基于Matlab和Simulink的DSB信號仿真

PAGEPAGE15課程設計評分標準評分項目得分報告書寫及格式具有題目、摘要、目錄、正文、參考文獻（5分）正文格式，圖、表、參考文獻引用等正確，排版美觀（5分）基礎原理報告中是否體現(xiàn)被仿真系統(tǒng)的原理以及原理框圖（5分）仿真目的，仿真方法，仿真結果的意義表述清楚（5分）M文件仿真做出信源，調(diào)制信號，解調(diào)信號波形（10分）仿真參量豐富（如對頻譜，信噪比，誤碼率等的分析），仿真波形直觀。（10分）Simulink仿真是否實現(xiàn)設計功能，各個模塊的設計參數(shù)是否清晰（10分）框圖直觀，有對不同參數(shù)條件下的仿真對比及結論（10分）仿真參量豐富（如對頻譜，信噪比，誤碼率等的分析），仿真波形直觀。（10分）答辯是否存在抄襲（10分）對所仿真系統(tǒng)原理的提問回答情況（10分）對仿真過程提問的回答情況（10分）總分摘要隨著信息傳輸在現(xiàn)代生活中重要性的增強，調(diào)制和解調(diào)作為無線電通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵技術也越來越受到重視。調(diào)制的目的是得到適合在信道中傳輸?shù)男盘?，解調(diào)又稱作檢波，就是從接收端最大程度不失真的恢復出基帶信號。DSB信號以其調(diào)制效率高而得到廣泛應用。本文介紹了基于MATLAB/Simulink仿真DSB調(diào)制與解調(diào)過程，并在解調(diào)時引入高斯白噪聲，DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能。關鍵詞：通信原理、DSB調(diào)制解調(diào)、MATLAB、Simulink目錄課程設計評分標準 I摘要 II1.概述 11.1載波調(diào)制 11.1.1載波調(diào)制的目的 11.1.2載波調(diào)制的方式 21.2解調(diào)方法 21.2.1相干解調(diào) 21.2.2包絡檢波 32.DSB調(diào)制解調(diào)原理 32.1DSB調(diào)制過程 42.2DSB解調(diào)過程 52.3DSB相干解調(diào)性能 63.軟件仿真 73.1MATLAB仿真 73.1.1DSB信號時域波形 73.1.2DSB信號頻域波形 93.2Simulink仿真 103.2.1電路圖搭建 113.2.2波形觀察 114．結論 124.1DSB信號的特點 124.2相干載波的重要性 134.3同步檢波器的優(yōu)點 135．體會總結 14參考資料 14基于Matlab/Simulink的DSB信號仿真1.概述調(diào)制在通信系統(tǒng)中至關重要。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成合適在心道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。在無線通信中和其他大多數(shù)場合，調(diào)制一詞均值載波調(diào)制。1.1載波調(diào)制載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程，使載波的某一個或某幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律而變化。調(diào)制信號是只來自信源的消息信號，即基帶信號，這些信號可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未受調(diào)制的周期性振蕩信號成為載波，它可以是正弦波，也可以是非正弦的周期性脈沖序列。載波調(diào)制后成為已調(diào)信號，它含有調(diào)制信號的所有特征。解調(diào)也叫檢波，是調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)制信號中的調(diào)制信號恢復出來。1.1.1載波調(diào)制的目的基帶信號對載波的調(diào)制是為了實現(xiàn)以下一個或多個目標：第一，在無線傳輸中，通過調(diào)制，把基帶信號的頻譜搬至較高的載波頻率上，使已調(diào)信號的頻譜與信道的帶通特性相匹配，這樣可以提高傳輸性能，以較小的發(fā)射功率與較短的天線來輻射電磁波。如在GSM體質(zhì)移動通信使用的900MHz頻段，所需的天線尺寸僅為8cm。第二，把多個基帶信號分別搬移到不同處的載頻處，以實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道的利用率。第三，擴展信道帶寬，提高系統(tǒng)的抗干擾、抗衰減能力，還可以實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。因此，調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有這很大的影響和作用。采用什么樣的調(diào)制方式將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。1.1.2載波調(diào)制的方式調(diào)制的方式有很多。根據(jù)調(diào)制信號是模擬信號還是數(shù)字信號，載波是連續(xù)波還是脈沖序列，相應的解調(diào)方式有模擬連續(xù)波調(diào)制、數(shù)字連續(xù)波調(diào)制、模擬脈沖調(diào)制和數(shù)字脈沖調(diào)制。最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波最為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。常見的調(diào)幅（AM）、雙邊帶（DSB）、單邊帶（SSB）和殘留邊帶（VSB）等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾個典型實例；而頻率調(diào)制（FM）是角度調(diào)制中被廣泛采用的一種。1.2解調(diào)方法解調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收的已調(diào)信號中恢復原基帶信號，即調(diào)制信號。解調(diào)過程也稱為檢波，常用的方法有包絡檢波和同步檢波兩種。1.2.1相干解調(diào)相干解調(diào)又叫同步檢波。由于這種檢波過程必須在接收端產(chǎn)生一個與載波信號同步的參考信號，故稱為同步檢波器。同步檢波器可以對AM、DSB、SSB任何一種條幅波進行解調(diào)。相干解調(diào)時，為了無失真的恢復原基帶信號，接收端必須提供一個與已接受載波同頻同相的本地載波，即相干載波，它與接收信號相乘后，經(jīng)低通濾波器濾取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號。相干解調(diào)適用于所有的線性調(diào)制信號的解調(diào)。由于有載波的振幅調(diào)制信號包絡直接反應了調(diào)制信號的變化規(guī)律，可以用包絡檢波法進行解調(diào)。而抑制載波雙邊帶或單邊帶信號的包絡不能直接反映調(diào)制信號的變化規(guī)律，所以無法用包絡檢波器進行解調(diào)，必須采用同步檢波器。實現(xiàn)相干解調(diào)的關鍵是接收端要提供一個與載波信號嚴格同步的相干載波，否則，相干解調(diào)后將會使原始基帶信號減弱，甚至帶來嚴重失真。1.2.2包絡檢波AM信號在滿足的條件下，其包絡與調(diào)制信號與調(diào)制信號的形狀完全一樣。因此，AM信號除了可以采用想干解調(diào)外，一般都采用簡單的包絡檢波法來恢復信號。由于這里主要討論DSB信號的仿真，所以在此不詳細說明。2.DSB調(diào)制解調(diào)原理幅度調(diào)制是由調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號作線性變化的過程。設正弦型載波為（2-1）式中：為載波幅度；為載波角頻率；為載波初始相位（以后可先假定為0，而不失討論的一般性）。根據(jù)調(diào)制信號的定義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示為（2-2）式中：為基帶調(diào)制信號。設調(diào)制信號的頻譜為，則由式（5-2）不難得到已調(diào)信號的頻譜：（2-3）由上可見，在波形上，幅度已調(diào)信號的幅度雖基帶信號的規(guī)律呈正比變化；在頻譜結構上，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)制通常也稱為線性調(diào)制。2.1DSB調(diào)制過程在AM信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送。如果在標準調(diào)幅信號中去掉直流信號，即可得到一種高效率的調(diào)制方式——抑制載波雙邊帶信號（DSB—SC）,簡稱雙邊帶信號（DSB）。 圖2-1DSB調(diào)制模型其時域表示式為（2-4）式中，假設平均值為0。DSB信號的頻域表示式為（2-5）其典型波形和頻譜如圖所示。圖2-2DSB信號的波形和頻譜2.2DSB解調(diào)過程DSB信號因為不存在載波分量，所以調(diào)制效率是100%，即全部功率用于信息傳輸。但由于DSB信號的包絡不在于調(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法來恢復調(diào)制信號，而用同步檢波法。LPF（低通濾波器）LPF（低通濾波器）圖2-3DSB信號解調(diào)模型設輸入的已調(diào)信號為（2-6）取調(diào)制信號為：（2-7）與同頻同相的相干載波相乘后，得（2-8）經(jīng)低通濾波器（LFP）后，得到 （2-9）可以看出，得到的解調(diào)信號是輸入調(diào)制信號的，呈正比關系。所以得到失真較小的基帶信號。低通濾波器0圖2-4DSB信號解調(diào)頻譜DSB已調(diào)波經(jīng)過同步檢波后的頻譜如上圖所示，經(jīng)過低通濾波器后即可得到原始基帶信號。2.3DSB相干解調(diào)性能帶通帶通濾波器sm(t)sm(t)n(t)ni(t)mo(t)no(t)低通濾波器cosct＋圖2-5DSB相干解調(diào)性能分析模型設解調(diào)器輸入信號為QUOTEsm(2-10)與相干載波相乘,經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為:(2-11)因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為(2-12)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)制頻率相同，因此解調(diào)器輸入端的窄帶噪聲,與相干載波相乘，經(jīng)低通濾波器，解調(diào)器輸出的最終的輸出噪聲為（2-13）故輸出噪聲功率為（2-14）這里，，為DSB的帶通濾波器的帶寬，QUOTEn0為白噪聲單邊功率譜密度。解調(diào)器輸入信號平均功率為（2-15）又，已知解調(diào)器的輸入噪聲功率為（2-16）可得解調(diào)器的輸入信噪比（2-17）解調(diào)器的輸出信噪比（2-18）因此制度增益為（2-19）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)器使信噪比改善一倍。這是因為采用相干解調(diào)，是輸入噪聲中的一個正交分量被消除的緣故。3.軟件仿真3.1MATLAB仿真首先對通信系統(tǒng)進行數(shù)學建模，然后通過計算機來模擬系統(tǒng)行為、波形以及信號通過系統(tǒng)的過程，并對系統(tǒng)性能指標進行仿真測試和統(tǒng)計分析。3.1.1DSB信號時域波形1.程序編寫本程序中，左側(cè)為編程語言，右側(cè)為解釋說明。%清除歷史痕跡clf;%清除窗口中的圖形clc;%清除命令窗clear;%清除變量窗%定義變量和波形表達式ts=0.01;%定義變量區(qū)間步長t0=2;%定義變量區(qū)的長度t=-t0:ts:t0;%定義變量區(qū)間取值fc=10;%定義載波的頻率A=1;%定義調(diào)制信號幅度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);%輸入載波信號表達式st=mt.*ct;%輸出已調(diào)信號表達式%畫出波形figure('toolbar','none','menu','none',...'name','DSB信號波形','color','y');subplot(3,1,1);%劃分畫圖區(qū)間，3行1列，現(xiàn)畫第一個plot(t,mt,'c');%調(diào)制信號波形title('調(diào)制信號');xlabel('t');ylabel('m(t)');subplot(3,1,2);plot(t,ct,'g');%載波信號波形title('載波信號');xlabel('t');ylabel('c(t)');subplot(3,1,3);%已調(diào)信號波形plot(t,st,'b');title('已調(diào)信號');xlabel('t');ylabel('s(t)');%2.運行圖形圖3-1DSB信號的波形圖中上、中、下三條波形分別是調(diào)制信號、載波信號和已調(diào)信號波形。調(diào)制信號頻率為1Hz，載波頻率為10Hz。3.1.2DSB信號頻域波形在上一個程序的基礎上，清除歷史痕跡與定義變量部分不變，把畫出波形的部分改為以下內(nèi)容即可。figure('toolbar','none','menu','none',...'name','DSB信號頻譜','color','y');subplot(2,1,1);plot(f,mt2,'c');%調(diào)制信號頻域波形title('調(diào)制信號頻譜');%畫出已調(diào)信號波形xlabel('f');ylabel('m(f)');st1=fftshift(fft(st));st2=abs(st1.^2);subplot(2,1,2);plot(f,st2,'b');%已調(diào)信號頻域波形title('已調(diào)信號頻譜');%畫出已調(diào)信號波形xlabel('f');ylabel('s(f)');圖3-2DSB信號的頻譜圖中上、下兩條部分分別是調(diào)制信號頻譜和已調(diào)信號頻譜。3.2Simulink仿真Simulink是MATLAB的重要組成部分，提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進行仿真、設置不同的輸出方式來觀察仿真結果等功能。3.2.1電路圖搭建圖3-3Simulink仿真總電路圖本圖中，正弦波發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制時所需載波和解調(diào)時所需的相干載波，因為由同一個信號源發(fā)出，所以保證了二者的同頻同相。信號發(fā)生器用于產(chǎn)生基帶信號。載波和基帶信號經(jīng)過一個乘法器得到已調(diào)信號。已調(diào)信號送入存在高斯白噪聲的信道，經(jīng)一個帶通濾波器濾除多余的噪聲，再通過增益為2的模塊。已調(diào)信號再與相干載波經(jīng)過乘法器與低通濾波器，可以得到解調(diào)信號，即原始的基帶信號。示波器1顯示調(diào)制過程中的波形變化，示波器2顯示噪聲波形及解調(diào)過程中的波形變化。3.2.2波形觀察1.DSB信號調(diào)制示波器顯示圖圖中由上到下的波形分別為：調(diào)制信號、載波信號和已調(diào)信號。其中調(diào)制信號的頻率為1rads/sec，振幅為1；載波信號的頻率為30rads/sec，振幅為2。圖3-4DSB信號調(diào)制2．DSB信號解調(diào)示波器顯示圖圖中由上到下的波形分別為：高斯白噪聲波形、經(jīng)過信道和增益模塊的已調(diào)信號、經(jīng)過相乘器得到的調(diào)制信號和經(jīng)過低通濾波器得到的基帶信號。圖3-5DSB信號解調(diào)4．結論4.1DSB信號的特點第一，DSB信號是過調(diào)幅AM波，故它仍是幅度調(diào)制，但此時包絡已不再與m(t)成線性關系變化，這說明它的包絡不完全載有調(diào)制信號的信息，因此它不是完全的調(diào)幅波。第二，DSB信號的頻率仍與載波相同，沒有受到調(diào)制。第三，有反相點。DSB信號在調(diào)制信號的過零點處出現(xiàn)了反相點，調(diào)制指數(shù)大于1的AM信號在調(diào)制信號過零點處出現(xiàn)反相點。所以有反相點出現(xiàn)，是因為調(diào)制信號在過零點前后取值符號是相反的。并且其頻譜僅包含了位于載頻兩側(cè)的上、下邊帶，在載頻處已無載波分量，這就是抑制載波的效果。DSB信號信號雖然節(jié)省了載波頻率，但它所需的傳輸帶寬仍是調(diào)制信號帶寬的兩倍，即與AM信號帶寬相同。從減小發(fā)送功率的角度出發(fā)，產(chǎn)生了一種新的調(diào)制方式單邊帶調(diào)制（SSB）?？傊?，DSB信號的優(yōu)點是調(diào)制效率高，缺點是占用頻帶寬，為消息基帶信號的2倍。常應用在無線通信中。4.2相干載波的重要性若本地載頻信號與輸入信號的載頻不能保持同步，對檢波性能會產(chǎn)生影響。假如本地載頻信號與輸入信號的頻率和相位都不同步，若用模擬乘法器構成同步檢波電路解調(diào)雙邊帶調(diào)幅信號，則經(jīng)低通濾波器取出的低頻信號將產(chǎn)生頻率失真和相位失真。若用模擬乘法器構成的乘積濾波電路解調(diào)單邊帶調(diào)幅信號．同理，檢出的低頻信號也將產(chǎn)生頻率失真和相位失真。在進行語言通信時，人耳對相