青 岛 农 业 大 学 理学与信息科学学院
通 信 系 统 仿 真 课 程 设 计 报 告
论 文 题 目 AM、SSB调制与解调的实现与比较
学生专业班级 通信工程10级2班
学生姓名(学号) 程显聪(20102743)
指 导 教 师 谭谈老师
完 成 时 间 2013.10.23
实 习 地 点 信息楼机房
2013年 10月 23日
1.课程设计目的和任务
本次课程设计是对通信原理课程理论教学和实验教学的综合和总结。要求学生掌握通信原理的基本知识,运用所学的通信仿真的方法实现某种传输系统。能够根据设计任务的具体要求,掌握软件设计、调试的具体方法、步骤和技巧。对一个实际课题的软件设计有基本了解,拓展知识面,激发在此领域中继续学习和研究的兴趣,为学习后续课程做准备。 2.AM调制与解调
2.1 AM调制与解调原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度,使正弦载波的幅度随着调制信号而改变的调制方案,属于线性调制。
AM信号的时域表示式:
频谱:
调制器模型如图所示:
mtA0smtcosct
图1-1 调制器模型
AM的时域波形和频谱如图所示:
时域 频域
图1-2 调制时、频域波形
AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。它的带宽是基带信号带宽的2倍。在波形上,调幅信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化,在频谱结构上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。
所谓相干解调是为了从接受的已调信号中,不失真地恢复原调制信号,要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。相干载波的一般模型如下:
smtsptLPFsdtctcosct
将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波,得
SAM(t)coswct[A0m(t)]cos2wct11[A0m(t)][A0m(t)]cos2wct22
由上式可知,只要用一个低通滤波器,就可以将第1项与第2项分离,无失真的
恢复出原始的调制信号
1M0(T)[A0M(T)]2
相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位
的条件得不到满足,则会破坏原始信号的恢复。
2.2 调试过程及程序代码: t=-1:0.00001:1; %定义时长
A1=6; %调制信号振幅 A2=10; %外加直流分量 f=3000; %载波频率 w0=2*f*pi; %角频率 Uc=cos(w0*t); %载波信号 subplot(5,2,1);
plot(t,Uc); %画载波信号 title('载波信号');
axis([0,0.01,-1,1]); %坐标区间 T1=fft(Uc); %傅里叶变换 subplot(5,2,2);
plot(abs(T1));%画出载波信号频谱 title('载波信号频谱');
axis([5800,6200,0,200000]); %坐标区间 mes=A1*cos(0.002*w0*t); %调制信号 subplot(5,2,3);
plot(t,mes);%画出调制信号 title('调制信号');
T2=fft(mes); %傅里叶变换 subplot(5,2,4);
plot(abs(T2)); %画出调制信号频谱 title('调制信号频谱');
axis([198000,202000,0,1000000]); %坐标区间
Uam1=A2*(1+mes/A2).*cos((w0).*t); %AM 已调信号 subplot(5,2,5);
plot(t,Uam1);%画出已调信号 title('已调信号');
T3=fft(Uam1); %已调信号傅里叶变换 subplot(5,2,6);
plot(abs(T3)); ;%画出已调信号频谱 title('已调信号频谱');
axis([5950,6050,0,900000]); %坐标区间
sn1=20; %信噪比
db1=A1^2/(2*(10^(sn1/10))); %计算对应噪声方差 n1=sqrt(db1)*randn(size(t)); %生成高斯白噪声 Uam=n1+Uam1; %叠加噪声后的已调信号
Dam=Uam.*cos(w0*t); %对AM已调信号进行解调 subplot(5,2,7);
plot(t,Dam);% 滤波前的AM解调信号 title('滤波前的AM解调信号波形'); T4=fft(Dam); %求AM信号的频谱 subplot(5,2,8);
plot(abs(T4));% 滤波前的AM解调信号频谱
title('滤波前的AM解调信号频谱'); axis([187960,188040,0,600000]); Ft=2000; %采样频率
fpts=[100 120]; %通带边界频率fp=100Hz 阻带截止频率fs=120Hz mag=[1 0];
dev=[0.01 0.05]; %通带波动1%,阻带波动5%
[n21,wn21,beta,ftype]=kaiserord(fpts,mag,dev,Ft); %kaiserord估计采用凯塞窗设计的FIR滤波器的参数
b21=fir1(n21,wn21,Kaiser(n21+1,beta)); %由fir1设计滤波器 z21=fftfilt(b21,Dam); %FIR低通滤波 subplot(5,2,9);
plot(t,z21,'r');% 滤波后的AM解调信号 title('滤波后的AM解调信号波形'); axis([0,1,-1,10]);
T5=fft(z21); %求AM信号的频谱 subplot(5,2,10);
plot(abs(T5),'r');%画出滤波后的AM解调信号频谱 title('滤波后的AM解调信号频谱'); axis([198000,202000,0,500000]);
2.3运行结果如下图:
2.4 AM调制抗噪性能分析:
AM线性调制系统的相干解调模型如下图所示。
图3.5.1 线性调制系统的相干解调模型
图中Sm(t)可以是AM调幅信号,带通滤波器的带宽等于已调信号带宽[10]。下面讨论AM调制系统的抗噪声性能[11]。
AM信号的时域表达式为
SAM(t)[A0m(t)]coswct
通过分析可得AM信号的平均功率为
(Si)AM2A0m2(t)22
又已知输入功率
Nin0B, 其中B表示已调信号的带宽。
22A0m2(t)A0m2(t)2n0BAM4n0fH
由此可得AM信号在解调器的输入信噪比为
(SiNi)AMAM信号经相干解调器的输出信号为
m0(t)因此解调后输出信号功率为
1m(t)2
12m(t)4
2(S0)AMm0(t)在上图中输入噪声通过带通滤波器之后,变成窄带噪声ni(t),经乘法器相乘后的输出噪声为
np(t)ni(t)coswct[nc(t)coswct-ns(t)sinwct]coswct经LPF后,
11nc(t)[nc(t)cos2wct-ns(t)sin2wct]22
n0(t)因此解调器的输出噪声功率为
1nc(t)2
2N0n0(t)121nc(t)Ni44
可得AM信号经过解调器后的输出信噪比为
m2(t)m2(t)(S0N0)AMn0B2n0fH
由上面分析的解调器的输入、输出信噪比可得AM信号的信噪比增益为
GAM
S0N02m2(t)SiNiA02m2(t)
3.SSB调制与解调
3.1 SSB调制与解调原理
单边带调制信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。根据方法的不同,产生SSB信号的方法有:滤波法和相移法。
由于滤波法在技术上比较难实现,所以在此我们将用相移法对SSB调制与解调系统进行讨论与设计。
相移法和SSB信号的时域表示
设单频调制信号为 m(t)Amcosmt载波为 c(t)cosct
则其双边带信号DSB信号的时域表示式为
sDSB(t)Amcosmtcosct
11 Amcos(cm)tAmcos(cm)t22
若保留上边带,则有 111s(t)Acos()tAcoscostAmsinmsinct USBmCmmmc222
若保留下边带,则有
11 s(t)1Acos()tAcostcostAmsinmtsinctLSBmCmmmc2 22
将上两式合并得:
由希尔伯特变换
ˆsmtAmsinmtAmco
故单边带信号经过希尔伯特变换后得:
把上式推广到一般情况,则得到
ˆ()为ˆ(t)的傅里叶变换Mm式中
ˆ(t)是m(t)的希尔伯特变换m
若M()是m(t)的傅里叶变换,则
ˆ()M()jsgnM
上式中的[-jsgn]可以看作是希尔伯特滤波器传递函数,即 ˆ()/M()jsgnHh()M
移相法SSB调制器方框图
相移法是利用相移网络,对载波和调制信号进行适当的相移,以便在合成过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。相移法不需要滤波器具有陡峭的截止特性,不论载频有多高,均可一次实现SSB调制。
SSB信号的解调
SSB信号的解调不能采用简单的包络检波,因为SSB信号是抑制载波的已调信号,它的包络不能直接反映调制信号的变化,所以仍需采用相干解调。
SSB信号的性能
SSB信号的实现比AM、DSB要复杂,但SSB调制方式在传输信息时,不仅可节省发射功率,而且它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。
3.2调试过程及源代码: % SSB调制
figure('Name','SSB信号调制过程中波形及其频谱','NumberTitle','off')
f0=10;fc=50;fs=1000;snr=5;
t=[-20:0.001:20];
am=cos(2*pi*f0*t);
am1=sin(2*pi*f0*t);
t1=cos(2*pi*fc*t);
t2=sin(2*pi*fc*t);
s_dsb=am.*t1; %DSB信号
Wp=55/(fs/2);Ws=45/(fs/2);Rp=3; Rs=20; %高通滤波器
[N,Wn]= Buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) ;
[B,A]=Butter(N,Wn,'high');
ssb1=filtfilt(B,A,s_dsb); %上边带
Wp=45/(fs/2);Ws=55/(fs/2);Rp=3; Rs=20; %低通滤波器
[N,Wn]= Buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) ;
[B,A]=Butter(N,Wn,'low');
ssb2=filtfilt(B,A,s_dsb); %下边带
AM=fft(am); T1=fft(t1); SSB1=fft(ssb1);SSB2=fft(ssb2);
f=(0:40000)*fs/40001-fs/2;
subplot(3,2,1); plot(t(19801:20200),am(19801:20200)); title('信息信号波形');
subplot(3,2,2); plot(f,fftshift(abs(AM))); title('信息信号频谱');
subplot(3,2,3); plot(t(19801:20200),t1(19801:20200)); title('载波信号');
subplot(3,2,4); plot(f,fftshift(abs(T1))); title('载波信号频谱');
subplot(3,2,5);
plot(t(19801:20200),ssb1(19801:20200),':',t(19801:20200),ssb2(19801:20200));
title('已调信号(虚线-上边带/实线-下边带)');
subplot(3,2,6);
plot(f,fftshift(abs(SSB1)),':',f,fftshift(abs(SSB2)));
title('SSB调制信号频谱(虚线-上边带/实线-下边带)');
legend('上边带','下边带');
figure('Name','下边带-添加噪声及带通滤波过程波形及其频谱','NumberTitle','off');
%加噪声
y=awgn(ssb2,snr); %以下边带为例设计
a=[35,65];b=[30,70];
Wp=a/(fs/2);Ws=b/(fs/2);Rp=3; Rs=15;
[N,Wn]= Buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) ;
[B,A]=Butter(N,Wn,'bandpass');
q=filtfilt(B,A,y);
Q=fft(q);Y=fft(y);
subplot(2,2,1);plot(t(19851:20050),y(19851:20050));title('添加噪声后信号波形');
subplot(2,2,2);plot(f,fftshift(abs(Y)));title('添加噪声后信号频谱');
subplot(2,2,3);plot(t(19801:20200),q(19801:20200));title('带通滤波后信号波形');
subplot(2,2,4); plot(f,fftshift(abs(Q)));title('带通滤波后信号频谱');
%解调
figure('Name','下边带-相干解调所得波形及其频谱','NumberTitle','off');
s_ssb2=q.*t1;
Wp=15/(fs/2);Ws=40/(fs/2);Rp=3; Rs=20;
[N,Wn]= Buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) ;
[B,A]=Butter(N,Wn,'low');
m0=filtfilt(B,A,s_ssb2);
M0=fft(m0);
subplot(2,1,1);plot(t(19801:20200),m0(19801:20200));title('解调信号');
subplot(2,1,2); plot(f,fftshift(abs(M0)));title('解调信号频谱');
3.3调试结果如下:
3.4 SSB的抗噪性能分析: 噪声功率
11NoNin0B
44
这里,B = fH 为SSB 信号的带通滤波器的带宽。 信号功率 SSB信号
与相干载波相乘后,再经低通滤波可得解调器输出信号 1m(t)m(t) o4
因此,输出信号平均功率
12Somo(t)m2(t)
16
输入信号平均功率为
ˆ(t)与m(t)的幅度相同,所以具有相同的平均功率,故上式因m
1Sim2(t)
4
单边带解调器的输入信噪比为 12m(t)2 Sim(t)4 Nin0B4n0B
单边带解调器的输出信噪比为
12 m(t)2Sm(t)o 161No4n0B n0B4
制度增益 So/NoGSSB1
Si/Ni
因为在SSB系统中,信号和噪声有相同表示形式,所以相干解调过程中,信号和噪声中的正交分量均被抑制掉,故信噪比没有改善。
4. 两种调制的带宽、信噪比参数的比较:
AM调制的优点:是接收设备简单;缺点是功率利用率低,抗干扰能力差,信号带宽较宽,频带利用率不高。因此,AM制式用于通信质量要求不高的场合,目前主要用在中波和短波的调幅广播中。
其信噪比为
=
。
SSB调制的优点:是功率利用率和频带利用率都较高,抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半;缺点是发送和接收设备都复杂。SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合,如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。与标准幅度调制相比,单边带调制(SSB)对于频谱和输出功率的利用率更高。尽管很少用于数据传送,SSB仍广泛地用于HF和VHF低端的语音通讯。双边带调制信号包含有两个完全相同的基带信号,即上、下边带。由于两个边带含的信息相同,因而从信息传输角度考虑,传送一个边带同样可以达到信息传输的目的,本设计只考虑上边带信号。单边带调制,就是通过某种办法,只传送一个边带的调制方法。 其信噪比为
=
。
5.心得体会设计总结:
这次的课程设计时间虽短但收获很多。我们用MATLAB进行了AM及SSB调制与解调的研究。不但又加深了课本的知识,而且也对matlab的基本知识有了一定掌握。 本次课程设计中实现了通信基本知识与MATLAB的结合,并在实际中设计并仿真AM及SSB调制与解调的过程。
对AM原理以及SSB原理进行更深一层次的理解,对书中原来学到的只知其果不懂其因的理论,在设计中也有了更深刻的认识。
这次程序需要自己写,而我的MATLAB的基础不是很好。这次课程设计虽然很简单,由于没有基础,查找了很多相关的资料,而且我们在编译和调试过程中除了很多次错误,这是过程,学习就是在过程中进行的,经过自己几天的劳动,再加上同学们和老师的帮助,不仅对读程序有了很大提高,而且自己的编译水平也上了一个新台阶,更加熟系了MATLAB的应用,也对其中的函数有了大概的了解 总之这次课程设计收获很大,是一场难得的锻炼机会。
课程设计成绩评定表 学生姓名 专业班级 设计题目 指导教师评语及意见: 指导教师评阅成绩: 指导教师签字: 年 月 日
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