DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設計與仿真_第1頁
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文檔簡介

1、 淮南師范學院電氣信息工程學院2014屆電子信息工程專業(yè)課程設計報告 課程設計報告題 目:DSB調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)的設計與仿真 學生姓名: 陳家寶 學生學號: 1008030205 系 別: 電氣信息工程 專 業(yè): 電子信息工程 屆 別: 2014屆 指導教師: 王千春 電氣信息工程學院制2013年3月DSB調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)的設計與仿真學生:陳家寶指導教師:王千春電氣信息工程學院 電子信息工程專業(yè)1課程設計的任務與要求1.1課程設計任務本課程設計是實現(xiàn)DSB的調(diào)制解調(diào)。在課程設計中,來理解DSB調(diào)制解調(diào)的具體過程和它在MATLAB中的實現(xiàn)方法。通過這個練習,認識DSB的調(diào)制解調(diào)原理,感受MATL

2、AB的操作使用方法。1.2課程設計要求(1)熟悉MATLAB中M文件的使用方法,掌握DSB信號的調(diào)制解調(diào)原理,以此為基礎用M文件編程實現(xiàn)DSB信號的調(diào)制解調(diào)。(2)繪制出SSB信號調(diào)制解調(diào)前后在時域和頻域中的波形,觀察兩者在解調(diào)前后的變化,通過對分析結(jié)果來加強對DSB信號調(diào)制解調(diào)原理的理解。(3)對信號分別疊加大小不同的噪聲后再進行解調(diào),繪制出解調(diào)前后信號的時域和頻域波形,比較未疊加噪聲時和分別疊加大小噪聲時解調(diào)信號的波形有何區(qū)別,由所得結(jié)果來分析噪聲對信號解調(diào)造成的影響。2系統(tǒng)方案制定2.1 DSB信號的模型在AM信號中,載波分量并不攜帶信息,信息完全由邊帶傳送。如果將載波抑制,只需在將直流

3、去掉,即可輸出抑制載波雙邊帶信號,簡稱雙邊帶信號(DSB)。在消息信號m(t)上不加上直流分量,則輸出的已調(diào)信號就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號,或稱抑制載波雙邊帶(DSB-SC)調(diào)制信號,簡稱雙邊帶(DSB)信號。DSB調(diào)制器模型如圖1,可見DSB信號實質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘。1DSB調(diào)制器模型1如圖1所示。m(t)sDSB(t)cosct乘法器圖1 DSB調(diào)制器模型 其中,設正弦載波為 (1)式中,為載波幅度;為載波角頻率;為初始相位(假定為0)。調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程,它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調(diào)是將位于載頻的信號頻譜再搬回來,并且不失真地恢復出原始基帶信號。雙

4、邊帶解調(diào)通常采用相干解調(diào)的方式,它使用一個同步解調(diào)器,即由相乘器和低通濾波器組成。在解調(diào)過程中,輸入信號和噪聲可以分別單獨解調(diào)。相干解調(diào)的原理框圖如圖2所示:Sm(t)低通濾波器mo(t)cos(ct+)乘法器(t)圖2 相干解調(diào)器的數(shù)學模型信號傳輸信道為高斯白噪聲信道,其功率為。2.2 DSB信號調(diào)制分析假定調(diào)制信號的平均值為0,與載波相乘,即可形成DSB信號,其時域表達式為 (2)式中,的平均值為0。DSB的頻譜為 (3)DSB信號的包絡不再與調(diào)制信號的變化規(guī)律一致,因而不能采用簡單的包絡檢波來恢復調(diào)制信號, 需采用相干解調(diào)(同步檢波)。另外,在調(diào)制信號的過零點處,高頻載波相位有180&#

5、176;的突變。除了不再含有載頻分量離散譜外,DSB信號的頻譜與AM信號的頻譜完全相同,仍由上下對稱的兩個邊帶組成。所以DSB信號的帶寬與AM信號的帶寬相同,也為基帶信號帶寬的兩倍1, 即 (4)式中,為調(diào)制信號的最高頻率。 2.3 高斯白噪聲信道特性分析在實際信號傳輸過程中,通信系統(tǒng)不可避免的會遇到噪聲,例如自然界中的各種電磁波噪聲和設備本身產(chǎn)生的熱噪聲、散粒噪聲等,它們很難被預測。而且大部分噪聲為隨機的高斯白噪聲,所以在設計時引入噪聲,才能夠真正模擬實際中信號傳輸所遇到的問題,進而思考怎樣才能在接受端更好地恢復基帶信號。信道加性噪聲主要取決于起伏噪聲,而起伏噪聲又可視為高斯白噪聲,因此我在

6、此環(huán)節(jié)將對雙邊帶信號添加高斯白噪聲來觀察噪聲對解調(diào)的影響情況。為了具體而全面地了解噪聲的影響問題,我將分別引入大噪聲(信噪比為20dB)與小噪聲(信噪比為2dB)作用于雙邊帶信號,再分別對它們進行解調(diào),觀察解調(diào)后的信號受到了怎樣的影響。在此過程中,我用函數(shù)來添加噪聲,此函數(shù)功能為向信號中添加噪聲功率為其方差的高斯白噪聲。加性高斯白噪聲2 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上的一種噪聲,通常記為n(t),而且無論有無信號,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

7、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。正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為 (5)故其有用信號功率為 (6)噪聲功率為 (7)信噪比滿足公式 (7)則可得到公式 (8)我們可以通過這個公式方便的設置高斯白噪聲的方差。為了便于比較,我顯示了雙邊帶信號加入兩種噪聲后的時頻波形圖。實現(xiàn)代碼2和波形如圖3:clf; %清除窗口中的圖形ts=0.01; %定義變量區(qū)間步長t0=2; %定義變量區(qū)間終止值t=-t0+0.0001:ts:t0; %定義變量區(qū)間fc=10; %給出相干載波的頻率A

8、=1; %定義輸入信號幅度fa=1; %定義調(diào)制信號頻率mt=A*cos(2*pi*fa.*t); %輸入調(diào)制信號表達式xzb=2; %輸入小信躁比(dB)snr=10.(xzb/10); h,l=size(mt); %求調(diào)制信號的維數(shù)fangcha=A*A./(2*snr); %由信躁比求方差nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); %產(chǎn)生小信噪比高斯白躁聲psmt=mt.*cos(2*pi*fc.*t); %輸出調(diào)制信號表達式psnt=psmt+nit; %輸出疊加小信噪比已調(diào)信號波形xzb=20; %輸入大信躁比(dB)snr1=10.(xzb/10); h,l=si

9、ze(mt); %求調(diào)制信號的維數(shù)fangcha1=A*A./(2*snr1); %由信躁比求方差nit1=sqrt(fangcha1).*randn(h,l); %產(chǎn)生大信噪比高斯白躁聲psnt1=psmt+nit1; %輸出已調(diào)信號波形subplot(2,2,1); %劃分畫圖區(qū)間plot(t,nit,'g'); %畫出輸入信號波形title('小信噪比高斯白躁聲');xlabel('Variable t');ylabel('Variable nit');subplot(2,2,2);plot(t,psnt,'b

10、9;);title('疊加小信噪比已調(diào)信號波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable psnt');subplot(2,2,3);plot(t,nit1,'r'); %length用于長度匹配title('大信噪比高斯白躁聲'); %畫出輸入信號與噪聲疊加波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable nit');subplot(2,2,4);plot(t,psnt1,'k');title(&#

11、39;疊加大信噪比已調(diào)信號波形'); %畫出輸出信號波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psmt');圖3 不同信噪比的噪聲及含噪聲的已調(diào)波形可以清晰地看出,加大噪聲后,解調(diào)信號的波形雜亂無章,起伏遠大于加小噪聲時的波形。造成此現(xiàn)象的原因是當信噪比較小時,噪聲的功率在解調(diào)信號中所占比重較大,所以會造成雜波較多的情況;而信噪比很大時,噪聲的功率在解調(diào)信號中所占比重就很小了,噪聲部分造成的雜亂波形相對就不是很明顯,甚至可以忽略。綜上所述,疊加噪聲會造成解調(diào)信號的失真,信噪比越小,失真程度越大。所以當信噪比低于一定大

12、小時,會給解調(diào)信號帶來嚴重的失真,導致接收端無法正確地接收有用信號。所以在解調(diào)的實際應用中,應該盡量減少噪聲的產(chǎn)生。2.4 DSB解調(diào)過程分析因為不存在載波分量,DSB信號的調(diào)制效率是100%,即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB信號的包絡不再與m(t)成正比,故不能進行包絡檢波,需采用相干解調(diào)。所謂相干解調(diào)是為了從接收的已調(diào)信號中,不失真地恢復原調(diào)制信號,要求本地載波和接收信號的載波保證同頻同相。相干解調(diào)的一般數(shù)學模型如圖所示1。 Sm(t)(t)低通濾波器mo(t)cos(ct+)乘法器圖4 DSB相干解調(diào)模型本地載波,也叫相干載波,必須與發(fā)送端的載波完成同步。即頻率相同時域分析如下:

13、(9)Sp(t)經(jīng)過低通濾波器LPF,濾掉高頻成份,為 (10)頻域分析如下: (11)式中的H()為LPF的系統(tǒng)函數(shù)。頻域分析的過程如圖所示。事實上本地載波和發(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解調(diào)結(jié)果的影響。設圖四的輸入為DSB信號 (12)乘法器輸出為 (13)通過低通濾波器后 (14) 當常數(shù)時,解調(diào)輸出信號為 (15) 2.5 DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)抗噪聲性能分析 由于加性噪聲只對已調(diào)信號的接收產(chǎn)生影響,因而調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能主要用解調(diào)器的抗噪聲性能來衡量。為了對不同調(diào)制方式下各種解調(diào)器性能進行度量,通常采用信噪比增益G(又稱調(diào)制制度增益)來表示解調(diào)器的抗

14、噪聲性能1。 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學模型如圖5所示。 m0(t)Sm(t)Sm(t)n(t)BFPni(t)解調(diào)器n0(t)加法器圖5 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學模型圖6中為已調(diào)信號,為加性高斯白噪聲。 和首先經(jīng)過帶通濾波器,濾出有用信號,濾除帶外的噪聲。經(jīng)過帶通濾波器后到達解調(diào)器輸入端的信號為 、噪聲為高斯窄帶噪聲,顯然解調(diào)器輸入端的噪聲帶寬與已調(diào)信號的帶寬是相同的。最后經(jīng)解調(diào)器解調(diào)輸出的有用信號為,噪聲為。Sm(t)Sm(t)ni(t)LFPn0(t)m0(t)BPFnp(t)cos乘法器加法器圖6 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學模型設解調(diào)器輸入信號為 (16)與相干載波相乘后,得 (17)經(jīng)低

15、通濾波器后,輸出信號為 (18)因此,解調(diào)器輸出端的有用信號功率為 (19)解調(diào)DSB信號時,接收機中的帶通濾波器的中心頻率與調(diào)制載頻相同,因此解調(diào)器輸出端的窄帶噪聲可表示為 (20)它與相干載波相乘后,得 (21)經(jīng)低通濾波器后,解調(diào)器最終的輸出噪聲為 (22)故輸出噪聲功率為 (23)這里,為DSB信號的帶通濾波器的帶寬。解調(diào)器輸入信號平均功率為 (24)可得解調(diào)器的輸入信噪比 (25)同時可得解調(diào)器的輸出信噪比 (26)因此制度增益為 (27)由此可見,DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2。也就是說DSB信號的解調(diào)器使信噪比改善了一倍。這是因為采用相干解調(diào),使輸入噪聲中的正交分量被消除的緣故。3

16、系統(tǒng)仿真3.1軟件介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言(如C、Fortran)的編輯模式,代表了當今國際科學計算軟件的先進水平3。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件,其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗

17、口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級,MATLAB的用戶界面也越來越精致,更加接近Windows的標準界面,人機交互性更強,操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng),極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng),程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行,而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析3。MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實

18、現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等,主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域3。MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù),可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果,而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下,可以用它來代替底層編程語言,如C和C+ 。在計算要求相同的情況下,使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣,特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運

19、算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等3。3.2仿真過程調(diào)制信號產(chǎn)生的代碼及波形為clf; %清除窗口中的圖形ts=0.01; %定義變量區(qū)間步長t0=2; %定義變量區(qū)間終止值t=-t0+0.0001:ts:t0; %定義變量區(qū)間fc=10; %給出相干載波的頻率A=1; %定義輸入信號幅度fa=1; %定義調(diào)制信號頻率mt=A*cos(2*pi*fa.*t); %輸入調(diào)制信號表達式ct=cos(2*pi*fc.*t); %輸入調(diào)制信

20、號表達式psnt=mt.*cos(2*pi*fc.*t); %輸出調(diào)制信號表達式subplot(3,1,1); %劃分畫圖區(qū)間plot(t,mt,'g'); %畫出輸入信號波形title('輸入信號波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable mt');subplot(3,1,2);plot(t,ct,'b'); %畫出輸入信號波形title('輸入載波波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable

21、 ct');subplot(3,1,3);plot(1:length(psnt),psnt,'r'); %length用于長度匹配title('已調(diào)信號波形'); %畫出已調(diào)信號波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psnt');運行結(jié)果:圖7 調(diào)制信號、載波、已調(diào)信號波形源程序:clf; %清除窗口中的圖形ts=0.01; %定義變量區(qū)間步長t0=2; %定義變量區(qū)間終止值t=-t0+0.0001:ts:t0; %定義變量區(qū)間fc=10; %給出相干載波的頻率A=1; %定義輸入

22、信號幅度fa=1; %定義調(diào)制信號頻率mt=A*cos(2*pi*fa.*t); %輸入調(diào)制信號表達式xzb=20; %輸入信噪比(dB)snr=10.(xzb/10); h,l=size(mt); %求調(diào)制信號的維數(shù)fangcha=A*A./(2*snr); %由信躁比求方差nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); %產(chǎn)生高斯白噪聲snit=mt+nit; %調(diào)制信號與噪聲疊加psmt=mt.*cos(2*pi*fc.*t); %輸出調(diào)制信號表達式pnit=nit.*cos(2*pi*fc.*t); %輸出噪聲表達式psnt=psmt+pnit; %輸出已調(diào)信號波形jic

23、=psnt.*cos(2*pi*fc.*t); %調(diào)制信號乘以相干載波ht=(2*pi*fc.*sin(2*pi*fc.*t)./(2*pi*fc.*t)./pi; %低通濾波器的時域表達式htw=abs(fft(ht); %低通濾波器的頻域表達式jt=conv(ht,jic); %解調(diào)信號的時域表達式subplot(3,3,1); %劃分畫圖區(qū)間plot(t,mt,'g'); %畫出輸入信號波形title('輸入信號波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable mt');subplot(3

24、,3,2);plot(t,nit,'b');title('輸入噪聲波形');xlabel('Variable t');ylabel('Variable nit');subplot(3,3,3);plot(1:length(snit),snit,'r'); %length用于長度匹配title('輸入信號與噪聲疊加波形'); %畫出輸入信號與噪聲疊加波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable snit');subplot(3,3,4)

25、;plot(t,psmt,'k');title('輸出信號波形'); %畫出輸出信號波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psmt');subplot(3,3,5);plot(t,pnit,'k');title('輸出噪聲波形'); %畫出輸出噪聲波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable pnit'); subplot(3,3,6);plot(t,psnt,'k');title('輸出信號與輸出噪聲疊加波形'); %畫出輸出信號與輸出噪聲疊加波形xlabel('Variable t');ylabel('Variable psnt');subplot(3,3,7);plot(1:length(htw),htw,'k');title('

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