AM调制与非相干解调系统仿真.docx
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AM调制与非相干解调系统仿真
2路FDM的ASK与PSK调制与相干解调系统仿真
摘 要 本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计一个2路FDM的ASK与PSK调制与相干解调系统，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。
在课程设计中，首先根据原理构建调制解调电路，再在Simulink中调出各元件组成电路，再设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设置的系统性能。
关键词 Simulink；AM；调制；非相干解调；高斯白噪声
1引言
通信（Communication）就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。
然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。
在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信（Telecommunication），这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。
可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。
但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。
与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：
抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。
数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。
另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。
但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。
同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。
因此，数字通信的应用必将越来越广泛。
《通信原理》课程是通信、电子、信息领域中最重要的专业基础课之一，是通信工程专业必修的专业基础课。
通信系统作为一个实际系统，是为了满足社会与个人的需求而产生的，目的就是传送消息（数据、语音和图像等）。
通信技术的发展，特别是近30年来形成了通信原理的主要理论体系，即信息论基础、编码理论、调制与解调理论、同步和信道复用等。
本课程设计运用了MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台来设计AM调制与非相干解调系统仿真。
AM调制就是一个调制信号加一个直流分量后与载波相乘即可形成调幅信号。
调幅信号在经非相干解调即可得到调制信号。
标准调幅（AM）就是常规双边带调制。
1.1课程设计目的
本课称设计的最主要目的是了解幅度调制与解调的基本原理。
在进行了专业基础知识课程教学点的基础上，设计与分析仪个简单的通信系统，有助于加深对系统知识的巩固和理解。
利用MATLAB7.0集成环境下的Simulink仿真平台设计AM调制与非相干解调系统仿真，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。
并绘制相关的波形图及频谱图，并且分析信号波形及其频谱特点。
1.2课程设计的要求
本课程的设计要求如下：
1）学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。
2）利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计AM调制与非相干解调仿真系统。
并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察调制与解调前后的信号频谱变化。
3）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
4）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。
5）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：
a用高斯白噪声模拟有线信道，b用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。
将三种噪声源的方差均设置为0.1，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。
6）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。
1.3设计平台
Simulink是MATLAB中的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的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，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，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
2设计原理
2.1Simulink仿真平台
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试[2]。
打开MATLAB7.0，单击
，界面如下图2-1所示：
图2-1Simulink界面
由图可知，Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构；Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库；Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。
设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择"Addtountitled"，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。
Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击
按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击"FindNext"即可自动搜索整个模型库。
在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。
Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。
2.2AM调制与非相干解调原理
AM是指对信号进行幅度调制。
一般做法就是先在原信号上叠加一个直流信号，以保证信号m（t）+A>0然后乘上一个高频的余弦信号，即得到Sm（t）=[m（t）+A]coswt
在频域上的效果就是将原信号的频谱移动到w处，以适合信道传输的最佳频率范围。
Sm（t）的包络线即m（t）+A,用一个简单的包络检测电路就可以接收并还原信号了。
图2-2AM信号调制器
图中用加法器将一基带信号m（t）与一直流分量A，之后再与载波相乘产生调幅信号Sm（t）。
其时域表达式为：
式中A为外加的直流分量。
AM信号的频谱为：
图2-3AM信号的波形
图2-4AM信号的频谱
图2-3、2-4分别是AM信号的波形图和AM信号的频谱图。
图2-3中包含了基带信号的波形图、载波信号的波形图以及调制信号的波形图、基带信号是调制信号的包络线。
图2-4是对应2-3中个波形的频谱图。
若m（t）为随机信号，则已调信号的频域表示必须用功率谱描述。
由波形可以看出，当满足条件：
时，AM波的包络与调制信号m（t）的形状完全一样，因此，用包络检波的方法很容易恢复出原始调制信号；如果上述条件没有满足，就回出现“过调幅”现象，这时用包络检波方法会发生失真。
但是，可以采用其他的调解方法，如同步检波。
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，即：
解调方式：
包络检波法
设解调器输入信号：
式中：
解调器输入信号功率和噪声功率分别为
检波器输入端信号与噪声混合波形，即式中
解调是调制的逆过程。
信号解调的方法包括两种，相干解调（同步检波）与非相干解调（包络检波）。
解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。
本课程设计的AM信号的解调方法是非相干解调（包络检波）。
AM信号在满足
的条件下，其包络与解调信号
的形状完全一样。
因此，AM信号除了可以采取相干解调之外，一般都采用简单的包络检波来恢复信号。
相干解调时，为了无失真地恢复基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波的严格同步（同频同相）本地载波（称为相干载波）。
设解调器的输入信号为
，载波为
，非相干解调器的一般模型图如2-5所示：
图2-5AM非相干解调（包络检波）模型图
包络检波器通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。
设输入信号是AM信号
隔去直流后可得到原信号
3设计步骤
3.1熟悉Simulink平台
打开matlab7.0集成环境下的Simulink平台，即单击图标
，出现的窗口如2-1图所示，图2-1表示Simulink中的模型库，设计SSB调制与解调主要用到三大模块，CommunicationsBlockset，Simulink，SignalProcessingBlockset。
单击
，打开新建窗口，保存文件为*.mdl类型的文件，将需要的器件找到后，加入工作窗口，并且连线，每个器件需要设置参数，运行结果，并且逐步通过修改，达到满意的仿真结果。
3.2设计AM仿真模型
（1）AM信号调制与非相干解调仿真
新建空白仿真窗口，找到AM信号调制所需的仿真器件，加入新建的窗口中，连接号线路，线路图如3-1所示：
图3-1AM信号调制与非相干解调模型
图3-1是AM信号在理想状态下（即无噪声源干扰）的调制与非相干解调的一般模型。
其中Abs为全波整流器、AnalogFilterDesign为低通滤波器、PowerSpectralDensity2是求信号的频谱图、Scope为示波器。
基带信号模块（SineWave）的幅度设置为1，角频率为pi，其余参数不变；载波（SineWave1）的幅度设置为1，角频率设置为30*pi，其余参数不改变；参数设置如图下图3-2、3-3所示：
图3-2基带信号的参数设置
图3-3载波的参数设置
图3-2、3-3分别是对基带信号、载波的参数进行设置，使其达到调制的最佳效果。
模型中加法器、乘法器的参数及全波整流器参数如图3-4、3-5所示
图3-4加法器参数
图3-5乘法器参数
图3-6全波整流器参数
图3-4、3-5、3-6分别是加法器、乘法器、全波整流器的参数，其参数无需设置，按它的默认值就行。
对AM信号的调制与非相干解调的系统模型中的低通滤波器的参数设置如图3-6所示：
图3-7低通滤波器参数设置
基带信号加一直流分量之后与载波相乘之后得到调制信号，其基带信号波形、载波信号波形、调制信号波形以及解调信号波形如下图3-7所示：
图3-7示波器的波形
图3-7是在理想状态下的波形，即无噪声干扰的情况下。
其中第一横排是基带信号加上一直流分量后的波形，即幅度为1，频率为pi的波形在上移一个单位。
第二横排是载波信号的波形，其幅度也为1，频率为30*pi。
第三横排是调制信号。
最后一横排则是解调信号的波形，由图可以看出它与基带信号的波形的幅度和频率是完全相同，只是相对于基带信号有一定的延时。
（2）信道中加入高斯噪声
所谓高斯白噪声是指由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布的这类热噪声。
图3-8是加入高斯白噪声的模型，在调制信道与相干解调信道之间，加入高斯白噪声，将调制信号与白噪声相加即可。
再进行相干解调，高斯噪声的非相干解调均值设为0，方差设置为0.1，参数设置如图3-9所示
图3-8加入高斯噪声的AM信号调制与非相干解调模型
图3-9高斯噪声参数设置
在加入高斯噪声后，经MATLAB中运行后在示波器中观察的AM信号调制与解调的信号波形图。
如图3-10和3-11所示
图3-10加入方差为0.1高斯噪声的波形
图3-11加入方差为10高斯噪声的波形
图3-10和3-11分别是加入方差为0.1的高斯噪声后的波形图和加入方差为10的高斯噪声后的波形图。
比较图3-10与3-11知，在加入方差为0.1的高斯噪声时，噪声对信号的影响不大，解调出来的信号基本上能与基带信号保持同样的幅度和频率；而在加入方差为10的高斯噪声时，解调信号与基带信号的幅度和频率都不同了。
（3）信道加入瑞利噪声
瑞利噪声实质是指噪声服从瑞利分布的噪声。
信道加入方差为0.1的瑞利噪声，对波形基本无影响，所以加入方差为10的瑞利噪声。
瑞利噪声是加性干扰，通过加法器加入信道，再对加了瑞利噪声的调制信号进行相干解调，信道加入瑞利噪声的模型如3-12所示。
其它的器件参数设置不改变，瑞利噪声方差参数设置如3-13所示。
图3-12加入瑞利噪声的模型
图3-13瑞利噪声参数设置
在加瑞利噪声后，经MATLAB中运行后在示波器中观察的AM信号调制与解调的信号波形图。
如图3-14和3-15所示
图3-14加入方差为0.1瑞利噪声的波形
图3-15加入方差为2瑞利噪声的波形
图3-14和3-15分别是加入方差为0.1的高斯噪声后的波形图和加入方差为2的高斯噪声后的波形图。
在图3-14中加入的是方差为0.1的高斯噪声时，噪声对信号的影响不大，解调出来的信号基本上能与基带信号保持同样的幅度和频率；而在图3-15中加入方差为10的高斯噪声时，解调信号与基带信号的幅度和频率都不同了。
（4）信道加入莱斯噪声
在调制与解调之间加入莱斯噪声，莱斯噪声的方差设为0.1，运行加入莱斯噪声模型，用示波器观察加入莱斯噪声解调前和解调后的时域波形与没加噪声时的波形区别。
莱斯噪声的参数设置框如图3-16所示。
基带信号、载波信号、已调信号和解调信号的波形如图3-17所示。
图3-16加入莱斯噪声模型
图3-17莱斯噪声参数设置
在加瑞利噪声后，经MATLAB中运行后在示波器中观察的AM信号调制与解调的信号波形图。
如图3-18和3-19所示
图3-18加入方差为0.1莱斯噪声的波形
图3-19加入方差为1莱斯噪声的波形
图3-18和3-19分别是加入方差为0.1的莱斯噪声后的波形图和加入方差为1的莱斯噪声后的波形图。
在图3-18中加入的是方差为0.1的高斯噪声时，噪声对信号的影响不大，解调出来的信号基本上能与基带信号保持同样的幅度和频率；而在图3-19中加入方差为1的莱斯斯噪声时，解调信号与基带信号的幅度和频率都不同了。
（5）功率谱密度分析
AM信号在单位电阻上的平均功率等于
的均方值。
当
为确知信号时
的均方值等于其平方的时间平均，即
通常假设调制信号的平均功率值为0，即
。
因此
式中:
=
为载波功率；
=
，为边带功率。
由此可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。
只有边带信号功率才与调制信号有关，也就是说，载波分量并不携带信息。
有用功率占信号总功率的比例可以写为
我们把
称为调制效率。
当调制信号为单音余弦信号时，即
时，
。
此时
在“满调幅”条件下，这时调制效率的最大值为
。
因此，AM信号的功率利用率比较低。
AM的优点在于系统结构简单，价格低廉。
在无噪声源干扰的情况下基带信号、调制信号及解调信号的频谱图分别如图3-20、3-21、3-22所示
图3-20基带信号频谱
基带信号的功率谱图如3-16所示，第一个波形表示历史时间，第二个波形显示为功率谱，基带信号的的最高功率大约为2.8，第三个表示为频率。
图3-21调制信号频谱
如图3-17所示，第一个波形表示历史时间，第二个波形显示为功率谱。
图3-22解调信号频谱
如图3-18所示，SSB信号的解调是理想信道的相干解调，第二个波形解调信号的功率谱，解调功率的最高点功率为8，由公式得，调制信号功率与解调信号功率大致符合。
图3-20、3-21、3-22均是在无噪声源的干扰下的频谱图。
比较图3-8与3-10，它们的频谱图中在幅频和相频完全一样，只是在实践轴上有一定的延时。
图3-21为调制信号的频谱图。
加入高斯白噪声、瑞利及莱斯噪声，所得的解调信号功率谱如下图3-23，3-24，3-25所示。
图3-23加入方差为10高斯噪声的解调信号频谱图
图3-24加入方差为2瑞利噪声的解调信号频谱图
图3-25加入方差为1的莱斯噪声的解调信号频谱图
图3-23、3-24、3-25分别为加入方差为10高斯噪声、方差为2瑞利噪声、方差为1莱斯噪声的功率谱图。
AM的调制，在调制信号正半周期内，已调波的高频相位与载波相位同相，在理想信道下AM解调信号与基带信号相比发生了延时，相位未发生了改变，而分别依次加入高斯白噪声，瑞利噪声和莱斯噪声，解调后的波形受到噪声干扰。
加入高斯白噪、瑞利噪声和莱斯噪声解调波形功率谱被加大，而且波形也有大的失真。
对此，虽然实际中噪声的影响不可避免，但是我们应该尽量减小噪声的影响，使得信号传输更加地清晰与完整。
4出现的问题及解决方法
4.1出现的问题：
（1）信号在经过所设计的低通通信仿真系统后波形出现失真。
（2）在加入噪声后，解调信号的波形基本上没有变化。
（3）波形图太密集。
4.2解决办法
（1）这是因为信号进行抽样时没有满足奈奎斯特定理。
为了能从取样信号中恢复原信号，抽样必须满足奈奎斯特定理，即抽样频率应大于或等于两倍的原始信号频率[2]；
（2）模块参数的设定也是此次课程设计的一个关键，如果参数设置的不正确或者有偏差，那么我们就得不到我们所需的真确结果甚至根本就得不到结果。
在这里出现的比较多的错误是在设计时没有一步一步的根据相应的原理进行参数的设定，调制后的波形就可能失真。
低通滤波器参数的设置也非常重要，如果设置比基带信号频率的两倍要小，信号就不能无失真地恢复。
解决的关键是根据相关理论仔细设置将载波频率调低后，可以明显的看出解调信号有失真变化；
（3）这是由于信号的频谱太高，将载波频率调制30*pi。
5结束语
此次通信原理课程设计虽然时间只有短短的两周时间，但是在两周时间内我收获到了很多原来没有体验过的东西。
本课程设计的目的主要是让我们了解仿真通信系统中的调制与非相干解调的系统仿真。
这次课程设计使我学会了用MATLAB/Simulink仿真系统初步的设计方法，初步了解了如何用MATLAB/Simulink这个仿真软件进行AM调制与非相干解调系统的设计。
很高兴自己可以成功做完这次课程设计，虽然看起来AM调制与非相干解调系统仿真很简单，但是对于我来说，一个不懂得用Simulik的人来说很难，要不断地去查阅资料和修改模型，以达到AM调制与非相干解调系统仿真的较好的结果。
通过做AM调制与非相干解调课程设计，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解。
熟悉地掌握了AM调制与非相干解调的原理和方法。
AM调制的方法是将基带信号加上一个直流分量最后与载波相乘后，即可产生AM调制信号。
而非相干解调的方法是将AM调制信号与在波相乘后通过全波整流器和低通滤波器即可恢复原始信号。
若加入噪声，则是将AM带调试信号与噪声源相加，再进行非相干解调的步骤即可。
在这次课程设计中，有许多的知识都不是很懂，通过课设中查阅资料等，我拓宽了知识面，增长了见识。
在这过程中我遇到了很多困难，其中两大难点就是参数设置的调整和Simulink的应用，切身体会到自己的英文知识欠佳，必须靠翻译来理解英文。
不过，很欣慰自己可以坚持到底，也是自己独立完成的课程设计，最后圆满完成课程设计任务。
通过这次的课程设计，我了解到了做任何事都要有耐心、更是要细心做事。
这次的课程设计让意识到自己的原理知识还是不够好，在今后的学习中我们需要更努力的学习课本的专业知识，才能更好的服务于实践中。
参考文献
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