DSB信號調(diào)制與解調(diào)的編程及實現(xiàn).doc

四川師范大學(xué)成都學(xué)院高級語言程序課程設(shè)計DSB信號調(diào)制與解調(diào)的編程及實現(xiàn) 學(xué)生姓名毛 月學(xué) 號2012101195所在學(xué)院通信工程學(xué)院專業(yè)名稱移動通信班 級2012級移動通信1班指導(dǎo)教師倪 磊成 績 四川師范大學(xué)成都學(xué)院二一四年十二月課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名毛月學(xué)生學(xué)號2012101195學(xué)生專業(yè)通信工程學(xué)生班級移動通信一班指導(dǎo)教師倪磊職 稱講師發(fā)題日期 2014年 10 月1 5 日完成日期 2014 年 12月19日設(shè)計題目DSB信號調(diào)制與解調(diào)的編程及實現(xiàn)設(shè)計目的：此次設(shè)計的目的是實現(xiàn)DSB調(diào)制與解調(diào)。通過查找多方資料來理解DSB的調(diào)制與解調(diào)過程及在MATLAB中的實現(xiàn)方法。通過這次課程設(shè)計，使同學(xué)認(rèn)識和理解通信系統(tǒng)，掌握信號是怎樣經(jīng)過發(fā)端處理、被送入信道、然后在接收端還原。具體任務(wù)及要求：第一章：課程設(shè)計目的第二章：對于DSB的介紹，如DSB的一些種類；調(diào)制解調(diào)的一些方法，；帶信號的特點。第三章：DSB設(shè)計原理。包括調(diào)解原理；解調(diào)的實現(xiàn)。第四章：寫出相關(guān)的程序語句。對圖進(jìn)行分析。第五章：總結(jié)課程設(shè)計進(jìn)度安排：序號內(nèi)容安排時間1選題2014.102查找資料完成課程設(shè)計2014.113編寫程序及實現(xiàn)2014.114提交初稿2014.125提交終稿2014.12課程設(shè)計參考文獻(xiàn)：1 葛哲學(xué)等編 .MATLAB時頻分析技術(shù)及其應(yīng)用.人民郵電出版社.2007年2 葛哲學(xué)編.精通MATLAB.電子工業(yè)出版社.2008年3 樊昌信等編.通信原理.國防工業(yè)出版社.2007年4 陳懷琛編. 數(shù)字信號處理教程:MATLAB釋義與實現(xiàn).2008年指導(dǎo)教師簽字院長審核簽字DSB信號調(diào)制與解調(diào)的編程及實現(xiàn)內(nèi)容摘要：調(diào)制在通信系統(tǒng)中有十分重要的作用。通過調(diào)制，不僅可以進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于傳播的已調(diào)信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸?shù)目煽啃杂兄艽蟮挠绊?，調(diào)制方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。本課題利用MATLAB軟件對DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，分別利用300HZ正弦波和矩形波，對30KHZ正弦波進(jìn)行調(diào)制，觀察調(diào)制信號、已調(diào)信號和解調(diào)信號的波形和頻譜分布，并在解調(diào)時引入高斯白噪聲，對解調(diào)前后信號進(jìn)行信噪比的對比分析，估計DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵詞：DSB 調(diào)制 解調(diào) MATLABT he Realization of Double Side Band Modulation and DemodulationAbstract：Modulation in communication systems have an important role. Through the modulation, not only can move the spectrum, the modulated signal spectrum move to the desired position, which will convert into a modulated signal suitable for transmission of modulated signals, and that its transmission system, the effectiveness and reliability of transmission has a great impact, the modulation method is often decided on a communication system performance. This topic using MATLAB software DSB modulation and demodulation system simulation, use, respectively, 300HZ sine wave and rectangular wave, sine wave modulation of the 30KHZ observed modulated signal modulated signal and demodulate the signal waveform and spectrum distribution, and in the solution white Gaussian noise introduced when adjusted for demodulating the signal-noise ratio before and after the comparative analysis, it is estimated DSB modulation and demodulation performance of the system.Keywords：Double sideband Modulation Demodulation MATLAB目 錄前 言11 DSB調(diào)制與解調(diào)原理11.1 DSB調(diào)制原理11.2 DSB解調(diào)原理與抗噪性能31.3高斯白噪聲信道特性分析52 DSB調(diào)制解調(diào)分析的MATLAB實現(xiàn)52.1 MATLAB編程分析52.2 正弦波調(diào)制及結(jié)果分析62.3 高斯白噪聲解調(diào)結(jié)果分析113結(jié)束語12附 錄13附錄1：正弦波調(diào)制的MATLAB源程序13參考文獻(xiàn)16DSB信號調(diào)制與解調(diào)的編程及實現(xiàn)前 言本次課程設(shè)計是對通信原理課程理論和實驗的綜合和總結(jié)。這次是DSB調(diào)制與解調(diào)。將通過多方搜索資料與分析，來理解DSB的調(diào)制與解調(diào)過程和它在MATLAB中的實現(xiàn)方法。通過這次課程設(shè)計，認(rèn)識和理解通信系統(tǒng)，掌握信號是怎樣經(jīng)過發(fā)端處理、被送入信道、然后在接收端還原。掌握通信原理的基本知識，運(yùn)用所學(xué)的通信仿真的方法實現(xiàn)某種傳輸系統(tǒng)。同時加深對MATLAB這款通信仿真軟件操作的熟練度，并在使用中去感受MATLAB的應(yīng)該用得方式與特色。利用自主的設(shè)計過程來鍛煉獨立思考，分析和解決問題的能力，為今后的自主學(xué)習(xí)研究提供具有實用性的經(jīng)驗。1 DSB調(diào)制與解調(diào)原理1.1 DSB調(diào)制原理DSB調(diào)制屬于幅度調(diào)制。幅度調(diào)制是用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程。設(shè)正弦型載波c(t)=Acos(t),式中：A為載波幅度，為載波角頻率。根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示為：(t)=Am(t)cos(t) （1-1）其中，m(t)為基帶調(diào)制信號。設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻譜為M()，則由公式1-1不難得到已調(diào)信號(t)的頻譜()：()=M()+M()（1-2）由以上表示式可見，在波形上，幅度已調(diào)信號隨基帶信號的規(guī)律呈正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移。標(biāo)準(zhǔn)振幅就是常規(guī)雙邊帶調(diào)制，簡稱調(diào)幅（AM）。假設(shè)調(diào)制信號m(t)的平均值為0，將其疊加一個直流偏量后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號。其時域表達(dá)式為:（t）=m(t)cos(t)（1-3）式中：為外加的直流分量；m(t)可以是確知信號，也可以是隨機(jī)信號。若為確知信號，則AM信號的頻譜為()=()+(M()+M() （1-4）AM信號的頻譜由載頻分量、上邊帶、下邊帶三部分組成。AM信號的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率才與調(diào)制信號有關(guān)，也就是說，載波分量并不攜帶信息。因此，AM信號的功率利用率比較低。AM調(diào)制典型波形和頻譜如圖1-1所示：圖1-1 AM調(diào)制典型波形和頻譜如果在AM調(diào)制模型中將直流去掉，即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式抑制載波雙邊帶信號(DSBSC)，簡稱雙邊帶信號。其時域表達(dá)式為(t)=m(t)cos(t)。式中，假設(shè)的平均值為0。DSB的頻譜與AM的譜相近，只是沒有了在處的函數(shù)，即()=M()+M()（1-5）其典型波形和頻譜如圖1-2所示：圖1-2 DSB調(diào)制典型波形和頻譜與AM信號比較，因為不存在載波分量，DSB信號的調(diào)制效率是100，即全部效率都用于信息傳輸。1.2 DSB解調(diào)原理與抗噪性能解調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收的已調(diào)信號中恢復(fù)原基帶信號（即調(diào)制信號）。解調(diào)的方法可分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）。相干解調(diào)，也稱同步檢波，為了無失真地恢復(fù)原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接受的已調(diào)信號相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號。包絡(luò)檢波器就是直接從已調(diào)波的幅度中提取原調(diào)制信號，通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。由于DSB信號的包絡(luò)不再與調(diào)制信號的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)調(diào)制信號。DSB信號解調(diào)時需采用相干解調(diào)。DSB相干解調(diào)性能分析模型如圖1-3所示：圖1-3 DSB相干解調(diào)性能分析模型設(shè)解調(diào)器輸入信號為(t)= m(t)cos(t)，與相干載波cos(t)相乘后，得m(t)t)=m(t)+m(t)cos(t)（1-6）經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為:(t)=m(t)（1-7）因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為=（1-8）解調(diào)DSB信號時，接收機(jī)中的帶通濾波器的中心頻率與調(diào)制頻率相同，因此解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲(t)=(t)cos(t)-(t)sin(t),它與相干載波cos(t)相乘后，得 (t)cos(t)=(t)+(t)cos(t)-(t)sin(t)（1-9）經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終輸出噪聲為(t)=(t)（1-10）故輸出噪聲功率為=B（1-11）式中，B=2,為DSB的帶通濾波器的帶寬，為噪聲單邊功率譜密度。解調(diào)器輸入信號平均功率為=（1-12）可得解調(diào)器的輸入信噪比 =，解調(diào)器的輸出信噪比=因此制度增益為=2，也就是說，DSB信號的解調(diào)器使信噪比改善一倍。1.3高斯白噪聲信道特性分析 在實際信號傳輸過程中，通信系統(tǒng)不可避免的會遇到噪聲，例如自然界中的各種電磁波噪聲和設(shè)備本身產(chǎn)生的熱噪聲、散粒噪聲等，它們很難被預(yù)測。而且大部分噪聲為隨機(jī)的高斯白噪聲，所以在設(shè)計時引入噪聲，才能夠真正模擬實際中信號傳輸所遇到的問題，進(jìn)而思考怎樣才能在接受端更好地恢復(fù)基帶信號。信道加性噪聲主要取決于起伏噪聲，而起伏噪聲又可視為高斯白噪聲，因此我在此環(huán)節(jié)將對雙邊帶信號添加高斯白噪聲來觀察噪聲對解調(diào)的影響情況。 為了具體而全面地了解噪聲的影響問題，我將分別引入大噪聲（信噪比為20dB）與小噪聲（信噪比為2dB）作用于雙邊帶信號，再分別對它們進(jìn)行解調(diào)，觀察解調(diào)后的信號受到了怎樣的影響。 正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為 wq=+ （1-13） 故其有用信號功率為 （1-14）噪聲功率為 s=（1-15） 信噪比S /N 滿足公式=（1-16）則可得到公式= （1-17）我們可以通過這個公式方便的設(shè)置高斯白噪聲的方差。2 DSB調(diào)制解調(diào)分析的MATLAB實現(xiàn)2.1 MATLAB編程分析信號DSB調(diào)制采用MATLAB函數(shù)modulate實現(xiàn)，其函數(shù)格式為：Y = MODULATE(X,Fc,Fs,METHOD,OPT)X為基帶調(diào)制信號，F(xiàn)c為載波頻率，F(xiàn)s為抽樣頻率，METHOD為調(diào)制方式選擇，DSB調(diào)制時為am，OPT在DSB調(diào)制時可不選，F(xiàn)s需滿足Fs 2*Fc + BW，BW為調(diào)制信號帶寬。DSB信號解調(diào)采用MATLAB函數(shù)demod實現(xiàn)，其函數(shù)使用格式為：X = DEMOD(Y,Fc,Fs,METHOD,OPT)Y為DSB已調(diào)信號，F(xiàn)c為載波頻率，F(xiàn)s為抽樣頻率，METHOD為解調(diào)方式選擇，DSB解調(diào)時為am，OPT在DSB調(diào)制時可不選。觀察信號頻譜需對信號進(jìn)行傅里葉變換，采用MATLAB函數(shù)fft實現(xiàn)，其函數(shù)常使用格式為：Y=FFT(X,N)，X為時域函數(shù)，N為傅里葉變換點數(shù)選擇，一般取值。頻域變換后，對頻域函數(shù)取模，格式：Y1=ABS(Y)，再進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法：f=(0:length(Y)-1)*Fs/length(Y)分析解調(diào)器的抗噪性能時，在輸入端加入高斯白噪聲，采用MATLAB函數(shù)awgn實現(xiàn)，其函數(shù)使用格式為：Y =AWGN(X,SNR)，加高斯白噪聲于X中，SNR為信噪比，單位為dB，其值在假設(shè)X的功率為0dBM的情況下確定。信號的信噪比為信號中有用的信號功率與噪聲功率的比值，根據(jù)信號功率定義，采用MATLAB函數(shù)var實現(xiàn)，其函數(shù)常使用格式為：Y =VAR(X)，返回向量的方差，則信噪比為:SNR=VAR(X1)/VAR(X2)。繪制曲線采用MATLAB函數(shù)plot實現(xiàn)，其函數(shù)常使用格式：PLOT（X，Y），X為橫軸變量，Y為縱軸變量，坐標(biāo)范圍限定AXIS(x1 x2 y1 y2)，軸線說明XLABEL( )和YLABEL( )。2.2 正弦波調(diào)制及結(jié)果分析用頻率300HZ正弦波調(diào)制頻率30KHZ的正弦波，采用同步解調(diào)，觀察調(diào)制信號、已調(diào)信號、解調(diào)信號的波形、頻譜以及解調(diào)器輸入輸出信噪比的關(guān)系。MATLAB源程序參照附錄1。以下是DSB信號調(diào)制與解調(diào)在MATLAB中的實現(xiàn)結(jié)果：在MATLAB中實現(xiàn)DSB解調(diào)的仿真就是基于以上的程序和參數(shù)設(shè)定，運(yùn)行調(diào)用了plot函數(shù)的M文件，可以分別得出解調(diào)前后的頻域與時域?qū)Ρ葓D，比較結(jié)果如圖所示：圖2-1調(diào)制信號、已調(diào)信號的波形、頻譜圖解調(diào)信號的波形、頻譜如圖2-2所示：圖2-2解調(diào)信號的波形、頻譜圖 由圖2-2可以看出，解調(diào)信號能夠基本還原原始基帶信號，只有少許失真，可見解調(diào)過程較為成功。對于失真接問題接下來將會進(jìn)行具體分析。為了更好分析解調(diào)的結(jié)果，還必須將時域圖與頻域圖進(jìn)行比較，通過觀察頻域圖能夠更為直觀的了解信號的頻率分布，借此來討論濾波器的作用特性。觀察各波形和頻譜，在波形上，已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律呈正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移，若調(diào)制信號頻率為，載波頻率，調(diào)制后信號頻率搬移至處。由于在理論上，解調(diào)過程可以完全恢復(fù)基帶信號，但實際中仍然會產(chǎn)生少許失真，故失真的原因可以從參數(shù)的設(shè)置上入手找尋。在解調(diào)過程中，相乘器是嚴(yán)格按照數(shù)學(xué)關(guān)系運(yùn)算的，不會產(chǎn)生誤差，失真的產(chǎn)生因該在低通濾波器環(huán)節(jié)。為了探究低通濾波器的設(shè)置對解調(diào)的影響，將濾波器的頻率f分別設(shè)為50Hz和700Hz進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果來判斷原因。首先選f=700Hz，實際得出的結(jié)果如圖2-3和圖2-4：圖2-3 f=700時調(diào)制信號、已調(diào)信號的波形、頻譜圖解調(diào)信號的波形、頻譜如圖2-4所示：圖2-4 f=700時解調(diào)信號的波形、頻譜圖從時域比較圖中可以明顯看出解調(diào)信號嚴(yán)重失真，還保留著載波信號的頻率變化；而頻譜圖中，解調(diào)信號頻譜與基帶信號頻譜存在巨大差異。接下來將截止頻率f設(shè)為50Hz，觀察在f較低的情況下的解調(diào)輸出結(jié)果。此時，fl遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2fc，不存在無法濾除高頻分量的問題，不會產(chǎn)生上一種情況的錯誤。通過分析這種情況下的結(jié)果可以得出低截止頻率對解調(diào)的影響。在f=400Hz時得出的時域和頻域解調(diào)結(jié)果對比如圖2-5和2-6所示：圖2-5 f=50時調(diào)制信號、已調(diào)信號的波形、頻譜圖解調(diào)信號的波形、頻譜如圖2-6所示：圖2-6 f=50時解調(diào)信號的波形、頻譜圖由時域比較圖中可以清晰地看出解調(diào)信號能夠保持平滑的余弦波形，但幅度小了將近一倍，且兩端的幅度明顯小于中間。由此可以估計出一種可能性：基帶信號的一部分丟失了，解調(diào)信號只是原基帶信號的一部分。因此才會造成幅度下降的結(jié)果。頻譜對比圖很好地驗證了這種可能性。觀察發(fā)現(xiàn)解調(diào)信號的頻譜被濾去頻率大于400Hz的部分之后，雖然保持了原基帶信號的主體部分，但兩邊的分量已經(jīng)全部濾除。這就是問題所在。兩邊的分量也占據(jù)了一定的比重，濾除的越多，原基帶信號損失的部分也越多，就如時域圖中所示。幅度減小的原因就在于此。通過在f=50Hz時對解調(diào)信號頻域和時域的觀察，可以得出結(jié)論：f較低時，在濾去高頻2 分量的同時，也會連帶去除基帶信號中的一部分。因此為了保全基帶信號的完整性，f不宜過低。綜上所述，截止頻率f過高時會導(dǎo)致高頻2 分量無法濾除；而f較低，又會使得基帶信號有部分被濾去。經(jīng)過調(diào)整分析，認(rèn)為f應(yīng)該在能夠濾去2 分量的情況下，盡可能高一點。這樣就能保證基帶信號被濾去的部分減到最少。所以開始所設(shè)的f=500Hz是一個較為合適的值，解調(diào)結(jié)果也很接近基帶信號。2.3 高斯白噪聲解調(diào)結(jié)果分析為了便于比較，先顯示了下邊帶信號加入兩種噪聲后的波形圖，再將疊加大噪聲后的解調(diào)信號以及疊加小噪聲后的解調(diào)信號放在一起，分別比較。圖2-7不同信噪比的噪聲圖2-8不同信噪比解調(diào)波形可以清晰地看出，加大噪聲后，解調(diào)信號的波形雜亂無章，起伏遠(yuǎn)大于加小噪聲時的波形。 造成此現(xiàn)象的原因是當(dāng)信噪比較小時，噪聲的功率在解調(diào)信號中所占比重較大，所以會造成雜波較多的情況；而信噪比很大時，噪聲的功率在解調(diào)信號中所占比重就很小了，噪聲部分造成的雜亂波形相對就不是很明顯，甚至可以忽略。 綜上所述，疊加噪聲會造成解調(diào)信號的失真，信噪比越小，失真程度越大。所以當(dāng)信噪比低于一定大小時，會給解調(diào)信號帶來嚴(yán)重的失真，導(dǎo)致接收端無法正確地接收有用信號。所以在解調(diào)的實際應(yīng)用中，應(yīng)該盡量減少噪聲的產(chǎn)生。圖2-9輸入輸出信噪比關(guān)系曲線通過在已調(diào)信號中加入高斯白噪聲，通過解調(diào)器解調(diào)，根據(jù)對輸入輸出信噪比關(guān)系曲線繪制觀察，在理想情況下，輸出信噪比為輸入信噪比的二倍，即DSB信號的解調(diào)器使信噪比改善一倍；不同的調(diào)制信號對系統(tǒng)性能有一定的影響。3結(jié)束語通過此次MATLAB課程設(shè)計，我掌握了運(yùn)用MATLAB進(jìn)行信號處理和分析的基本內(nèi)容和方法，加強(qiáng)了我對MATLAB軟件的應(yīng)用能力。提高自己的基礎(chǔ)理論知識、基本動手能力，提高人才培養(yǎng)的基本素質(zhì)，并幫助我們掌握基本的文獻(xiàn)檢索和文獻(xiàn)閱讀的方法，同時提高我們正確地撰寫論文的基本能力。在課程設(shè)計過程中，著重研究了DSB信號調(diào)制與解調(diào)原理和MATLAB模擬實現(xiàn)，熟悉了信號波形、頻譜的和系統(tǒng)性能的分析方法，了解了數(shù)字濾波器的設(shè)計與使用方法，綜合提高了自己的專業(yè)技能。附 錄附錄1：正弦波調(diào)制的MATLAB源程序Fs=100000; %抽樣頻率 Fc=30000; %載波頻率N=1000; %FFT長度n=0:N-1;t=n/Fs; %截止時間和步長x=a*sin(2*pi*300*t); %基帶調(diào)制信號 y=modulate(x,Fc,Fs,am); %抑制雙邊帶振幅調(diào)制yn=awgn(y,4); %加入高斯白噪聲yn1=awgn(y,10);yn2=awgn(y,15);yn3=awgn(y,20);yn4=awgn(y,25);y1=demod(y,Fc,Fs,am); %無噪聲已調(diào)信號解調(diào)yyn=demod(yn,30000,Fs,am); %加噪聲已調(diào)信號解調(diào)yyn1=demod(yn1,30000,Fs,am);yyn2=demod(yn2,30000,Fs,am);yyn3=demod(yn3,30000,Fs,am);yyn4=demod(yn4,30000,Fs,am);dy1=yn-y; %高斯白噪聲snr1=var(y)/var(dy1); %輸入信噪比dy2=yyn-y1; %解調(diào)后噪聲snr2=var(y1)/var(dy2); %輸出信噪比 dy11=yn1-y; snr11=var(y)/var(dy11); dy21=yyn1-y1; snr21=var(y1)/var(dy21); dy12=yn2-y; snr12=var(y)/var(dy12); dy22=yyn2-y1; snr22=var(y1)/var(dy22); dy13=yn3-y; snr13=var(y)/var(dy13); dy23=yyn3-y1; snr23=var(y1)/var(dy23); dy14=yn4-y; snr14=var(y)/var(dy14); dy24=yyn4-y1; snr24=var(y1)/var(dy24); in=snr1,snr11,snr12,snr13,snr14; out=snr2,snr21,snr22,snr