基于MATLAB模擬調(diào)制系統(tǒng)的仿真

1、*實踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院2012年秋季學(xué)期 通信系統(tǒng)綜合訓(xùn)練 課程設(shè)計 題 目： 模擬調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 專業(yè)班級： 通信工程（3）班 姓 名： 張光偉 學(xué) 號： 09250315 指導(dǎo)教師： 王 維 芳 成 績： 摘要在本次通信系統(tǒng)綜合訓(xùn)練中，首先介紹了調(diào)制與解調(diào)；敘述了其工作的基本原理以及操作方法。其次主要介紹了dsb雙邊帶調(diào)制的基本原理。最后利用利用matlab軟件進(jìn)行調(diào)幅調(diào)制和解調(diào)程序設(shè)計，對dsb雙邊帶調(diào)制進(jìn)行了仿真，輸出顯示調(diào)制信號波形、調(diào)制信號頻譜、已調(diào)信號波形、已調(diào)信號頻譜、加噪聲的解調(diào)波形、未加噪聲的解調(diào)波形、解調(diào)信號的頻譜并輸出顯示其輸入輸出信噪比，通過對

2、實驗結(jié)果的分析，更加清楚的了解到了噪聲對dbs信號的影響，也更加熟練的應(yīng)用了所學(xué)知識。關(guān)鍵詞：調(diào)制 解調(diào) dsb matlab仿真目錄前言1第1章 調(diào)制原理及matlab簡介21.1調(diào)制原理21.2 matlab簡介31.3 matabl的應(yīng)用3第2章 線性模擬調(diào)制42.1模擬調(diào)制原理42.2雙邊帶調(diào)制dsb的基本原理42.3 dsb解調(diào)原理與抗噪性能7第3章 dsb雙邊帶信號的模擬與仿真93.1 dsb調(diào)制解調(diào)分析的matlab實現(xiàn)93.2仿真程序93.3 仿真結(jié)果及分析12第4章 總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄17前言調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用是至關(guān)重要的。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸

3、的形式的一種過程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。在大多數(shù)場合，調(diào)制一般指載波調(diào)制。載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程，使載波的某一個或某幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律而變化。調(diào)制信號是指來自信源的信息信號（基帶信號），這些新號可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未接受調(diào)制的周期性振蕩信號稱為載波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。載波調(diào)制后稱為已調(diào)信號，它包含有調(diào)制信號的全部特征。解調(diào)則是調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)信號中的調(diào)制信號恢復(fù)出來。此次設(shè)計主要進(jìn)行模擬調(diào)至系統(tǒng)的模擬和仿真，最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。常見的調(diào)幅am、雙邊帶

4、dsb、單邊帶vsb等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾個典型實例；而頻率調(diào)制fm是角度調(diào)制中被廣泛采用的一種。本文主要分析了dsb在高斯白噪聲影響下的波形變化，通過對有無噪聲解調(diào)信號波形的對比分析，估計dsb調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能。第1章 調(diào)制原理及matlab簡介1.1調(diào)制原理調(diào)制: 將各種數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(已調(diào)信號或頻帶信號)； 時域定義：調(diào)制就是用基帶信號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號傳輸，而解調(diào)是調(diào)制的反過程，通過具體的方法從已調(diào)信號的參量變化中將恢復(fù)原始的基帶信號。 頻域定義：調(diào)制就是將基帶信號的頻譜搬移到信道通帶中或者其中的某個頻段上

5、的過程，而解調(diào)是將信道中來的頻帶信號恢復(fù)為基帶信號的反過程. 根據(jù)所控制的信號參量的不同，調(diào)制可分為： 調(diào)幅，使載波的幅度隨著調(diào)制信號的大小變化而變化的調(diào)制方式。 調(diào)頻，使載波的瞬時頻率隨著調(diào)制信號的大小而變，而幅度保持不變的調(diào)制方式。 調(diào)相，利用原始信號控制載波信號的相位。 調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘?，這就意味著把基帶信號（信源）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的代通信號。該信號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。調(diào)制可以通過使高頻載波隨信號幅度的變化而改變載波的幅度、相位或者頻率來實現(xiàn)。調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端。在接收端需將已調(diào)信號還原成要傳輸

6、的原始信號，也就是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的接受者（信宿）處理和理解的過程。該過程稱為解調(diào)。 調(diào)制的方式有很多。根據(jù)調(diào)制信號是模擬信號還是數(shù)字信號，載波是連續(xù)波（通常是正弦波）還是脈沖波，相應(yīng)的調(diào)制方式有模擬連續(xù)波調(diào)制（簡稱模擬調(diào)制）、數(shù)字連續(xù)波調(diào)制（簡稱數(shù)字調(diào)制）、模擬脈沖波調(diào)制和數(shù)字脈沖波調(diào)制等。計算機(jī)內(nèi)的信息是由“0”和“1”組成數(shù)字信號，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號（模擬信號為連續(xù)的，數(shù)字信號為間斷的）。于是，當(dāng)兩臺計算機(jī)要通過電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，就需要一個設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)模的轉(zhuǎn)換。這個數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是我們這里要討論的modem。計算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先由modem把數(shù)字信號

7、轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號，這個過程稱為“調(diào)制”，也成d/a轉(zhuǎn)換。經(jīng)過調(diào)制的信號通過電話載波傳送到另一臺計算機(jī)之前，也要經(jīng)由接收方的modem負(fù)責(zé)把模擬信號還原為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，這個過程我們稱“解調(diào)”，也稱a/d轉(zhuǎn)換。正是通過這樣一個“調(diào)制”與“解調(diào)”的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了兩臺計算機(jī)之間的遠(yuǎn)程通訊。1.2 matlab簡介matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾

8、多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。matlab有以下特點及優(yōu)點：特點：（1） 高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來；（2）具有完備的圖形處理功能,實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化;（3）友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；（4）功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實用的處理工具。優(yōu)點：(1) matlab是一種跨平臺的數(shù)學(xué)語言。(2) matlab是一種超高級語言。(3) mat

9、lab語法簡單，編程風(fēng)格接近數(shù)學(xué)語言描述，是數(shù)學(xué)算法開發(fā)和驗證的最佳工具。(4) matlab計算精度很高。(5) matlab具有強大的繪圖功能。(6) matlab具有串口操作、聲音輸入輸出等硬件操控能力。(7) matlab程序可以直接映射為dsp芯片可接受的代碼，大大提高了現(xiàn)代電子通信設(shè)備的研發(fā)效率。 (8)matlab的程序執(zhí)行效率比其它語言低。1.3 matabl的應(yīng)用matlab 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作：數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真、財務(wù)與金融工程、管理與調(diào)度優(yōu)化計算（運籌學(xué)）。ma

10、tlab 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用matlab函數(shù)集）擴(kuò)展了matlab 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。第2章 線性模擬調(diào)制2.1模擬調(diào)制原理模擬調(diào)制是指用來自信源的基帶模擬信號去調(diào)制某個載波，而載波是一個確知的周期性波形。模擬調(diào)制可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制，本文主要研究線性調(diào)制。m(t)h(t)a oscs(t)線性調(diào)制的原理模型如圖2.1所示。設(shè)c(t)=acos2,調(diào)制信號為m(t),已調(diào)信號為s(t)。圖2.1 線性調(diào)制的遠(yuǎn)離模型調(diào)制信號m(t)和載波在乘法

11、器中相乘的結(jié)果為：，然后通過一個傳輸函數(shù)為h(f)的帶通濾波器，得出已調(diào)信號為。從圖2.1中可得已調(diào)信號的時域和頻域表達(dá)式為： （2-1）式（2-1）中，m(f)為調(diào)制信號m(t)的頻譜。由于調(diào)制信號m(t)和乘法器輸出信號之間是線性關(guān)系，所以成為線性調(diào)制。帶通濾波器h(f)可以有不同的設(shè)計，從而得到不同的調(diào)制種類。2.2雙邊帶調(diào)制dsb的基本原理在幅度調(diào)制的一般模型中，若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號m(t)中無直流分量，則輸出的已調(diào)信號就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號，或稱抑制載波雙邊帶（dsb）調(diào)制信號，簡稱雙邊帶（dsb）信號。設(shè)正弦型載波c(t)=acos(t) ，式中：a為載波幅度，

12、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) （2-2）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2-2不難得到已調(diào)信號(t)的頻譜： （2-3）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: （2-4）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，

13、則am信號的頻譜為: （2-5）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)制器模型如下圖所示。圖2.2 am調(diào)制器模型am信號的時域和頻域表達(dá)式分別為 （2-6） （2-7）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，但通常認(rèn)為其平均值為0，即。 由頻譜可以看出，am信號的頻譜由載波分量、上邊帶、下邊帶三部分組成。上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。因此，am信號是帶有載波分量的雙邊帶信號

14、，他的帶寬是基帶信號帶寬 的2倍，即（2-8）am調(diào)制典型波形和頻譜如圖1-1所示：圖2.3am調(diào)制典型波形和頻譜如果在am調(diào)制模型中將直流a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 （2-9）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 （2-10）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。但由于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信號借條是需采用相干解調(diào)，也稱同步檢波（比包絡(luò)檢波器復(fù)雜得多

15、）。其典型波形和頻譜如圖1-2所示：圖2.4 dsb調(diào)制典型波形和頻譜2.3 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

16、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2.5所示：圖2.5 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) (2-11)與相干載波cos(t)相乘后，得 (2-12)經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為: (2-13)因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為: (2-14)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，此解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲: （2-15）它與相干載波cos(t)相乘后，得： （2-16）經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終輸出噪聲為： （2-17）故輸出噪聲功率為： （2-18）式中，b=2,為d

17、sb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： （2-19）可得解調(diào)器的輸入信噪比： （2-20）解調(diào)器的輸出信噪比： （2-21）因此制度增益為: （2-22）也就是說，dsb信號的解調(diào)器使信噪比改善一倍。第3章 dsb雙邊帶信號的模擬與仿真3.1 dsb調(diào)制解調(diào)分析的matlab實現(xiàn)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，fc為載波頻率，fs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，fs需滿足fs 2*f

18、c + 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，fc為載波頻率，fs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2。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

19、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xla

20、bel( )和ylabel( )。程序設(shè)計流程圖見附錄。3.2仿真程序用頻率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。編程如下：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= 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);

21、 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

22、); %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)/v

23、ar(dy24); in=snr1,snr11,snr12,snr13,snr14; out=snr2,snr21,snr22,snr23,snr24; ff1=fft(x,n); %傅里葉變換mag1=abs(ff1); %取模 f1=(0:length(ff1)-1)*fs/length(ff1); %頻率轉(zhuǎn)換 ff2=fft(y,n); mag2=abs(ff2); f2=(0:length(ff2)-1)*fs/length(ff2); ff3=fft(y1,n); mag3=abs(ff3);f3=(0:length(ff3)-1)*fs/length(ff3); figure(1)

24、; subplot(221) %繪制曲線 plot(t,x) xlabel(調(diào)制信號波形)subplot(222) plot(f1,mag1)axis(0 1000 0 1000) xlabel(調(diào)制信號頻譜) subplot(223) plot(t,y) xlabel(已調(diào)信號波形) subplot(224) plot(f2,mag2) axis(0 40000 0 500) xlabel(已調(diào)信號頻譜) figure(2); subplot(311) plot(t,yyn) xlabel(加噪聲解調(diào)信號波形) subplot(313)plot(f3,mag3) axis(0 1000 0

25、600)xlabel(解調(diào)信號頻譜) subplot(312) plot(t,y1) xlabel(無噪聲解調(diào)信號波形)figure(3);plot(in,out,*) hold onplot(in,out)xlabel(輸入信噪比)ylabel(輸出信噪比)3.3 仿真結(jié)果及分析調(diào)用程序調(diào)制信號、已調(diào)信號的波形、頻譜如圖3.1所示：圖3.1調(diào)制信號、已調(diào)信號的波形、頻譜解調(diào)信號的波形、頻譜如圖3.2所示：圖3.2解調(diào)信號的波形、頻譜通過matlab對dsb調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的模擬仿真，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。dsb信號的包絡(luò)與調(diào)制信號的波形的變化規(guī)律完全相符。因而不能直接采用包絡(luò)檢波恢復(fù)原始信號，只能采用同步解調(diào)。dsb信號的頻譜是基帶信號的線性搬移，由上下兩個邊帶分量構(gòu)成，上下兩個邊帶分量包含相同的有用信息且關(guān)于載頻左右對稱，dsb信號的帶寬是基帶信號最高截止頻率的兩倍。輸入輸出信噪比關(guān)系曲線如圖