波相乘，再通过带通滤波器滤除下边带频谱得单边带调制信号；第2级调制时，2级载波频率相对第1级较高，再通过带通滤波器后输出高频单边带信号。
解调时，1级解调时先与2级载波相乘，再通过低通滤波器，2级解调时与1级载波相乘再通过低通滤波器，最后得解调信号。
3.SSB调制与解调的MATLAB程序实现
3.1函数的使用
正弦波函数cos（）：
调用格式为x=a*cos（b*2*pi*t）；
abs（x）：
纯量的绝对值或向量的长度,abs函数返回一个数的绝对值。
用法为：
result=abs（number）其中result是number参数的绝对值；
filter：
一维数字滤波filter（fb,fa,mo），这里fb,fa分别为滤波器的上下限截止频率，而mo为滤波器的输入信号。
其他简单函数：
cla清除当前坐标轴
clc清除命令窗口显示
clf清除当前图形窗口
demo运行MATLAB演示程序
grid给图形加网格线
gtext在鼠标指定的位置加文字说明
hold当前图形保护模式
length查询向量的维数
linspace构造线性分布的向量
logspace构造等对数分布的向量
pi圆周率π
plot线性坐标图形绘制
subplot将图形窗口分成若干个区域
title给图形加标题
xlabel给图形加x坐标说明
ylabel给图形加y坐标说明
3.2MATLAB程序实现
这里调制信号为正弦信号，调制信号幅度=0.8×载波幅度，程序如下：
Fs=100000;%抽样频率
t=[0:
1/Fs:
0.01];%抽样间隔
Fc=30000;%载波频率
a=0.8;
m=a*cos（300*2*pi*t）;%调制信号
X=fft（m）;
X=abs（X（1:
length（X）/2+1））;%调制信号频谱
frqX=（0:
length（X）-1）*Fs/length（X）/2
sm=modulate（m,Fc,Fs,'amssb'）;%对信号进行调制
Y=fft（sm）;
Y=abs（Y（1:
length（Y）/2+1））;%已调信号频谱
frqY=（0:
length（Y）-1）*Fs/length（Y）/2
k1=awgn（sm,1）;%对已调信号加噪声
k2=awgn（sm,5）;
k3=awgn（sm,10）;
k4=awgn（sm,15）;
k5=awgn（sm,20）;
Y1=fft（k1）;
Y1=abs（Y1（1:
length（Y1）/2+1））;%加入噪声后已调信号频谱
frqY1=（0:
length（Y1）-1）*Fs/length（Y1）/2;
sn=demod（sm,Fc,Fs,'amssb'）;%无噪声ssb信号解调
sn1=demod（k1,Fc,Fs,'amssb'）;%加噪声ssb信号解调
sn2=demod（k2,Fc,Fs,'amssb'）;
sn3=demod（k3,Fc,Fs,'amssb'）;
sn4=demod（k4,Fc,Fs,'amssb'）;
sn5=demod（k5,Fc,Fs,'amssb'）;
dy1=k1-sm;
snr1=var（sm）/var（dy1）;
dy2=sn1-sn;
snr2=var（sn）/var（dy2）;
dy12=k2-sm;
snr12=var（sm）/var（dy12）;
dy22=sn2-sn;
snr22=var（sn）/var（dy22）;
dy13=k3-sm;
snr13=var（sm）/var（dy13）;
dy23=sn3-sn;
snr23=var（sn）/var（dy23）;
dy14=k4-sm;
snr14=var（sm）/var（dy14）;
dy24=sn4-sn;
snr24=var（sn）/var（dy24）;
dy15=k5-sm;
snr15=var（sm）/var（dy15）;
dy25=sn5-sn;
snr25=var（sn）/var（dy25）;
in=[snr1,snr12,snr13,snr14,snr15];
out=[snr2,snr22,snr23,snr24,snr25];
Z=fft（sn）;
Z=abs（Z（1:
length（Z）/2+1））;
frqZ=[0:
length（Z）-1]*Fs/length（Z）/2;%无噪声解调信号频谱
Z1=fft（sn1）;
Z1=abs（Z1（1:
length（Z1）/2+1））;
frqZ1=[0:
length（Z1）-1]*Fs/length（Z1）/2;%加噪声解调信号频谱
figure
（1）;
subplot（1,2,1）
plot（t,m）;title（'SSB调制信号'）
subplot（1,2,2）
plot（frqX,X）;title（'SSB调制信号频谱'）
axis（[030000max（X）]）;
figure
subplot（2,2,1）
plot（t,sm）;title（'SSB已调信号'）
subplot（2,2,2）
plot（frqY,Y）;title（'SSB无噪声已调信号频谱'）
subplot（2,2,3）
plot（frqY1,Y1）;title（'SSB加噪声已调信号频谱'）
figure
subplot（1,2,1）
plot（t,sn）;title（'SSB无噪声解调信号波形'）
subplot（1,2,2）
plot（frqZ,Z）;title（'SSB无噪声解调信号频谱'）
axis（[030000max（Z）]）
figure
subplot（1,2,1）
plot（t,sn1）;title（'SSB加噪声解调信号波形'）
subplot（1,2,2）
plot（frqZ1,Z1）;title（'SSB加性噪声解调信号频谱'）
axis（[030000max（Z）]）;
figure
plot（in,out）
xlable（'输入信号信噪比'）
ylable（'输出信号信噪比'）
程序运行结果如下图3.所示：
图3（a）调制信号时域图及频谱图
图3（b）已调信号波形,无噪声及有噪声已调信号频谱
图3（c）无噪声解调信号波形及频谱
图3（d）加噪声解调信号波形及频谱
图3（e）输入信噪比与输出信噪比曲线
3.3模拟仿真结果分析
通过MATLAB对SSB调制和解调系统的模拟仿真，观察各波形和频谱，可以看到，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，若调制信号频率为
，载波频率
，调制后信号频率搬移至
处。
通过在已调信号中加入高斯白噪声，通过解调器解调，根据对输入输出信噪比关系曲线绘制观察，在理想情况下，输出信噪比与输入信噪比相等，不同的调制信号对系统性能有一定的影响。
4.SSB系统的Simulink仿真
4.1Simulink工作环境
在MATLAB命令窗口，单击工具栏上的“Simulink”按钮可进入Simulink模块。
模块库按功能可分为以下8类字库：
Continuous（连续模块）、Discrete（离散模块）、Function&Table（函数与平台模块）、Math（数学模块）、Nonlinear（非线性模块）、Signal&System（信号与系统模块）、Sink（接收器模块）、Source（输入源模块）。
用户可以根据需要混合使用库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库，从而实现全图形化仿真。
Simulink模型库中的仿真模块组成三级树结构，Simulink子模型库中包含了Continuous、Discontinus等下一级模块库，Continuous模型库中又包含了若干模块，可以直接加入仿真模型。
Simulink工具模块页面如图4-1.所示。
图4-1Simulink工具模块页面
4.2SSB信号调制
4.2.1调制模型构建与参数设置
在MATLAB的集成仿真环境Smulink中建立单边带调制与解调系统模型并实现对它的动态仿真，SSB调制系统模型如图4-2.所示。
调制信号m（t）参数设置为：
幅值为2,频率为1；载波信号c（t）参数为：
幅值为2，频率为10。
图4-2SSB调制系统模型
边带滤波器参数设置如图4-3.所示。
图4-3边带滤波器参数设置
4.2.2仿真结果及分析
调制模块的仿真波形图如图4-4.所示。
第一路是调制信号波形，第2路是载波信号波形，第3路是DSB调制后的信号波形，第4路是SSB调制后信号波形。
图4-4调制模块的仿真波形图
调制模块中各阶段波形的功率谱如图4.5所示。
图4-5（a）输入信号功率谱
图4-5（b）载波信号功率谱
图4-5（c）DSB信号功率谱
图4-5（d）SSB调制信号功率谱
分析可知，调制信号频率为1，载波的频率为10。
调制信号先与载波相乘得双边带信号，再通过带通滤波器得上边带信号。
调制过程中信号功率波形不变，只是频率的搬移，符合线性调制原理。
4.3SSB相干解调
4.3.1相干解调模型构建与参数设置
SSB相干解调系统模型如图4-6所示。
调制信号m（t）参数设置为：
幅值为2,频率为1；载波信号c（t）参数为：
幅值为2，频率为10。
图4-6SSB相干解调系统模型
低通滤波器参数设置如图4-7所示。
图4-7相干解调低通滤波器参数设置
4.3.2仿真结果及分析
SSB相干解调仿真波形如图4-8所示。
第1路波形是输入信号波形，第2路波形是已调制信号波形，第3路波形是通过相乘器后的信号波形，第4路波形是解调后的信号波形。
图4-8SSB相干解调仿真波形
分析可知，解调后的波形和原输入信号波形一样，符合要求。
相干解调模块中各过程信号功率谱如图4-9所示。
图4-9（a）输入信号功率谱
图4-9（b）SSB已调信号功率谱
图4-9（c）相干解调信号功率谱
由仿真波形可知，调制实现了功率谱的搬移，解调后的信号功率谱和原信号功率谱一样，实现了设计要求。
4.4加入高斯噪声的SSB调制与解调
4.4.1模型构建
高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。
在理想信道调制与解调的基础上。
在调制信号上加入高斯噪声，把Simulink噪声源下的高斯噪声模块（GaussianNoiseGenerator）加入到模型中。
图4-10中加了两个高斯噪声模块，为比较高斯噪声均值或方差不同时对信道的影响，将两个高斯噪声模块参数设置不同，以作比较。
加入高斯噪声后调制与解调系统模型如图4-10所示。
图4-10加入高斯噪声后调制与解调系统模型
4.4.2仿真结果及分析
1.波形失真与高斯噪声均值的关系
设置各低通滤波器得频带边缘频率为10,并设置两个高斯的参数，仿真结果如图4-11所示。
第1路为理想信道下的相干解调信号波形；第2路为加入均值为0.6，方差为0的高斯噪声时解调信号波形；第3路为均值为1.2，方差为0的高斯噪声时解调信号波形。
图4-11方差相同、均值不同时的仿真波形
由仿真结果分析得，加入高斯噪声方差相同的情况下，均值越大，解调后失真越大。
图4-12为相干解调模块中加入不同噪声后各过程的信号功率谱。
图4-12（a）理想情况下输出信号功率谱
图4-12（b）高斯噪声均值为0.6、方差为0时输出的信号功率谱
图4-12（c）高斯噪声均值为1.2、方差为0时输出的信号功率谱
由仿真结果得，高斯噪声均值为0.6，方差为0时，波形相对原波形失真较小，在功率谱上产生了一个比原信号功率小得多的分量；高斯噪声均值为1.2，方差为0时，波形交大，在功率谱上产生了一个较大的分量。
分析可知，高斯噪声的均值越大，输出信号失真越大。
2.波形失真与高斯噪声方差的关系
不同方差下仿真结果如图4-13所示，第一路为理想信道下输出信号波形；第2路为加入噪声均值为0，方差为0.2时输出信号波形；第3路为加入噪声均值为0，方差为2时输出信号波形。
图4-13均值相同、方差不同时的仿真波形
由仿真结果分析得，加入高斯噪声均值相同的情况下，方差越大，解调后失真越大。
图4-14为相干解调模块中加入不同噪声后各过程的信号功率谱。
图4-14（a）高斯噪声均值为0、方差为0.2时输出的信号功率谱
图4-14（b）高斯噪声均值为0、方差为2时输出的信号功率谱
由图4-14得，高斯噪声均值为0，方差为0.2时，输出信号波形相对原波形失真较小，如图（a）所示，在功率谱上产生了一些比原信号功率小得多的分量；高斯噪声均值为0，方差为2时输出信号波形失真增大，如图（b）所示，在功率谱上产生了一些比较大的功率分量。
分析可知，高斯噪声的方差越大，输出信号失真越大。
3.滤波器参数对信号传输信道的影响
当滤波器边缘频率设置为不同值时，加入高斯噪声参数相同，在此条件下比较边缘频率设置对滤波性能的影响，仿真波形如图4-15所示。
第1路为理想信道下信号输出波形；第2路为高斯噪声均值
图4-15滤波器参数对信道的影响波形仿真
为1.2，方差为0.2，滤波器边缘频率为10时输出信号波形；第3路为高斯噪声均值为1.2，方差为0.2，滤波器边缘频率为8时输出信号波形。
可见，滤波器边缘频率设置越小，即滤除高频成分越多，则滤波效果越好。
两种滤波器设置下输出信号功率谱如图4-16所示。
图4-16（a）高斯噪声均值为1.2，方差为0.2，滤波器边缘频率为10时输出信号功率谱
图4-16（b）高斯噪声均值为1.2，方差为0.2，滤波器边缘频率为8时输出信号功率谱
由图可知，滤波器边缘频率为10时，在功率谱上产生了一个较大的分量；当滤波器边缘频率设置减小时，频谱上分量减小；当边缘频率设置为7时，频谱分量几乎消失；当边缘频率设置为5时，波形几乎能完全无失真解调出来。
5.心得体会
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：
国防工业出版社，2006
[2]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析.北京：
清华大学出版社，2008
[3]张化光,孙秋野.MATLAB/Simulink实用教程.北京：
人民邮电出版社，2009
[4]姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真基础.北京：
西安电子科技大学出版社，2002
[5]邓华．MATLAB通信仿真及应用实例详解．北京：
国防工业出版社，2003
本科生课程设计成绩评定表
姓名
吕义斌
性别
男
专业、班级
电信1102班
课程设计题目：
△M通信系统设计
课程设计答辩或质疑记录：
1.SSB信号调制与解调的原理简述。
答：
解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。
调制是把基带信号的谱搬到了载频位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。
解调则是调制的反过程，即把在载波位置的已调信号的谱搬回到原始基带位置。
2.SSB信号调制与解调的过程简述。
答：
将需要调制的原始信号与载波信号相乘，再通过一个带通滤波器，完成信号的调制；解调是将调制信号与载波信号通过一个乘法器相乘，再通过一个低通滤波器，滤除掉高频的载波信号成分，完成调制信号的解调。
3.简述滤波器在相干解调过程中的影响。
答：
滤波器边缘频率设置越小，即滤除高频成分越多，则滤波效果越好，解调的信号失真越小。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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