SSB單邊帶調(diào)制與解調(diào)解析

1、陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)引言隨著通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，頻道擁擠的問(wèn)題日益突出，占用較窄頻帶或能在同一頻段內(nèi)容納更 多用戶的通信技術(shù)日漸受到了人們的重視。本次課設(shè)的目的是通過(guò)學(xué)習(xí)和掌握電路設(shè)計(jì)于仿真軟件 的基礎(chǔ)上，按照要求設(shè)計(jì)一個(gè)普通調(diào)幅的調(diào)制解調(diào)電路并進(jìn)行仿真，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，為今后的 學(xué)習(xí)和工作積累經(jīng)驗(yàn)。此外，該題目涵蓋了通信原理、電路分析、模擬電子、通信電子線路等主要課程的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)該題目的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以初步掌握各種元器件工作原理和電路 設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)原理，得到系統(tǒng)的訓(xùn)練，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)現(xiàn)SSB的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。單邊帶幅度調(diào)制(Single Side Band Ampl

2、itude Modulation )只傳輸頻帶幅度調(diào)制信號(hào)的一個(gè)邊 帶，使用的帶寬只有雙邊帶調(diào)制信號(hào)的一半，具有更高的頻率利用率，成為一種廣泛使用的調(diào)制方 式。本文在介紹單邊帶調(diào)制與解調(diào)的方法后，利用 Multisim對(duì)單邊帶調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。1設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)原理單邊帶調(diào)制是幅度調(diào)制中的一種。幅度調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制 信號(hào)作線性變化的過(guò)程。在波形上，幅度已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而呈正比地變化；在頻 譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移。常見(jiàn)的調(diào)幅(AM、雙邊帶(DSB、殘留邊帶(VSB)等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾種典型的實(shí)例。單邊帶調(diào)制(S

3、SB)信號(hào)是將雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶濾掉而形成的。根據(jù)濾除方法的不同，產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法有：濾波法和相移法。濾波法單邊帶調(diào)制就是只傳送雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶(上邊帶或下邊帶)。產(chǎn)生單邊帶信號(hào)最直接、最常用的是濾波法，就是從雙邊帶信號(hào)中濾出一個(gè)邊帶信號(hào)，圖 1.1是濾波法模型的示意圖。m (t)Sdsb (t)冬)+ 啊 I載流亡圖1.1濾波法SSB信號(hào)調(diào)制單邊帶信號(hào)的頻譜如圖1.2所示，圖中Hsb(co)是單邊帶濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，即H sSB(t)的傅里葉變換。若保留上邊帶，則HSsb ( w )應(yīng)具有tWj通特性如圖 1.2 (b)所不 :(1.1)單邊帶信號(hào)的頻譜如圖1.2 (c)所示：

4、若保留下邊帶，則應(yīng)具有低通特性如圖1.2 (d)所示：(1.2)單邊帶信號(hào)的頻譜如圖1.2 (e)所示：第1頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)八圖1.2濾波法形成單邊帶信號(hào)頻譜圖I1.1.2 相移法單邊帶信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為:憶的 缶=5f 缶 sin/f上(1.3)(1.4)這里,第1是/伯的希爾伯特變換。從表達(dá)式可以得到單邊帶調(diào)制信號(hào)相移法的一般模型框圖圖1.3所示：希爾伯特變換H (w)及有關(guān)特性為：定義 :； - 戶=w卜7貝 $區(qū)同式中第2頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)顯然，/缶信號(hào)通過(guò)傳遞函數(shù)為 -JS以G）的濾波器，即可得到丁。具有傳遞函數(shù) 陽(yáng)*-j飛酬吟的濾波器稱為希爾伯特濾波器。的

5、：6傳遞函數(shù)的模和相位特性如圖1.4所示。從圖1.4可見(jiàn)，希爾伯特濾波器是一個(gè)寬帶90 0移相網(wǎng)絡(luò)，是正交變換網(wǎng)絡(luò)。圖1.4 希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)1.2相干解調(diào)解調(diào)就是把接收到的SSB言號(hào)經(jīng)過(guò)處理，濾掉載波成分，使之還原成發(fā)射之前的有用的信息。SSB信號(hào)的解調(diào)方法主要有兩種，一個(gè)是相干解調(diào)法，另一個(gè)是包絡(luò)檢波。相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號(hào)的譜搬到 了載頻位置，這一過(guò)程可以通過(guò)一個(gè)相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過(guò)程，即把在載 波位置的已調(diào)信號(hào)的譜搬回到原始基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào) 器的一般模型如圖1.5所

6、示：LPFy圖1.5相干解調(diào)一般模型相干解調(diào)時(shí)，為了無(wú)失真地恢復(fù)原基帶星信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)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(hào)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信號(hào)。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)Simulink工作環(huán)境在MATLAB命令窗口，單擊工具欄上的1熱按鈕可進(jìn)入Simulik 。模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分為以下8類子庫(kù)：Continuous （連續(xù)模塊）Discrete （離散模塊）Function&Tables （函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math （數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear （非線性模塊）Signals&Systems （信號(hào)和系統(tǒng)模塊）S

7、inks （接收器模塊）Sources （輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫(kù)中的模塊來(lái)組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫(kù)、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫(kù)中的仿真模塊組織成三級(jí)樹(shù)結(jié)構(gòu)Simulink 子模型庫(kù)中包含了 Continous、Discontinus 等下一級(jí)模型庫(kù) Continous模型庫(kù)中又包含 了若干模塊，可直接加入仿真模型。圖 2.1為Simulink工具模塊頁(yè)面第3頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)_/，1 hrTTliMIi -匚y F y 口 |j u - 11 T mji a, - s - - s - IH 4 q 工 h aa d.d *-

8、el T ( t士 gvI. 1 1 嗎二 I . E. h i二.-8_qji 仁 Ifl 丸 qj,H ji T . Bjg,b- -d.-d- -d. X ur *婦d=VXlX止El匕aF ar .七三3r TTX EZH口口口1 圖2.1 Simulink 工具頁(yè)面SSB信號(hào)調(diào)制調(diào)制模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置在MATLAB的集成仿真環(huán)境Simulink中建立單邊帶調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)模型并實(shí)現(xiàn)對(duì)它的動(dòng)態(tài)仿真，SS萌制系統(tǒng)*II型如圖2.2 ,調(diào)制信號(hào)m (t)參數(shù)設(shè)置為，幅值為 2,頻率為1。載波信號(hào)c (t)參數(shù) 為幅值為2,頻率為10。圖2.2 SSB調(diào)制邊帶濾波器參數(shù)設(shè)置如圖2.3所示:第4

9、頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)口士言:三匚 method : 5utt=rrcrthFilt*r typ*: LandpAiS*.= i* -*. = *- -pM.二匚匚三7匚三二總，三白fn.-:r圖2.3邊帶濾波器參數(shù)設(shè)置2.2.2仿真結(jié)果與分析調(diào)制模塊的仿真波形圖如圖2.4所示。第1路是調(diào)制信號(hào)波形，第 2路是載波信號(hào)波形，第 3路是DSB制后信號(hào)波形，第 4路是SSB調(diào)制后信號(hào)波形。圖2.4仿真結(jié)果圖調(diào)制模塊中各階段波形的功率譜如圖2.5圖2.8所示。第5頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.5輸入信號(hào)功率譜Time history圖2.6載波信號(hào)功率譜圖2.7 DSB信號(hào)功率譜第6頁(yè)

10、共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.8 SSB調(diào)制信號(hào)功率譜分析可知，調(diào)制信號(hào)頻率為載波的頻率為10。調(diào)制信號(hào)先與載波相乘得雙邊帶信號(hào)，再通過(guò)帶通濾波器得上邊帶信號(hào)。調(diào)制過(guò)程中信號(hào)功率譜的形狀不變，只是頻率的搬移，符合線性調(diào)制的原 理。SSB相干解調(diào)解調(diào)模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置相干系統(tǒng)模型如圖 2.9:二口工 r 導(dǎo)匚口白史翁。二Se = cfalDensity tFScicfaJ二總E臨圖2.9相干解調(diào)低通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖2.10所示:F五圖2.10相干解調(diào)低通濾波器參數(shù)設(shè)置仿真結(jié)果及分析SSB相干解調(diào)仿真波形如圖2.11所示。第1路是輸入信號(hào)波形，第2路是已調(diào)信號(hào)波形，第路是通過(guò)相乘器后波形，第

11、 4路是解調(diào)后的波形圖。第7頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.11 SSB相干解調(diào)信號(hào)波形分析可知，解調(diào)后的波形和原輸入信號(hào)波形一樣，符合設(shè)計(jì)要求。相干解調(diào)模塊中各過(guò)程信號(hào)功率譜如圖2.12圖2.14所示。圖2.12輸入信號(hào)功率譜圖2.13 SSB已調(diào)信號(hào)功率譜第8頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.14相干解調(diào)信號(hào)功率譜調(diào)制實(shí)現(xiàn)了功率譜的搬移，解調(diào)后的信號(hào)功率譜和原信號(hào)功率譜一樣，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。加入高斯噪聲的調(diào)制與解調(diào)模型構(gòu)建高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在調(diào)制信號(hào)上加入高斯噪聲，把 Simulink噪聲源下的高斯噪聲模塊

12、(Gaussian Noise Generator )加入到模型中。圖 2.15中加了兩個(gè)高斯噪聲模塊，為比較高斯噪聲均值不同或 方差不同時(shí)對(duì)信道的影響，將兩個(gè)高斯噪聲模塊參數(shù)設(shè)置不同，以作比較。加入高斯噪聲后調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)模型如圖2.15所示：“ta二 t sLisiarr N&is#力 = r=:rst：r2Densitj-1圖2.15加入噪聲后系統(tǒng)模型仿真結(jié)果及分析(1)波形失真與高斯噪聲均值的關(guān)系各低通濾波器均設(shè)置為頻帶邊緣頻率為10,仿真結(jié)果如圖2.16所示:第9頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.16方差相同、不同均值對(duì)信號(hào)影響第1路為相干解調(diào)信號(hào)波形（理想通道下），第2路為加入均

13、值為0.5方差為0的高斯噪聲時(shí)解調(diào)信號(hào)波形，第3路為均值為1方差為0的高斯噪聲時(shí)解調(diào)信號(hào)波形。由仿真結(jié)果分析得分析得， 加入高斯噪聲方差相同，均值越大，解調(diào)后失真越大。圖2.17-2.19為相干解調(diào)模塊中加入不同高斯噪聲后各過(guò)程信號(hào)功率譜。圖2.17理想信道下輸出信號(hào)功率譜Q-2圖2.18噪聲均值為0.5方差為0輸出信號(hào)功率譜第10頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)Powe廛限2弱汨gnsity51015202530 Fraouenc kads?s&ci .圖2.19噪聲均值為1方差為0輸出信號(hào)功率譜由仿真結(jié)果得，高斯噪聲均值為0.5 ,方差為0時(shí)，波形相對(duì)原波形失真較小。在功率譜上產(chǎn)生了一個(gè)比原

14、信號(hào)功率小得多的分量。高斯噪聲均值為1,方差為0時(shí)，波形較大。在功率譜上產(chǎn)生了一個(gè)較大的分量。當(dāng)高斯噪聲均值大于2時(shí)，波形幾乎完全失真，在功率譜上產(chǎn)生了一個(gè)比原信號(hào)功率大的分量。分析可知，高斯噪聲的均值越大，輸出信號(hào)失真越大。(2)波形失真與高斯噪聲方差的關(guān)系不同方差下仿真結(jié)果如圖 2.20所示，第一路為理想信道下輸出信號(hào)波形。第2路為加入噪聲均值為0,方差為0.1時(shí)輸出噪聲波形。第3路為加入噪聲均值為0方差為1時(shí)輸出噪聲波形。02468101214161820圖2.20均值相同不同方差噪聲對(duì)信號(hào)影響圖2.21-2.22為相干解調(diào)模塊中加入不同高斯噪聲后各過(guò)程信號(hào)功率譜第11頁(yè)共15頁(yè)陜西理工

15、學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.21噪聲均值為0方差為0.1時(shí)輸出信號(hào)功率譜Power Spectral Density1015202530Frequency (radsJsec)圖2.22噪聲均值為0方差為1時(shí)輸出信號(hào)功率譜高斯噪聲均值為0,方差為0.1時(shí)，輸出信號(hào)波形相對(duì)原波形失真較小。功率譜如圖26所示，在功率譜上產(chǎn)生了一些比原信號(hào)功率小彳#多的分量。高斯噪聲均值為0,方差為1時(shí)輸出信號(hào)波形失真增大。其功率譜如圖27所示，在功率譜上產(chǎn)生了一些比較大的功率分量。當(dāng)噪聲方差大于2時(shí),波形輸出信號(hào)波形幾乎完全失真，在功率譜上產(chǎn)生了很多比原信號(hào)功率大的雜波分量。分析可知， 高斯噪聲的方差越大，輸出信號(hào)失真越大

16、。(3)濾波器參數(shù)對(duì)信道的影響當(dāng)濾波器邊緣頻率設(shè)置不同值時(shí)，加入高斯噪聲參數(shù)相同，在此條件下比較邊緣頻率設(shè)置值對(duì)濾波性能影響，仿真結(jié)果如圖2.23所示：第12頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.23不同濾波器參數(shù)參數(shù)對(duì)信道影響第1路為理想信道下信號(hào)輸出波形，第 2路為高斯噪聲均值為1,方差為0.1 ,濾波器邊緣頻率 為10時(shí)信輸出信號(hào)波形，第 3路為高斯噪聲均值為 1 ,方差為0.1 ,濾波器邊緣頻率為 8時(shí)信輸出 信號(hào)波形，可見(jiàn)，濾波器邊緣頻率設(shè)置越小，即濾除高頻成分越多，則濾波效果越好。兩種設(shè)置下 輸出信號(hào)功率譜如圖 2.24所示：51015202530圖2.24濾波器邊緣頻率為10時(shí)輸出

17、信號(hào)功率譜圖2.25濾波器邊緣頻率為8時(shí)輸出信號(hào)功率譜由圖知，濾波器邊緣頻率為10時(shí)，在功率譜上產(chǎn)生了一個(gè)較大的分量，當(dāng)濾波器邊緣頻率設(shè)置減小時(shí)，頻譜上分量減小。當(dāng)邊緣頻率值為7時(shí)，頻譜分量幾乎消失。當(dāng)邊緣頻率值為5時(shí)，波形幾乎能完全無(wú)失真解調(diào)出來(lái)。不同噪聲對(duì)信道影響不同噪聲對(duì)信道影響不同，圖 2.26為加入高斯噪聲和均衡噪聲的比較。第13頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)圖2.26不同噪聲對(duì)信道影響第1路為理想通道下輸出信號(hào)波形；第 2路為加入高斯噪聲時(shí)輸出信號(hào)波形，高斯噪聲均值或 方差越大，輸出信號(hào)失真越厲害；第 3路為加入均衡噪聲后信號(hào)輸出波形，噪聲上屆值越大，波形 失真越大；第4路為加入瑞

18、利噪聲后輸出信號(hào)波形， sigma值越大，輸出信號(hào)波形失真越大。3總結(jié)本課程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn) SSB的調(diào)制與相干解調(diào)，以及在不同噪聲下對(duì)信道的影響。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(guò)程是一個(gè)頻譜搬移的過(guò)程，它是將低頻信號(hào)的頻譜搬移到 載頻位置。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，即是將已調(diào)制的信號(hào)還原成原始基帶信號(hào)的過(guò)程。信號(hào)的接收端 就是通過(guò)解調(diào)來(lái)還原已調(diào)制信號(hào)從而讀取發(fā)送端發(fā)送的信息。因此信號(hào)的解調(diào)對(duì)系統(tǒng)的傳輸有效性 和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制與解調(diào)方式往往決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。單邊帶SSB信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào)法，這種方式被廣泛應(yīng)用在載波通信和短波無(wú)線電話通信中。Simulink是

19、MATLA沖的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB勺框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)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(hào)處理的建模和 仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI),這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)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，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。第14頁(yè)共15頁(yè)陜西理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)致謝通過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到很多書(shū)本上學(xué)不到的東西，增強(qiáng)了我的實(shí)踐動(dòng)手能力。最大的收獲就是既了解了噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀只仡櫫薓ATLAB勺相關(guān)知識(shí)。對(duì)通信工程專業(yè)來(lái)說(shuō)，通信原理是一門核心課程，是學(xué)好本專業(yè)的基礎(chǔ)，它雖然是一門理論課，但其實(shí)踐性很強(qiáng)。通過(guò)本次 課程設(shè)計(jì)，讓我深層次地了解如何在MATLAB/Simulink中通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析。從一個(gè)小模塊設(shè)計(jì)到具有一定功能的完整模塊設(shè)計(jì)，從單個(gè)小問(wèn)題的判斷調(diào)試到整體化模塊的分析思維，本 次課程設(shè)計(jì)不但使我對(duì)通信原理了解得更透徹，也使我認(rèn)識(shí)到理論當(dāng)與實(shí)際相聯(lián)系時(shí)才能使它的指 導(dǎo)性充分地體現(xiàn)出來(lái)。此次的課程設(shè)計(jì)，雖說(shuō)時(shí)間不長(zhǎng)，可是它卻讓我們