基于MATLAB的抑制載波的雙邊帶幅度調(diào)制(DSB)與解調(diào)分析

1、武漢理工大學(xué)信息分析與處理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄摘要11 設(shè)計(jì)目的與要求21.1 設(shè)計(jì)目的21.2 設(shè)計(jì)要求22 設(shè)計(jì)方案32.1 調(diào)制方案32.1.1 濾波法32.1.2 相移法42.2 解調(diào)方案53 仿真設(shè)計(jì)53.1 Simulink簡(jiǎn)介53.2 SSB調(diào)制與解調(diào)63.3 加入高斯噪聲的SSB調(diào)制與解調(diào)83.3.1 波形失真與高斯噪聲均值的關(guān)系93.3.2 波形失真與高斯噪聲方差的關(guān)系93.3.3 濾波器參數(shù)對(duì)信道的影響104 心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)14摘要本文主要通過(guò)對(duì)Simulink工具箱的學(xué)習(xí)和使用，利用其豐富的模板以及本科對(duì)通信原理知識(shí)的掌握，完成模擬信號(hào)單邊帶幅度調(diào)制（SSB）與解調(diào)，

2、以及用Simulink進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。首先我進(jìn)行了模擬通信系統(tǒng)的建模以及信號(hào)系統(tǒng)的原理研究，然后將學(xué)習(xí)總結(jié)出的相應(yīng)理論在仿真系統(tǒng)中建模，并且調(diào)整參數(shù)直到仿真波形輸出，觀察效果，最終對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)論進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵字：SSB，Simulink，調(diào)制，解調(diào)1 設(shè)計(jì)目的與要求1.1 設(shè)計(jì)目的傳輸信息是人類(lèi)生活的重要內(nèi)容之一。利用無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行信息傳輸在這些手段中占有極重要的地位。無(wú)線電通信、廣播、電視、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測(cè)等等，都是利用無(wú)線電技術(shù)傳播各種不同信息的方式。無(wú)線電通信傳輸語(yǔ)音、點(diǎn)嗎或其他信號(hào)；無(wú)線電廣播傳輸語(yǔ)言、音樂(lè)等；電視傳送圖像、語(yǔ)言、音樂(lè)；導(dǎo)航是利用一定的無(wú)線電信號(hào)指引飛機(jī)或船舶安全航行，

3、以保證他們能平安到達(dá)目的地；雷達(dá)是利用無(wú)線電信號(hào)的反射來(lái)測(cè)定某些目標(biāo)（如飛機(jī)、船舶等）的方位；遙測(cè)遙控則是利用無(wú)線電技術(shù)來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)處或運(yùn)動(dòng)體上的某些物理量，控制遠(yuǎn)處機(jī)件的運(yùn)行等。在以上這些信息傳遞的過(guò)程中，都要把頻率不高的調(diào)制信號(hào)加載到高頻載波上，然后進(jìn)行信號(hào)的傳輸。在信息的接收端需要把有用的信號(hào)從混雜的已調(diào)信號(hào)里解調(diào)出來(lái)。由于利用SSB調(diào)幅可以提高信道的利用率，所以選擇SSB調(diào)制與解調(diào)作為課程設(shè)計(jì)的題目具有很大的實(shí)際意義。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)

4、字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。1.2 設(shè)計(jì)要求（1）利用MATLAB中的simulink工具箱中的模塊進(jìn)行單邊帶幅度調(diào)制（SSB）與解調(diào)，觀察波形變化；（2）畫(huà)出程序設(shè)計(jì)框圖，編寫(xiě)程序代碼，上機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含計(jì)算結(jié)果和圖表等），并對(duì)

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。2 設(shè)計(jì)方案在DSB信號(hào)中，兩個(gè)邊帶中的任意一個(gè)都包含了的所有頻譜成分，引導(dǎo)詞僅傳輸其中一個(gè)即可。這樣既節(jié)省發(fā)送功率，還可以節(jié)省一半傳輸頻帶，這種方式稱(chēng)為單邊帶調(diào)制（SSB）。單邊帶信號(hào)是將雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶濾掉而形成的，根據(jù)濾除方式的不同，產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有：濾波法和相移法。2.1 調(diào)制方案2.1.1 濾波法濾波法SSB調(diào)制原理框圖如圖2-1。圖中的為單邊帶濾波器。產(chǎn)生SSB信號(hào)最直觀方法的是，將設(shè)計(jì)成具有理想高通特性或理想低通特性的單邊帶濾波器，從而只讓所需的一個(gè)邊帶通過(guò)，而濾除另一個(gè)邊帶。產(chǎn)生上邊帶信號(hào)時(shí)即為，產(chǎn)生下邊帶信號(hào)時(shí)即為。圖2-1 SSB濾波法調(diào)

6、制原理框圖濾波法SSB調(diào)制的頻域表達(dá)式濾波法的原理方框圖2-1用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶: 圖2-1中，為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，若它具有如下理想高通特性：則可濾除下邊帶。若具有如下理想低通特性：則可濾除上邊帶。從SSB信號(hào)調(diào)制原理圖中可以清楚地看出，SSB信號(hào)的頻譜是DSB信號(hào)頻譜的一個(gè)邊帶，其帶寬為DSB信號(hào)的一半，與基帶信號(hào)帶寬相同，即式中， 為調(diào)制信號(hào)帶寬， 為調(diào)制信號(hào)的最高頻率。由于僅包含一個(gè)邊帶，因此SSB信號(hào)的功率為DSB信號(hào)的一半，即顯然，因SSB信號(hào)不含有載波成分，單邊帶幅度調(diào)制的效率也為100%。2.1.2 相移法相移法SSB調(diào)制的原理框圖如圖2-2。圖中，為希爾伯特濾波

7、器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，對(duì)中的任意頻率分量均相移-/2。圖2-2 SSB相移法調(diào)制原理框圖相移法SSB調(diào)制時(shí)域表達(dá)式中，“”對(duì)應(yīng)上邊帶信號(hào)，“+”對(duì)應(yīng)下邊帶信號(hào)；表示把的所有頻率成分均相移-/2，稱(chēng)是的希爾伯特變換。2.2 解調(diào)方案解調(diào)就是把接收到的SSB信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，濾掉載波成分，使之還原成發(fā)射之前的有用的信息。SSB信號(hào)的解調(diào)方法主要有兩種，一個(gè)是相干解調(diào)法，另一個(gè)是包絡(luò)檢波。相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號(hào)的譜搬到了載頻位置，這一過(guò)程可以通過(guò)一個(gè)相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過(guò)程，即把在載波位置的已調(diào)信號(hào)的譜搬回到原始基帶位置，

8、因此同樣可以用相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào)器模型如圖2-3。圖 2-3 SSB相干解調(diào)原理框圖相干解調(diào)時(shí)，為了無(wú)失真地恢復(fù)原基帶星信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱(chēng)為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)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信號(hào)。3 仿真設(shè)計(jì)3.1 Simulink簡(jiǎn)介在MATLAB命令窗口，單擊工具欄上的 按鈕可進(jìn)入Simulik。模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分為以下8類(lèi)子庫(kù)：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）S

9、ignals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫(kù)中的模塊來(lái)組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫(kù)、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫(kù)中的仿真模塊組織成三級(jí)樹(shù)結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫(kù)中包含了Continous、Discontinus等下一級(jí)模型庫(kù)Continous模型庫(kù)中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。圖3-1為Simulink工具模塊頁(yè)面。圖3-1 Simulink工具頁(yè)面3.2 SSB調(diào)制與解調(diào)在MATLAB 的集成仿真環(huán)境Simulink中建立單邊帶調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)模型并實(shí)現(xiàn)對(duì)它的動(dòng)態(tài)仿真

10、，SSB調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)模型如圖3-2。圖3-2 SSB調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)模型圖信源參數(shù)參數(shù)：幅度1 頻率1rad/s；載波參數(shù)：幅度1 頻率10rad/s；低通濾波器參數(shù)：截止頻率 10rad/s；帶通濾波器的參數(shù)：下限頻率10rad/s 上限頻率為15rad/s。SSB調(diào)制與解調(diào)的仿真波形圖如圖3-3所示。第1路是調(diào)制信號(hào)波形，第2路是調(diào)制后信號(hào)波形，第3路是解調(diào)后濾波前信號(hào)波形，第4路是解調(diào)濾波后信號(hào)波形。圖3-3 SSB調(diào)制與解調(diào)的仿真波形圖分析可知，解調(diào)后的波形和原輸入信號(hào)波形一樣，符合設(shè)計(jì)要求。SSB調(diào)制與解調(diào)模塊中各過(guò)程信號(hào)功率譜如圖3-4圖3-7所示。 圖3-4 調(diào)制信號(hào)功率譜 圖3

11、-5 載波信號(hào)功率譜 圖3-6 調(diào)制信號(hào)功率譜 圖3-7 解調(diào)信號(hào)功率譜調(diào)制實(shí)現(xiàn)了功率譜的搬移，解調(diào)后的信號(hào)功率譜和原信號(hào)功率譜一樣，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。3.3 加入高斯噪聲的SSB調(diào)制與解調(diào)高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類(lèi)噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在調(diào)制信號(hào)上加入高斯噪聲，把Simulink噪聲源下的高斯噪聲模塊（Gaussian Noise Generator）加入到模型中。圖20中加了兩個(gè)高斯噪聲模塊，為比較高斯噪聲均值不同或方差不同時(shí)對(duì)信道的影響，將兩個(gè)高斯噪聲模塊參數(shù)設(shè)置不同，以作比較。加入高斯噪聲后調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)模型如圖3-8所示圖3-8 加入噪聲

12、后系統(tǒng)模型3.3.1 波形失真與高斯噪聲均值的關(guān)系各低通濾波器均設(shè)置為頻帶邊緣頻率為10，仿真結(jié)果如圖3-9所示。第1路為調(diào)制信號(hào)波形，第2路為理想信道下輸出信號(hào)波形，第3路為加入均值為0.5方差為0的高斯噪聲時(shí)解調(diào)信號(hào)波形，第4路為均值為1方差為0的高斯噪聲時(shí)解調(diào)信號(hào)波形。圖3-9 方差相同不同均值對(duì)信號(hào)影響分析可知，高斯噪聲的均值越大，輸出信號(hào)失真越大。3.3.2 波形失真與高斯噪聲方差的關(guān)系不同方差下仿真結(jié)果如圖3-10所示，第1路調(diào)制信號(hào)波形，第2路為理想信道下輸出信號(hào)波形，第3路為加入噪聲均值為0，方差為0.1時(shí)輸出噪聲波形，第4路為加入噪聲均值為0方差為1時(shí)輸出噪聲波形。圖3-10

13、 均值相同不同方差噪聲對(duì)信號(hào)影響分析可知，高斯噪聲的方差越大，輸出信號(hào)失真越大。3.3.3 濾波器參數(shù)對(duì)信道的影響當(dāng)濾波器邊緣頻率設(shè)置不同值時(shí)，加入高斯噪聲參數(shù)相同，在此條件下比較邊緣頻率設(shè)置值對(duì)濾波性能影響，仿真結(jié)果如圖3-11所示。第1路為調(diào)制信號(hào)波形，第2路為理想信道下信號(hào)輸出波形，第3路為高斯噪聲均值為1，方差為0.1，濾波器邊緣頻率為10時(shí)信輸出信號(hào)波形，第4路為高斯噪聲均值為1，方差為0.1，濾波器邊緣頻率為8時(shí)信輸出信號(hào)波形。 圖3-11 不同濾波器參數(shù)參數(shù)對(duì)信道影響分析可知，濾波器邊緣頻率設(shè)置越小，即濾除高頻成分越多，則濾波效果越好。4 心得體會(huì)參考文獻(xiàn)1 R van Nee. OFDM Wireless Multimedia CommunicationsJ.Rrasad R. Artech House，1999，33：2982 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析M.北京：清華大學(xué)出版社，2010：27326. 3 曹一，基于Simulink的OFDM通信系統(tǒng)仿真分析. 天津大學(xué)碩士