通信系统仿真课程设计

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：

mtA0smtcosct

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：

smtsptLPFsdtctcosct

将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得

SAM(t)coswct[A0m(t)]cos2wct11[A0m(t)][A0m(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)[A0M(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)[A0m(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

Nin0B, 其中B表示已调信号的带宽。

22A0m2(t)A0m2(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)AMm0(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

2N0n0(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)AMn0B2n0fH

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)SiNiA02m2(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)Amcosmt载波为 c(t)cosct

则其双边带信号DSB信号的时域表示式为

sDSB(t)Amcosmtcosct

11 Amcos(cm)tAmcos(cm)t22

若保留上边带，则有 111s(t)Acos()tAcoscostAmsinmsinct USBmCmmmc222

若保留下边带，则有

11 s(t)1Acos()tAcostcostAmsinmtsinctLSBmCmmmc2 22

将上两式合并得：

由希尔伯特变换

ˆsmtAmsinmtAmco

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()jsgnM

上式中的[-jsgn]可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即 ˆ()/M()jsgnHh()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

11NoNin0B

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

12Somo(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

1Sim2(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 161No4n0B n0B4

制度增益 So/NoGSSB1

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