《通信原理》課程設(shè)計二級AM調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、二級am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真摘 要 本課程設(shè)計主要運用matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺設(shè)計一個二級am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)，并把運行仿真結(jié)果輸入到顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計的系統(tǒng)性能。在課程設(shè)計中，首先根據(jù)原理構(gòu)建二級調(diào)制解調(diào)電路，再在simulink中調(diào)出各元件組成電路，再設(shè)置二級調(diào)制解調(diào)電路中各個模塊的參數(shù)值并加以運行，并把運行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)置的系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞 simulink；二級；am；調(diào)制；相干解調(diào)1 引 言通信原理課程是通信、電子、信息領(lǐng)域中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是通信工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。通信系統(tǒng)作為一個實際系統(tǒng)，是為了滿足社

2、會與個人的需求而產(chǎn)生的，目的就是傳送消息（數(shù)據(jù)、語音和圖像等）。通信技術(shù)的發(fā)展，特別是近30年來形成了通信原理的主要理論體系，即信息論基礎(chǔ)、編碼理論、調(diào)制與解調(diào)理論、同步和信道復(fù)用等。本課程設(shè)計運用了matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺來設(shè)計二級am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。1.1 課程設(shè)計目的本課稱設(shè)計的最主要目的是了解幅度調(diào)制與解調(diào)的基本原理。在進(jìn)行了專業(yè)基礎(chǔ)知識課程教學(xué)點的基礎(chǔ)上，設(shè)計與分析儀個簡單的通信系統(tǒng)，有助于加深對系統(tǒng)知識的鞏固和理解。利用matlab7.0 集成環(huán)境下的simulink仿真平臺設(shè)計二級am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真，分別在理想信道和非理想信道中運行，并把運

3、行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計的系統(tǒng)性能。并繪制相關(guān)的波形圖及頻譜圖，并且分析信號波形及其頻譜特點。1.2 課程設(shè)計的要求本課程的設(shè)計要求如下：1）學(xué)習(xí)matlab的基本知識，熟悉matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺。2）利用通信原理中所學(xué)到的相關(guān)知識，在simulink仿真平臺中設(shè)計二級am調(diào)制與相干解調(diào)仿真系統(tǒng)。并用示波器觀察調(diào)制與解調(diào)后的波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制與解調(diào)前后的信號頻譜變化。3）構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化。4）再以一級調(diào)制電路為輸入，構(gòu)建二級調(diào)制電路，用示波器觀察二級調(diào)制前后的信號波形

4、，用頻譜分析模塊觀察二級調(diào)制前后信號頻譜的變化。5）以二級調(diào)制信號為輸入，構(gòu)建解調(diào)電路，用示波器觀察解調(diào)前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察解調(diào)前后信號頻譜的變化。6）再以一級解調(diào)信號為輸入，構(gòu)建二級解調(diào)電路，用示波器觀察二級解調(diào)前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察二級解調(diào)前后信號頻譜的變化。7）在二級調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號在不同信道中的傳輸：a 用高斯白噪聲模擬有線信道，b 用瑞利噪聲模擬有直射分量的無線信道，c 用萊斯噪聲模擬無直射分量的無線信道。將三種噪聲源的方差均設(shè)置為0.1，分析比較通過三種不同信道后的接收信號的性能。 8）在老師的指導(dǎo)下，要求獨立完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，并

5、按要求編寫課程設(shè)計學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計和實驗結(jié)果。1.3 設(shè)計平臺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)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(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

6、用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。2 基本原理2.1 simulink仿真平臺simulink是matlab的重要組成部分，但它具有相對獨立的功能和使用方法。simulink已經(jīng)成為在動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之，確切地說，它是對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)。（一）simulink基本操作運行simulink方式有三種：1.在matlab的命令窗口直接鍵入“simulink”；2.單擊matlab工具條上的simulink圖標(biāo)；3.在matlab菜單上選擇filenewmodel。選擇第3種方式運行

7、后會顯示simulink模塊庫瀏覽器以及新建模型窗口，simulink模塊庫包括：(1) sources：輸入源模塊；(2) sinks：接收模塊；(3) continuous：連續(xù)系統(tǒng)模塊；(4) discrete：離散系統(tǒng)模塊；(5) signals&systems：信號與系統(tǒng)模塊；(6) math：數(shù)學(xué)運算模塊。新建模型窗口是windows的一個標(biāo)準(zhǔn)窗口，用戶可用鼠標(biāo)拖入simulink模塊庫瀏覽器中的模塊，且可以用鼠標(biāo)對模塊進(jìn)行修改或設(shè)置各模塊的參數(shù)該窗口的菜單系統(tǒng)如下：（1）file：文件菜單（2）edit： 編輯菜單（3）view： 查看菜單（4）simulation：仿真菜單（5

8、）format：格式菜單（6）tools：工具菜單（二）系統(tǒng)仿真步驟1. 根據(jù)系統(tǒng)圖，在窗口中繪制仿真框圖。2. 根據(jù)實驗要求設(shè)置各環(huán)節(jié)系數(shù)。將鼠標(biāo)移至欲修改的單元上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，windows將彈出對話框供用戶修改該環(huán)節(jié)的參數(shù)，不同環(huán)節(jié)的對話框略有不同，對話框由若干個編輯框和按鈕組成，在編輯框內(nèi)輸入希望的參數(shù)，然后按ok按鈕確認(rèn)修改的參數(shù)或cancel按鈕取消修改。（三）啟動系統(tǒng)仿真通過菜單啟動系統(tǒng)仿真或通過工具欄起動系統(tǒng)仿真，這時windows將彈出一曲線窗口顯示仿真曲線。2.2二級常規(guī)雙邊帶（am）調(diào)制與相干解調(diào)的原理（一）調(diào)制 am是指對信號進(jìn)行幅度調(diào)制。假設(shè)調(diào)制信號m(t)的平均值

9、為0，將其疊加一個直流偏量a0后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號。am信號的時域表達(dá)式為sam(t)=a0+m(t)coswct=a0coswct+m(t)coswct其調(diào)制模型圖如圖2.2.1-1所示圖2.2.1-1 am信號調(diào)制模型圖其中：a0為外加直流分量；m(t)可以是確知信號，也可以是隨機(jī)信號。若m(t)為確知信號，則am信號的頻譜為其波形譜和頻譜如圖2.2.1-2所示圖2.2.1-2 am信號的波形和頻譜（二）解調(diào) 相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號的頻譜搬移到了載頻位置，而解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把載頻位置的已調(diào)信號的譜搬回到原始基帶位置，因此

10、同樣可以用乘法器和載波相乘來實現(xiàn)。其模型圖如圖2.2.2-1所示lpf圖2.2.2-1 相干解調(diào)器的一般模型 相干解調(diào)時為了無失真的恢復(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），它與接收的已調(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。 相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號的解調(diào)。送入解調(diào)器的已調(diào)信號一般表達(dá)式為 sm(t)=s1(t)coswct+sq(t)sinwct與同頻同相的相干載波c(t)相乘后，得 sp(t)=sm(t) coswct= 1/2s1(t) +1/2s1(t) cos2wct+1/2 sq(t) s

11、in2wct經(jīng)低通濾波器（lfp）后，得 sd(t)= 1/2s1tsd(t)即為解調(diào)輸出，適用于所有的線性調(diào)制信號的解調(diào)。（三）二級am調(diào)制與解調(diào)將調(diào)制一次的電路最為輸入進(jìn)行二級調(diào)制，二級調(diào)制出來的電路進(jìn)行解調(diào)，一次解調(diào)出來的電路再作為輸入進(jìn)行二級解調(diào)。3 系統(tǒng)設(shè)計3.1（一）am信號調(diào)制仿真am信號調(diào)制仿真器件連接號線路圖如圖3.1-1所示：圖3.1-1 am信號調(diào)制模型設(shè)置直流信號參數(shù)為2，基帶信號和載波信號頻率為2和20。值得注意的是當(dāng)基帶信號的幅度大于直流信號時就會出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象，包絡(luò)檢波無法檢測出原始信號，但相干檢波依然可以無失真的檢測出原始信號，各個元器件具體參數(shù)設(shè)置圖如下所示:

12、圖3.1-2 基帶信號的參數(shù)設(shè)置 圖3.1-3直流信號的參數(shù)設(shè)置圖3.1-4 載波的參數(shù)設(shè)置圖3-4 乘法器的參數(shù)設(shè)置、圖3.1-5 濾波器的波形綜合上圖調(diào)制信號的包絡(luò)即為輸出信號，和預(yù)計的理論原理相符，說明調(diào)制成功。只有當(dāng)載波的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制信號的頻率時，才能調(diào)試成功，否者會發(fā)生嚴(yán)重的失真，無法檢測出原始信號。如調(diào)制設(shè)置載波為2.5時，示波器波形如圖3.1-6所示 圖3.1-6 載波為2.5時示波器波形（二）am信號的相干解調(diào)仿真將調(diào)制信號進(jìn)行相干解調(diào)，為了無失真地恢復(fù)原始基帶信號，調(diào)制信號需要與相同頻率的載波相乘，經(jīng)過低通濾波器去除低頻分量，可得到原始的基帶調(diào)制信號。模型如下圖3.2-1

13、所示圖3.2-1 相干解調(diào)am信號的模型 圖3.2-2 低通濾波器的參數(shù) 圖3.2-3 相干解調(diào)am信號解調(diào)波形由波形圖如圖3.2-3所示，第一個波形為調(diào)制信號，第二個波形為載波，第三個波形為基帶信號，第四個波形為解調(diào)信號，解調(diào)信號與基帶信號相對比，除了產(chǎn)生半個周期的延時外，波形大致上與基帶信號相同。而延時是不可避免的，可以得出結(jié)論解調(diào)am信號也是成功的。（三）二級am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真圖3.3-1二級am調(diào)制與相關(guān)解調(diào)模型圖3.3-2一級調(diào)制基帶信號圖3.3-3直流信號的參數(shù)設(shè)置圖3.3-4一級載波的參數(shù)設(shè)置圖3.3-5二級載波的參數(shù)設(shè)置圖3.3-6一級解調(diào)低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.3-7

14、二級解調(diào)低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.3-8 示波器的波形（四）分析高斯噪聲加入信道的影響所謂高斯白噪聲是指由于熱噪聲是由大量自由電子的運動產(chǎn)生的，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的。熱噪聲和散粒噪聲都是高斯白噪聲。 所謂高斯白噪聲中的高斯是指概率分布是正態(tài)函數(shù)，而白噪聲是指它的二階矩不相關(guān)，一階矩為常數(shù)，是指先后信號在時間上的相關(guān)性。在調(diào)制信道與相干解調(diào)信道之間，加入高斯白噪聲，即將調(diào)制信號與白噪聲相加再進(jìn)行相干解調(diào)。其原理圖如圖3.4-1所示圖3.4-1加入高斯白噪聲的原理圖圖3.4-2 高斯白噪聲參數(shù)設(shè)置方差為2圖3.4-3 設(shè)置白噪聲方差為2的示波器波形圖圖3.4-4設(shè)

15、置白噪聲方差為100圖3.4-5 設(shè)置白噪聲方差為100的示波器波形圖把加入方差不同的高斯白噪聲和不加高斯白噪聲解調(diào)輸出的波形一同進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)方差為2時，信號失真不是很明顯；而方差為100時，信號失真的相對而言更厲害；由此可知方差越大，高斯白噪聲對信道的影響越大，但總體上來說，高斯白噪聲對解調(diào)輸出的波形影響不太明顯，依然可以看出原始信號的輪廓。（五）頻譜分析 從時域可以簡單明了的看出信號的幅度情況，而頻域上的分析也是相當(dāng)重要的。信號的頻率特性是信號的重要特性之一，和信號的占用頻帶寬度以及信號的抗噪聲能力有密切的關(guān)系，它可以很清晰明了的觀測觀測信號在頻域上的特點和變化，并作出相應(yīng)的分析。加入頻

16、譜分析的原理圖如圖3.5-1所示圖3.5-1 加入頻譜分析的原理圖圖3.5-2 頻譜分析參數(shù)設(shè)置圖3.5-3基帶信號頻譜圖3.5-4一級調(diào)制信號頻譜圖3.5-5 二級調(diào)制信號頻譜圖3.5-6一級解調(diào)信號頻譜圖3.5-7二級解調(diào)信號頻譜如圖所示，由于元器件的不理想性，在頻譜上可以很清晰地發(fā)現(xiàn)頻譜結(jié)果和理論原理有一定的出人,但總體上還是可以很容易分析出調(diào)制信號是基帶信號頻譜的搬移，而解調(diào)信號這是頻譜的復(fù)位。只是在基帶信號轉(zhuǎn)化為調(diào)制信號時頻譜的疊加不如理論原理的理想，載波分量位置不明顯，因而最后的解調(diào)信號頻譜和基帶信號有些出入，而調(diào)制信號到解調(diào)信號的頻譜搬移還是很成功的。圖3.5-8加入方差為2的高

17、斯噪聲解調(diào)的頻譜 如圖3.5-8信號的頻譜幾乎在所有頻率范圍內(nèi)都有分布，驗證了噪聲是隨機(jī)信號這一特點，從圖中可以看出在基帶信號頻譜段最中間的尖銳處是載波信號的頻譜特性，其兩側(cè)略低的尖峰是基帶信號的頻譜特性，其它位置的頻譜峰值明顯比基帶信號位置的頻譜低。4 仿真電路分析與總結(jié) （一）信號在經(jīng)過所設(shè)計的低通通信仿真系統(tǒng)后波形出現(xiàn)失真。這是因為信號進(jìn)行抽樣時沒有滿足奈奎斯特定理。為了能從取樣信號中恢復(fù)原信號，抽樣必須滿足奈奎斯特定理，即抽樣頻率應(yīng)大于或等于兩倍的原始信號頻率（二）在加入噪聲后，解調(diào)信號的波形基本上沒有變化。模塊參數(shù)的設(shè)定也是此次課程設(shè)計的一個關(guān)鍵，如果參數(shù)設(shè)置的不正確或者有偏差，那么

18、我們就得不到我們所需的真確結(jié)果甚至根本就得不到結(jié)果。在這里出現(xiàn)的比較多的錯誤是在設(shè)計時沒有一步一步的根據(jù)相應(yīng)的原理進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，調(diào)制后的波形就可能失真。低通濾波器參數(shù)的設(shè)置也非常重要，如果設(shè)置比基帶信號頻率的兩倍要小，信號就不能無失真地恢復(fù)。解決的關(guān)鍵是根據(jù)相關(guān)理論仔細(xì)設(shè)置將載波頻率調(diào)低后，可以明顯的看出解調(diào)信號有失真變化；（三）當(dāng)波形的振幅過小時，調(diào)制信號的波形基本上沒有變化，后來將振幅設(shè)置大后，調(diào)制信號看得出變化；（四）示波器的波形只看得見后面一點點，應(yīng)該將限制數(shù)據(jù)點（limit data points to last）加大為50000或是更大；（五）加噪聲時先開始用的是噪聲信道模塊，但

19、是總是報錯；于是改加噪聲源模塊，噪聲源模塊與調(diào)制信號相加再與載波相乘通過低通濾波器得到解調(diào)信號；（六）波形太擠不好看，于是把修正因子加大至20。5 結(jié)束語此次通信原理課程設(shè)計只有短短的兩周時間，在這兩周時間里，我學(xué)會了用matlab/simulink仿真系統(tǒng)初步的設(shè)計方法。初步了解了如何用matlab/simulink這個仿真軟件進(jìn)行am的調(diào)制和解調(diào)的設(shè)計。雖然在課程設(shè)計過程中遇到了不少的麻煩和困難，與此同時也深刻認(rèn)識到自己存在的許多不足，理論知識的學(xué)習(xí)有待加強(qiáng)，實踐的能力有所欠缺，遇到困難自己獨立處理有待努力，在課程設(shè)計之前，我到圖書館借閱了相關(guān)書籍，但是理論的學(xué)習(xí)并沒有讓我體會到課程設(shè)計的真諦，光憑理論實在無法實現(xiàn)書中所要表達(dá)的內(nèi)容，因此上機(jī)實踐很關(guān)鍵。通過理論知識的初步學(xué)習(xí)，加上上機(jī)的實踐，我漸漸地對simulink有了一定的認(rèn)識，但是在將書上的理論方框圖轉(zhuǎn)換為simulink模塊的過程中出現(xiàn)了很大的困難，因為對軟件不熟悉的緣故，許多