通信原理課程設(shè)計---常規(guī)雙邊帶幅度調(diào)制仿真與分析

1、課 程 設(shè) 計課程設(shè)計名稱：常規(guī)雙邊帶調(diào)幅信號的仿真與分析 專 業(yè) 班 級 ： 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 課程設(shè)計時間： 1 需求分析調(diào)制是各種通信系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，也廣泛用于廣播、電視、雷達(dá)、測量儀等電子設(shè)備。調(diào)制是使消息載體的某些特性隨消息變化的過程。調(diào)制的作用是把消息置入消息載體，便于傳輸或處理。 由于從消息轉(zhuǎn)換過來的調(diào)制信號具有頻率較低的頻譜分量，這種信號在許多信道中不宜傳輸。因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調(diào)制過程，信號調(diào)制可以將信號的頻譜搬移到任意位置，從而有利于信號的傳送，并且是頻譜資源得到充分利用。調(diào)制作用的實質(zhì)就是使相同頻率范圍的信號分別依托于不同頻

2、率的載波上，同時在接受端則需要有解調(diào)過程從而還原出調(diào)制信號。接收機(jī)就可以分離出所需的頻率信號，不致相互干擾。在振幅調(diào)制中，根據(jù)所輸出已調(diào)波信號頻譜分量的不同，分為普通調(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。AM的載波振幅隨調(diào)制信號大小線性變化。DSB是在普通調(diào)幅的基礎(chǔ)上抑制掉不攜帶有用信息的載波，保留攜帶有用信息的兩個邊帶。SSB是在雙邊帶調(diào)幅的基礎(chǔ)上，去掉一個邊帶，只傳輸一個邊帶的調(diào)制方式。不同的調(diào)制技術(shù)對應(yīng)的解調(diào)方法也不盡相同。在分析信號的調(diào)制解調(diào)過程中系統(tǒng)的仿真和分析是簡便而重要步驟和必要的保證。本次通信原理綜合課程設(shè)計便是利用MATLAB對常規(guī)雙

3、邊帶調(diào)幅信號的仿真與分析。具體要求如下： 1掌握雙邊帶常規(guī)調(diào)幅信號的原理和實現(xiàn)方法。2 用MATLAB產(chǎn)生一個頻率為1Hz、功率為1的余弦信源，設(shè)載波頻率為10Hz，A2。3 用MATLAB畫出AM調(diào)制信號、該信號的功率譜密度、相干解調(diào)后的信號波形。分析在AWGN信道下，仿真系統(tǒng)的性能。 2 概要設(shè)計 2.1 幅度調(diào)制的一般模型幅度調(diào)制是用調(diào)制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。幅度調(diào)制器的一般模型如圖2-1所示。圖2-1 幅度調(diào)制器的一般模型圖中，為調(diào)制信號，為已調(diào)信號，為濾波器的沖激響應(yīng)，則已調(diào)信號的時域和頻域一般表達(dá)式分別為 （2-1） （2-2）式中，為調(diào)制信

4、號的頻譜，為載波角頻率。 由以上表達(dá)式可見，對于幅度調(diào)制信號，在波形上，它的幅度隨基帶信號規(guī)律而變化；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。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制，相應(yīng)地，幅度調(diào)制系統(tǒng)也稱為線性調(diào)制系統(tǒng)。 2.2 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM） 2.2.1. AM信號的表達(dá)式、頻譜及帶寬圖2-2 AM調(diào)制器模型AM信號的時域和頻域表示式分別為 （2-3） （2-4）式中，為外加的直流分量；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。AM信號的典型波形和頻譜分別如圖2-3（a）、（b）所示，圖中假定調(diào)制信號的上限頻率為。顯然，調(diào)制信號的

5、帶寬為。圖2-3 AM信號的波形與頻譜由圖2-3（a）可見，AM信號波形的包絡(luò)與輸入基帶信號成正比，故用包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)原始調(diào)制信號。 但為了保證包絡(luò)檢波時不發(fā)生失真，必須滿足 ，否則將出現(xiàn)過調(diào)幅現(xiàn)象而帶來失真。 由頻譜圖可知，AM信號的頻譜是由載頻分量和上、下兩個邊帶組成。上邊帶的頻譜與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。顯然，無論是上邊帶還是下邊帶，都含有原調(diào)制信號的完整信息。故AM信號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍，即 （2-5）式中，為調(diào)制信號的帶寬，為調(diào)制信號的最高頻率。2.2.2 AM信號的功率分配及調(diào)制效率 AM信號在1電阻上的平均功率應(yīng)

6、等于的均方值。當(dāng)為確知信號時，的均方值即為其平方的時間平均，即 （2-6） 因為調(diào)制信號不含直流分量，即，且，所以 （2-7）式中，為載波功率；為邊帶功率，它是調(diào)制信號功率的一半。 由此可見，常規(guī)雙邊帶調(diào)幅信號的平均功率包括載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率分量與調(diào)制信號有關(guān)，載波功率分量不攜帶信息。我們定義調(diào)制效率 （2-8）顯然，AM信號的調(diào)制效率總是小于1。2.2.3 AM信號的解調(diào) 調(diào)制過程的逆過程叫做解調(diào)。AM信號的解調(diào)是把接收到的已調(diào)信號還原為調(diào)制信號。 AM信號的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。（1）相干解調(diào) 由AM信號的頻譜可知，如果將已調(diào)信號的頻譜搬回到原點位置，

7、即可得到原始的調(diào)制信號頻譜，從而恢復(fù)出原始信號。解調(diào)中的頻譜搬移同樣可用調(diào)制時的相乘運算來實現(xiàn)。相干解調(diào)的原理框圖如圖2-4所示。圖2-4 相干解調(diào)原理 將已調(diào)信號乘上一個與調(diào)制器同頻同相的載波，得 （2-9）由上式可知，只要用一個低通濾波器，就可以將第1項與第2項分離，無失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號 （2-10） 相干解調(diào)的關(guān)鍵是必須產(chǎn)生一個與調(diào)制器同頻同相位的載波。如果同頻同相位的條件得不到滿足，則會破壞原始信號的恢復(fù)。（2）包絡(luò)檢波法由的波形可見，AM信號波形的包絡(luò)與輸入基帶信號成正比，故可以用包絡(luò)檢波的方法恢復(fù)原始調(diào)制信號。包絡(luò)檢波器一般由半波或全波整流器和低通濾波器組成，如圖3-5所示

8、。圖2-5 包絡(luò)檢波器一般模型圖2-6為串聯(lián)型包絡(luò)檢波器的具體電路及其輸出波形，電路由二極管D、電阻R和電容C組成。當(dāng)RC滿足條件 （2-11）時，包絡(luò)檢波器的輸出與輸入信號的包絡(luò)十分相近，即 （2-12） 包絡(luò)檢波器輸出的信號中，通常含有頻率為的波紋，可由LPF濾除。 圖2-6 串聯(lián)型包絡(luò)檢波器電路及其輸出波形 包絡(luò)檢波法屬于非相干解調(diào)法，其特點是：解調(diào)效率高，解調(diào)器輸出近似為相干解調(diào)的2倍；解調(diào)電路簡單，特別是接收端不需要與發(fā)送端同頻同相位的載波信號，大大降低實現(xiàn)難度。 AM信號可用相干解調(diào)和包絡(luò)檢波兩種方法解調(diào)，若用不同的方法解調(diào)，解調(diào)器輸出端將可能有不同的信噪比。實際中，AM信號的解調(diào)

9、器通常采用簡單的包絡(luò)解調(diào)法，此時解調(diào)器為線性包絡(luò)檢波器，它的輸出電壓正比于輸入信號的包絡(luò)變化。3 運行環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows xp應(yīng)用軟件：MATLAB編程語言：M語言4 詳細(xì)設(shè)計clear all;clc;A1=sqrt(2); A2=2; w1=2*pi; w2=20*pi;fs=60;t=0:1/fs:4y0=A1*cos(w1*t)%* 生成“高斯噪聲”*k=randn(1,length(y0);plot(length(y0),k);y1=A1*cos(w1*t)+k ; ;figure(1);subplot(1,1,1) ;plot(y0);title('通過加性高斯白

10、系統(tǒng)原信號');y2=A2*cos(w2*t)%*調(diào)制*y3=y1.*y2figure(2);subplot(2,1,1)plot(t,y3) ;title('以調(diào)制信號時域圖')%*進(jìn)行FFT變換并做頻譜圖*N1=length(t)k=-N1/2:N1/2-1f=k*fs/N1y=fftshift(fft(y3); %進(jìn)行fft變換mag1=abs(y); %求幅值figure(2);subplot(2,1,2)plot(f,mag1.2);%做頻譜圖title('以調(diào)制信號頻譜');%*解調(diào)*y4=y3.*y2N2=length(y4);n=0:N2

11、-1;f=n*fs/N2-fs/2;F2=fftshift(fft(y4);mag2=abs(F2);%求幅值figure(3);subplot(3,1,1)plot(f,mag2);%做頻譜圖title('解調(diào)濾波前頻譜');% *切比雪夫1型低通濾波器*ft=fs;fp=2;f1=4wp=2*pi*fp/ft; ws=2*pi*f1/ft;omegp=tan(wp/2);omegs=tan(ws/2);omega=1;omegb=omegp/omegs;n,wn=cheb1ord(omega,omegb,1,40,'s');b,a =cheby1(n,1,

12、wn, 's');num,den=bilinear(b,a,0.5);%*以調(diào)信號濾波，濾出信號*h1=filter(num,den,y4);%解調(diào)信號頻譜分析N3=length(t);n=0:N3-1;f=n*ft/N3-ft/2;F3=fftshift(fft(h1);mag3=abs(F3);%求幅值figure(3);subplot(3,1,2)plot(f,mag3);%做頻譜圖title('解調(diào)濾波后含加性高斯噪聲信號頻譜');%*原信號于濾出波形對比*N=length(y1);n=0:N-1;f=n*fs/N-fs/2;F1=fftshift(ff

13、t(y1);mag=abs(F1);%求幅值figure(3);subplot(3,1,3)plot(f,mag);%做頻譜圖title('原信號頻譜');figure(4);subplot(2,1,1);plot(t,y1)title('原始信號含加性高斯噪聲信號時域圖');figure(4);subplot(2,1,2);plot(t,h1)title('解調(diào)濾波后含加性高斯噪聲信號時域圖');5 調(diào)試分析1、對以調(diào)信號進(jìn)行FFT變換，起初用的是代碼：F1=fft(); （5-1）2、運行程序后產(chǎn)生的頻譜圖兩邊的高頻頻譜不完整，只有一個頻率分

14、量，起初認(rèn)為是在調(diào)制時發(fā)生錯誤，后經(jīng)分析頻譜是正確的，因為頻譜實質(zhì)是一個周期為2周期譜，出現(xiàn)邊頻不完整，是因為顯示范圍的原因，后改為： F1=fftshift(fft( ); （5-2）頻譜顯示正確。3、希望顯示的頻譜其中心頻率在f=0Hz的地方，在歸一化時，長度計算錯誤，起初用的代碼是 f=n*fs/N （5-3）經(jīng)過分析， f=n*fs/N-fs/2; （5-4）4、濾波器起初對信號無法很好的濾出，原因在于濾波器的采樣頻率與信號的采樣頻率不匹配。6 測試結(jié)果 因為要在AWGN信道下進(jìn)行分析,所以在運行程序時,直接對原信號進(jìn)行了y1=y+k 處理,以下全是原信號在AWGN信道下仿真分析圖6-

15、1 未通過加性高斯白系統(tǒng)的信號波形 圖6-2原始信號與經(jīng)過加性高斯白信道后的信號圖 圖6-3經(jīng)過10Hz載波的調(diào)制后，產(chǎn)生9Hz和11Hz兩個邊頻 經(jīng)過同頻同相的信號進(jìn)行相干解調(diào)后，頻譜被搬移到兩倍的載頻處20Hz(頻譜幅度較小),同時在1Hz處是原始信號的頻率分量，根據(jù)頻譜，確定濾波器的通帶頻率fp=2Hz，阻帶頻率為4Hz。參考文獻(xiàn)1 孫屹.MATLAB通信仿真開發(fā)手冊. 國防工業(yè)出版社 2 李建新.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATLAB通信工具箱.西安電子科技大學(xué)出版社3 曹志剛.現(xiàn)代通信原理.清華大學(xué)出版社 4 樊昌信. 通信原理.國防工業(yè)出版社 心得體會 本次設(shè)計開始先針對題目進(jìn)行分析，將所涉及的波形，頻譜及相關(guān)函數(shù)做了研究，大體撒謊能夠把握了設(shè)計的流程以及思路。再通過查閱相關(guān)資料，能對相關(guān)的知識做正確的記錄，以便隨時查看。在問題的分析階段中，就原始信號的頻率和載波信號的頻率做了比較，確定了具體的方案后，在針對matlab中的有關(guān)畫圖處理函數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，這樣就提高了學(xué)習(xí)的針對性，同時節(jié)約了設(shè)計的時間。本實驗所仿真的內(nèi)容都是通信仿真中非常基礎(chǔ)的實驗，通過對這些實驗的演示，有助于我把一些抽象的概念、原理具體化，進(jìn)而加深對這些概念、原理的理解。并且通過自己的努力，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)的函數(shù)，通過設(shè)計前后的分析，大大提高了自己解決問題的能力。而在設(shè)計過程中通過對錯誤的改正，