武漢理工大學(xué)信號(hào)處理分析課設(shè)報(bào)告

1、武漢理工大學(xué)信號(hào)分析處理課程設(shè)計(jì)說明書目錄摘要11 DSB調(diào)制與解調(diào)的基本原理21.1 DSB調(diào)制原理21.2 DSB解調(diào)原理32 Simulink仿真電路42.1 調(diào)制模塊42.2 調(diào)制后加入高斯白噪聲62.3 解調(diào)與低通濾波模塊82.4 總體模型103 MATLAB程序代碼113.1 系統(tǒng)框圖113.3 噪聲部分133.4 帶通濾波部分143.5 解調(diào)部分153.6 低通濾波部分164 心得體會(huì)175 參考文獻(xiàn)18附錄19摘要信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。調(diào)制過程實(shí)際上是一個(gè)頻譜搬移的過程，即是將低頻信號(hào)的頻譜（調(diào)制信號(hào)）搬移到載頻位置（載波）。而解調(diào)是調(diào)制的逆過程，即是將已

2、調(diào)制信號(hào)還原成原始基帶信號(hào)的過程。調(diào)制與解調(diào)方式往往能夠決定一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。幅度調(diào)制就是一種很常見的模擬調(diào)制方法，在AM信號(hào)中，載波分量并不攜帶信息，仍占據(jù)大部分功率，如果抑制載波分量的發(fā)送，就能夠提高功率效率，這就抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB-SC（Double Side Band with Suppressed Carrier），因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB-SC信號(hào)的調(diào)制效率就是100%，即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB-SC信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，需采用同步檢波來解調(diào)。這種解調(diào)方式被廣泛應(yīng)用在載波通信和短波無線電話通信中。但

3、是由于在信道傳輸過程中必將引入高斯白噪聲，雖然經(jīng)過帶通濾波器后會(huì)使其轉(zhuǎn)化為窄帶噪聲，但它依然會(huì)對(duì)解調(diào)信號(hào)造成影響，使其有一定程度的失真，而這種失真是不可避免的。本文介紹了M文件編程和Simulink兩種方法來仿真DSB-SC系統(tǒng)的整個(gè)調(diào)制與解調(diào)過程。關(guān)鍵詞 DSB-SC調(diào)制 同步檢波 信道噪聲 M文件 Simulink仿真1 DSB調(diào)制與解調(diào)的基本原理1.1 DSB調(diào)制原理在消息信號(hào)m(t)上不加上直流分量，則輸出的已調(diào)信號(hào)就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，或稱抑制載波雙邊帶（DSB-SC）調(diào)制信號(hào)，簡(jiǎn)稱雙邊帶（DSB）信號(hào)。DSB調(diào)制器模型如圖3-1，可見DSB信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是基帶信號(hào)與載波直接

4、相乘。圖1-1 DSB信號(hào)調(diào)制器模型其時(shí)域和頻域表示式分別如下 (式3-1) (式3-2)除不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號(hào)的頻譜與AM信號(hào)的完全相同，仍由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成。故DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬與AM信號(hào)相同，也為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。 圖1-2 DSB信號(hào)的波形與頻譜1.2 DSB解調(diào)原理因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB信號(hào)的調(diào)制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與m(t)成正比，故不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)。圖1-3 DSB信號(hào)相干解調(diào)模型圖3-3中SL(t)為本地載波，也叫相干載波，必須與發(fā)送端的載波完成同步。即

5、頻率相同時(shí)域分析如下： Sp(t)經(jīng)過低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，為 頻域分析如下： 式中的H()為LPF的系統(tǒng)函數(shù)。頻域分析的過程如圖3-4所示。事實(shí)上本地載波和發(fā)端載波完全一致的條件是是不易滿足的，因此，需要討論有誤差情況下對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響。圖1-4 DSB信號(hào)相干解調(diào)過程示意圖2 Simulink仿真電路2.1 調(diào)制模塊新建一個(gè)仿真空白模型，將DSB信號(hào)調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中。圖4-3中Sine wave為正弦基帶信號(hào)、Sine wave1為正弦載波，均使用離散化的信號(hào)。product為乘法器。連接各模塊如下圖所示。圖2-1 DSB調(diào)制模型雙擊模塊設(shè)置基帶信號(hào)屬性：幅度為2，

6、頻率為2HZ，初相位為0，離散方式，采樣間隔為0.002s。用同樣的方式設(shè)置載波信號(hào)屬性:幅度為2，頻率為50HZ，初相位為0，離散方式，采樣間隔為0.002s。示波器得到的波形及頻譜如下：圖2-2 調(diào)制信波形圖2-3 載波信號(hào)波形圖2-4 已調(diào)信號(hào)波形圖2-5 調(diào)制信號(hào)的頻譜 圖2-6 已調(diào)信號(hào)的頻譜從圖中可以清楚地看出，雙邊帶信號(hào)時(shí)域波形的包絡(luò)不同于調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。在調(diào)制信號(hào)零點(diǎn)前處已調(diào)波的相位發(fā)生了180°的突變。在調(diào)制信號(hào)的正半周期內(nèi)，已調(diào)波的高頻相位與載波相同，在調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周期內(nèi)，已調(diào)波的高頻相位與載波相反。并且雙邊帶的帶寬為基帶信號(hào)的兩倍。2.2 調(diào)制后加入高斯白

7、噪聲加性高斯白噪聲 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪聲與干擾模型。加性噪聲是疊加在信號(hào)上的一種噪聲，通常記為n(t)，而且無論有無信號(hào)，噪聲n(t)都是始終存在的。因此通常稱它為加性噪聲或者加性干擾。若噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數(shù)，則稱這樣的噪聲為白噪聲。如果白噪聲取值的概率分布服從高斯分布，則稱這樣的噪聲為高斯白噪聲。在通信系統(tǒng)中，經(jīng)常碰到的噪聲之一就是白噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在信道中加入高斯白噪聲，把Simulink中的AWGN模塊加入到模型中。圖2-7 高斯白噪聲信道傳輸模型圖2-8 高斯白噪聲信道傳輸波形圖2

8、-9 高斯白噪聲信道傳輸波形的頻譜與已調(diào)信號(hào)相比較可看出，波形出現(xiàn)了一定程度的失真。失真是隨著信噪比SNR的變化而變化的，SNR越小，通過AWGN信道的波形就越接近理想信道波形。2.3 解調(diào)與低通濾波模塊因?yàn)镈SB信號(hào)包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來恢復(fù)基帶信號(hào)，而必須采用相干解調(diào)。相干解調(diào)也稱同步檢波，是指用載波乘以一路與載波相干（同頻同相）的參考信號(hào)，再通過低通濾波器即可輸出解調(diào)信號(hào)。圖2-10 相干解調(diào)模塊模型這里的數(shù)字濾波器用到了Simulink模型庫中的FDATool，雙擊模塊可以選擇濾波器類型及更改參數(shù)。在這里選擇了低通Elliptic濾波器，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

9、它具有很好的頻響特性。根據(jù)系統(tǒng)基帶信號(hào)頻率范圍和載波的頻率，設(shè)置其通帶和截止頻率分別為40、60。圖2-11 解調(diào)濾波后的輸出波形圖2-12 解調(diào)濾波后的輸出波形的頻譜2.4 總體模型圖2-13 總體模型圖圖2-14 總體仿真圖3 MATLAB程序代碼3.1 系統(tǒng)框圖調(diào)制信號(hào)調(diào)制器信道接收濾波器載波解調(diào)器噪聲低通濾波解調(diào)信號(hào)3.2 調(diào)制部分代碼:Fs = 500;t=0:999/Fs;Fc = 50;x = 2*sin(2*pi*2*t);N=length(x);z0=fft(x);z0 = abs(z0(1:length(z0)/2+1);frq0 = 0:length(z0)-1*Fs/l

10、ength(z0)/2;figure(1);subplot(2,1,1); plot(x); grid;title('原始信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq0,z0); grid;title('原始信號(hào)的頻譜');%雙邊帶調(diào)制y1 = ammod(x,Fc,Fs);z1 = fft(y1);z1 = abs(z1(1:length(z1)/2+1);frq1 = 0:length(z1)-1*Fs/length(z1)/2;figure(2);subplot(2,1,1); plot(y1); grid;title('雙邊帶信號(hào)&

11、#39;);subplot(2,1,2); plot(frq1,z1);title('雙邊帶信號(hào)的頻譜');grid;輸出圖:圖3-1 原始信號(hào)波形及其頻譜圖3-2 已調(diào)信號(hào)波形及其頻譜3.3 噪聲部分代碼:%噪聲noisy=randn(1,N); y2=y1+noisy/2;z2=fft(y2);%frq2=0:N-1*Fs/N;frq2 = 0:length(z2)-1*Fs/length(z2);figure(3);subplot(2,1,1); plot(y2); grid;title('加入噪聲后的信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(f

12、rq2,abs(z2); grid;title('加入噪聲后信號(hào)的頻譜');輸出圖:圖3-3 加入噪聲后信號(hào)波形圖及其頻譜3.4 帶通濾波部分代碼：%帶通濾波器rp=1;rs=10; wp=2*pi*45,55;ws=2*pi*40,60;N,wc=buttord(wp,ws,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'s');Bz,Az=impinvar(B,A,Fs);y3=filter(Bz,Az,y2);z3=fft(y3);figure(4);subplot(2,1,1); plot(y3); grid;title('

13、;帶通濾波后的的信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq2,abs(z3); grid;title('帶通濾波后信號(hào)的頻譜');輸出圖：圖3-4 帶通濾波后信號(hào)波形及其頻譜3.5 解調(diào)部分代碼：%解調(diào)y4 = amdemod(y3,Fc,Fs,0,0);z4=fft(y4);z4 = abs(z4(1:length(z4)/2+1);frq4 = 0:length(z4)-1*Fs/length(z4)/2;figure(5);subplot(2,1,1); plot(y4); grid;title('解調(diào)后的信號(hào)');subplot(

14、2,1,2); plot(frq4,z4);grid;title('解調(diào)后的信號(hào)的頻譜');輸出圖：圖3-5 解調(diào)后信號(hào)波形圖及其頻譜3.6 低通濾波部分代碼：%低通濾波器fp1=1;fs1=4;rp1=1;rs1=10; wp1=2*pi*fp1;ws1=2*pi*fs1; N1,wc1=buttord(wp1,ws1,rp1,rs1,'s'); B1,A1=butter(N1,wc1,'s'); Bz1,Az1=impinvar(B1,A1,Fs); y5=filter(Bz1,Az1,y4); z5=fft(y5);z5 = abs(z5(

15、1:length(z5)/2+1);frq5 = 0:length(z5)-1*Fs/length(z5)/2;figure(6);subplot(2,1,1); plot(y5); grid;title('低通濾波后的信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq5,z5);grid;title('低通濾波后信號(hào)的頻譜');輸出圖：圖3-6 低通濾波后信號(hào)波形圖及其頻譜4 心得體會(huì) 5 參考文獻(xiàn)1 樊昌信，曹麗娜. 通信原理. 北京：國防工業(yè)出版社，20062 達(dá)新宇通信原理實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：北京郵電大學(xué)出版社，20033 徐遠(yuǎn)明. MATLAB

16、仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 20054 張化光, 孫秋野. MATLAB/Simulink實(shí)用教程. 北京：人民郵電出版社，20095 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真基礎(chǔ). 北京：西安電子科技大學(xué)出版社，20026 鄧華MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解北京：國防工業(yè)出版社，2003附錄MATLAB完整程序代碼：%原始信號(hào)Fs = 500;t=0:999/Fs;Fc = 50;x = 2*sin(2*pi*2*t);N=length(x);z0=fft(x);z0 = abs(z0(1:length(z0)/2+1);frq0 = 0:length

17、(z0)-1*Fs/length(z0)/2;figure(1);subplot(2,1,1); plot(x); grid;title('原始信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq0,z0); grid;title('原始信號(hào)的頻譜');%雙邊帶調(diào)制y1 = ammod(x,Fc,Fs);z1 = fft(y1);z1 = abs(z1(1:length(z1)/2+1);frq1 = 0:length(z1)-1*Fs/length(z1)/2;figure(2);subplot(2,1,1); plot(y1); grid;title(

18、'雙邊帶信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq1,z1);title('雙邊帶信號(hào)的頻譜');grid;%噪聲noisy=randn(1,N); y2=y1+noisy/2;z2=fft(y2);%frq2=0:N-1*Fs/N;frq2 = 0:length(z2)-1*Fs/length(z2);figure(3);subplot(2,1,1); plot(y2); grid;title('加入噪聲后的信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq2,abs(z2); grid;title('加入噪聲后

19、信號(hào)的頻譜');%帶通濾波器rp=1;rs=10; wp=2*pi*45,55;ws=2*pi*40,60;N,wc=buttord(wp,ws,rp,rs,'s');B,A=butter(N,wc,'s');Bz,Az=impinvar(B,A,Fs);y3=filter(Bz,Az,y2);z3=fft(y3);figure(4);subplot(2,1,1); plot(y3); grid;title('帶通濾波后的的信號(hào)');subplot(2,1,2); plot(frq2,abs(z3); grid;title('帶通濾波后信號(hào)的頻譜');%