通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)——兩種信道下AM性能(基于MATLAB仿真)

1、沈陽理工大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告摘 要本文以AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，通過模擬AM調(diào)制信號(hào)在信道中的傳播特性，建立了在高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道數(shù)學(xué)模型。并用MATLAB軟件對(duì)該信號(hào)在此兩種信道中的性能進(jìn)行了仿真分析，得出了對(duì)于相同的信噪比情況下，信號(hào)在高斯白噪聲信道中性能優(yōu)于瑞利衰落信道的結(jié)論。關(guān)鍵詞: AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；高斯白噪聲信道；瑞利衰落信道；MATLAB仿真分析I目 錄1 課程設(shè)計(jì)目的12 課程設(shè)計(jì)要求.13 相關(guān)知識(shí)14 課程設(shè)計(jì)分析25 仿真56 結(jié)果分析.97 參考文獻(xiàn).16II兩種信道下AM性能分析1.課程設(shè)計(jì)目的（1）加深理解和鞏固信號(hào)調(diào)制、解調(diào)的基本概念。（2）鍛煉分析問

2、題和解決問題的能力，養(yǎng)成良好的獨(dú)立工作習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，為今后參加科學(xué)工作打下良好的基礎(chǔ)。（3）掌握信道中噪聲產(chǎn)生的原因和消除方法。2.課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握課程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)、概念清晰。（2）程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。3.相關(guān)知識(shí)調(diào)制是將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩（載頻）信號(hào)上去的過程。按照所采用的載波波形, 調(diào)制可分為連續(xù)波（正弦波）調(diào)制和脈沖調(diào)制。連續(xù)波調(diào)制以單頻正弦波為載波, 可用數(shù)學(xué)式a(t) =Acos(X+U)表示, 受控參數(shù)可以是載波的幅度Am 頻率X或相位U因而有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻（FM)和調(diào)相（PM）三種方式。脈沖調(diào)制以矩形脈沖為載波, 受控參數(shù)可以是脈沖高度、脈

3、沖寬度或脈沖位置。相應(yīng)地就有脈沖調(diào)幅(PAM), 脈沖調(diào)寬(PWM)和脈沖調(diào)位(PPM)。振幅調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)(基帶信號(hào))去控制載波的振幅，使其隨調(diào)制信號(hào)線性變化, 而保持載波的頻率不變。在幅度調(diào)制中, 又根據(jù)所取出已調(diào)信號(hào)的頻譜分量不同，分為普通調(diào)幅(標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅AM)、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅(DSB)、抑制載波的單邊帶調(diào)幅( SSB)等。它們的主要區(qū)別是產(chǎn)生的方法和頻譜結(jié)構(gòu)不同。4.課程設(shè)計(jì)分析4.1 AM調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)調(diào)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(hào)m(t)的平均值為0，講其疊加一個(gè)直流偏量A0后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號(hào)，其時(shí)域表達(dá)式為S(t)=A0+m(t)coswct=

4、A0 coswct+m(t) coswct式中：A0為外加直流分量；m(t)可以是確知信號(hào)，也可以是隨機(jī)信號(hào)。圖1 振幅調(diào)制波形圖從圖1中可看出調(diào)幅波是一個(gè)載波振幅按照調(diào)制信號(hào)的大小線性變化的高頻信號(hào), 頻率為載波頻率，即若調(diào)制信號(hào)為非對(duì)稱信號(hào)，如圖所示，則此時(shí)調(diào)幅度分為上調(diào)幅度M和下調(diào)幅度m，m越大,調(diào)幅越深。圖2 調(diào)制信號(hào)波形 圖3 過調(diào)制波形調(diào)幅信號(hào)的頻譜圖如圖4所示。相應(yīng)的調(diào)幅信號(hào)頻譜在載頻兩側(cè)將形成上下邊帶。對(duì)于單音信號(hào)調(diào)制已調(diào)幅波，從頻譜圖上可知其占據(jù)的頻帶寬度B=28，對(duì)于多音頻的調(diào)制信號(hào), 若其頻率范圍是FminFmax ,則已調(diào)信號(hào)的頻帶寬度等于調(diào)制信號(hào)最高頻率的兩倍,即BA

5、M=2Fmax圖4 調(diào)制信號(hào)的頻譜4.2 AM解調(diào)振幅檢波器的功能是從調(diào)幅信號(hào)中不失真地解調(diào)出原調(diào)制信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)是高頻等幅波時(shí)，檢波器輸出為直流電壓。當(dāng)輸入信號(hào)是正弦調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)時(shí)，檢波器輸出電壓為正弦波。當(dāng)輸入信號(hào)是脈沖調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)時(shí)，檢波器輸出電壓為脈沖波。圖5 幅度解調(diào)波形振幅檢波的方法有兩類：一類是包絡(luò)檢波，另一類是同步檢波。包絡(luò)檢波是從已調(diào)波振幅變化的包絡(luò)中提取出調(diào)制信號(hào)的方法。由于雙邊帶調(diào)制與單邊帶調(diào)制信號(hào)的振幅變化不同于調(diào)制信號(hào)，因此不能用包絡(luò)檢波方法解調(diào)。包絡(luò)檢波只適用于普通調(diào)幅(AM)信號(hào)的解調(diào)，同步檢波是利用一個(gè)與載波同步的本地振蕩信號(hào)與已調(diào)波進(jìn)行差拍，從而實(shí)現(xiàn)檢波

6、的方法。本地振蕩信號(hào)簡稱本振信號(hào)。所謂的同步就是本振信號(hào)與已調(diào)波的載波同頻同相。這種方法適用于各種振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。調(diào)幅信號(hào)的頻譜由載頻和邊頻分量組成，它包含有調(diào)制信號(hào)的信息，但并不包含調(diào)制信號(hào)本身的頻率。檢波電路應(yīng)由3部分組成：即高頻信號(hào)輸入回路、非線性器件和低通濾波器。圖6 包絡(luò)檢波示意圖5仿真5.1 AM調(diào)制與解調(diào)AM調(diào)制與解調(diào)電路如圖7所示圖7 AM調(diào)制與解調(diào)電路圖（1）AM調(diào)制部分如圖8所示為信號(hào)源發(fā)生器，設(shè)置其參數(shù)為一個(gè)正弦波形，功率為0.7W，頻率為8Hz的低頻小信號(hào)。其輸出端送入AM調(diào)制器和示波器，用以顯示輸入波形。圖8 基帶信號(hào)參數(shù)設(shè)置如9圖所示為AM調(diào)制器，設(shè)定其信號(hào)補(bǔ)償

7、（Input signal offset）為1，載波頻率為180Hz，初始相位（Initial phase）為pi/3。其輸出端送入AM解調(diào)和示波器，用以顯示調(diào)制后的波形。圖9 AM調(diào)制器參數(shù)設(shè)置（2）AM解調(diào)部分如10圖所示為AM解調(diào)器，設(shè)定其信號(hào)補(bǔ)償（Input signal offset）和載波頻率（Carrier frequency）、初始相位（Initial phase）與AM調(diào)制器一致，并設(shè)定低通濾波器分子（Lowpass filter numerator）和分母（Lowpass filter denominator）分別為4.57 9.14 4.57*.01 和-1，-1.310

8、8 .4936，最后設(shè)定采樣時(shí)間為0.01s。圖10 AM包絡(luò)檢波解調(diào)器參數(shù)設(shè)置5.2高斯信道的AM系統(tǒng)仿真之前是理想狀態(tài)下模擬的無噪聲的AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)實(shí)際中是不存在的。系統(tǒng)中的存在最廣泛的噪聲就是高斯白噪聲，為了模擬高斯信道，我們在原有的AM系統(tǒng)中加入了高斯噪聲信號(hào)發(fā)生器（Gaussian Noise Generator），如圖11所示。圖11 信道中加入高斯噪聲的AM系統(tǒng)圖如圖12所示為高斯信號(hào)發(fā)生器參數(shù)。設(shè)定其平均功率（Mean value）為1，參數(shù)（Variance）為1，初始種子（Initial seed）為41，采樣時(shí)間（Sample time）為0.001。圖12

9、高斯白噪聲參數(shù)5.3瑞利信道的AM系統(tǒng)仿真為了比較兩種信道下AM的性能，用瑞利衰落信號(hào)取代高斯白噪聲，如圖13所示圖13 瑞利衰落信道的AM系統(tǒng)如圖14所示為高斯信號(hào)發(fā)生器參數(shù)。設(shè)定其相位偏移（Sigma）為1，初始種子（Initial seed）為47，采樣時(shí)間（Sample time）為0.05。圖14 瑞利噪聲參數(shù)6結(jié)果分析6.1 AM調(diào)制解調(diào)電路仿真如圖15所示，在系統(tǒng)不加噪聲源的情況下，由波形圖可以看出，AM調(diào)幅波在包絡(luò)形狀上與基帶信號(hào)（正弦波）一致，通過包絡(luò)檢波能夠較好的解調(diào)出原始的基帶信號(hào)。圖15 AM解調(diào)電路仿真波形如圖16和圖17所示，從頻譜可以看出，AM信號(hào)的頻譜由載波分量

10、、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(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不同，下邊帶是上邊帶的鏡像，即AM信號(hào)是帶有載波分量的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬是基帶信號(hào)帶寬的2倍，即BAM=2fh圖16 理想無噪聲信道下解調(diào)信號(hào)頻譜圖17 理想無噪聲信道AM調(diào)制信號(hào)頻譜6.2通過高斯信道的AM系統(tǒng)性能分析如圖18(a)所示，加性的高斯噪聲已調(diào)信號(hào)的產(chǎn)生了較大的影響，其對(duì)信號(hào)的影響主要指標(biāo)是解調(diào)器的輸出信噪比，本系統(tǒng)采用包絡(luò)檢波解調(diào)方法。由于檢波輸出的E(t)信號(hào)和噪聲存在非線性關(guān)系，由波形圖18(b)可以看出，在小信噪比的情況下，輸出信噪比不是按比例隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，系統(tǒng)已經(jīng)無法正常工作。 圖1

11、8(a) 大信噪比情況下 圖18(b)小信噪比情況下由信號(hào)的頻譜也可以看出，加入的噪聲在頻域很寬的范圍里廣泛的存在，而且解調(diào)后的信號(hào)也沒有完全濾去載波分量。圖19 加入高斯噪聲后AM調(diào)制信號(hào)頻譜圖20 加入高斯噪聲后的AM解調(diào)信號(hào)頻譜因此，在小信噪比時(shí)調(diào)制信號(hào)無法與噪聲分開，包絡(luò)中不存在單獨(dú)的信號(hào)項(xiàng)，只有受到調(diào)制的項(xiàng)。由于是一個(gè)隨機(jī)噪聲，因而，有用信號(hào)被噪聲所擾亂，致使也只能看作是噪聲。由以上分析可得如下結(jié)論：在大信噪比情況下，AM信號(hào)包絡(luò)檢波器的性能幾乎與同步檢測器相同；但隨著信噪比的減小，包絡(luò)檢波器將在一個(gè)特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門限效應(yīng)。一旦出現(xiàn)了門限效應(yīng)，解調(diào)器的輸出信噪比將急劇變壞。6

12、.3通過瑞利信道的AM系統(tǒng)性能分析如圖21所示，系統(tǒng)仿真的是瑞利信道下的波形。從波形圖上可以看出，信號(hào)的傳輸衰減隨時(shí)間變化，使得解調(diào)出的信號(hào)存在混疊現(xiàn)象；信號(hào)通過多條路徑到達(dá)接收端，每條路徑的時(shí)延和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳播的現(xiàn)象。圖21 加入瑞利信道的AM仿真波形由信道通信理論可知，信道衰落的快慢與發(fā)射端和接收端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大小有關(guān)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致接收信號(hào)的多普勒頻移。如圖所示AM系統(tǒng)信號(hào)通過單徑的瑞利衰落信道后信號(hào)功率波動(dòng)的情況。圖22 瑞利衰落信道信號(hào)功率由圖22分析可知，這一瑞利衰落信道的多普勒頻移最大分別為10Hz和100Hz。6.4 兩種信道下的AM系統(tǒng)性能比較從仿真結(jié)果可以分析,對(duì)于相同的信噪比，AM信號(hào)在加性高斯信道中的性能優(yōu)于多徑瑞利衰落信道。當(dāng)信噪比等于14dB時(shí)，加性高斯白噪聲信道的失真小于20%，而此時(shí)多徑瑞利衰落信道的高于40%。因此如果要在衰落信道中獲得與加性高斯白噪聲信道相同的傳輸效果，就需要增加信號(hào)的信噪比。仿真結(jié)果表明瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能的影響較大，這將會(huì)嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能。但是信道衰落又是不可避免的，因此，需要采取各種措施來提高通信系統(tǒng)的性能。例如，各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)譜技術(shù)等。7參考文獻(xiàn)1 樊昌信 曹麗娜 編著