AM及SSB调制与解调详解

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1、通信原理课程设计设计题目：AM及SSB调制与解调及抗噪声性能分析班 级：学生姓名： 学生学号： 指导老师： 目录一、引言1.1 概述1.2课程设计的目的 31.3课程设计的要求 3二、AM调制与解调及抗噪声性能分析42.1AM 调制与解调 42.1.1 AM 调制与解调原理 42.1.2调试过程 62.2相干解调的抗噪声性能分析 92.2.1 抗噪声性能分析原理 92.2.2调试过程 10三、SSB调制与解调及抗噪声性能分析123.1 SSB 调制与解调原理 123.2 SSB 调制解调系统抗噪声性能分析 133.3 调试过程 15四、心得体会 19五、参考文献 19一、引言1.1 概述通信原

2、理是通信工程专业的一门极为重要的专业基础课，但内容抽象，基本概念较 多，是 一门难度较大的课程， 通过 MATLAB 仿真能让我们更清晰地理解它的原理， 因此信号的 调制与解调在 通信系统中具有重要的作用。本课程设计是 AM 及 SSB 调制解调系统的设计与仿真，用于实现 AM 及SSB 信号的调制解调过程，并显示仿真结果，根据仿真显示结果分析所设计的系统性能。在课程 设 计中，幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化，其他参 数不变。 同时也是使高频载波的振幅载有传输信息的调制方式。1.2 课程设计的目的在此次课程设计中，我需要通过多方搜集资料与分析：(1) 掌握模

3、拟系统 AM 和 SSB 调制与解调的原理；(2) 来理解并掌握 AM 和 SSB 调制解调的具体过程和它在 MATLAB 中的实现方法；(3) 掌握应用 MATLAB 分析系统时域、频域特性的方法，进一步锻炼应用 MATLAB 进行编 程仿真的能力。通过这个课程设计，我将更清晰地了解AM和SSB的调制解调原理，同时加深对MATLAB 这款通信原理辅助教学操作的熟练度。1.3 课程设计的要求(1) 熟悉 MATLAB 的使用方法，掌握 AM 信号的调制解调原理，以此为基础用 MATLAB 编程 实现信号的调制解调；(2) 设计实现 AM 调制与解调的模拟系统， 给出系统的原理框图， 对系统的主

4、要参数 进行设 计说明；(3) 采用 MATLAB 语言设计相关程序，实现系统的功能，要求采用一种方式进行仿真，即 直 接采用 MATLAB 语言编程的静态方式。 要求采用两种以上调制信号源进行仿真， 并记录 各个输出 点的波形和频谱图；(4) 对系统功能进行综合测试，整理数据，撰写课程设计论文。AM调制与解调及抗噪声性能分析2.1AM 调制与解调2.1.1 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：A0cos tc图 1-1 调制器模型AM 的时域波形和频谱如

5、图所示：时域频图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2仁的在波形上，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：sd tc t COS tc将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得2Sa“(t) cosw t Am(t ) cos2 wtAMc0c112A0 m(t) 2A0m(t)cos2wct由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将

6、第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调 制信号1M 0 (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。2.1.2调试过程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subp

7、lot(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(

8、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db1二A广2/(2*(10飞n1/10); %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

9、(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 (T 4);%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

10、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firl设计滤波器z21二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(ab

11、s (T 5),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);运行结果 :I&-MI.1 52.2相干解调的抗噪声性能分析2.2.1 抗噪声性能分析原理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1。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通过分析可得 AM 信号的平均功率为)cosw tc22(S )A0 m2 (t)(S )i AMi AM2 2又

12、已知输入功率Ni n0B ,其中B表示已调信号的带宽。由此可得AM信号在解调器的输 入信噪比为(Si Ni )AMA 2 m2(t) A02n B0AM2 m 2(t)04n0fHAM信号经相干解调器的输出信号为m0t)1 1m(t)2因此解调后输出信号功率为21(t) 4m 在上图中输入噪声通过带通滤波器之变后成，窄带噪4声 np(t) ni (t)sin1w12 2(t)ni (t) ，经乘法器相乘后的输出噪声为t)cosw t n (t)cosw t-nc c cS0)AMm20tcosw t(t) n (t)cos2w t-cc经LPF后，n0(t) 12nc(t)因此解调器的输出噪声

13、功率为21n 2(t) c44N0 n20 (t) 可得 AM 信号经过解调器后的输出信噪比为m2(t) m2(t)n0B2n0f HAM信号的信噪比增益为22m2(t)A 2 m2(t)0%清除窗口中的图形%定义变量区间 %给出相干载 波的频率 %定义输入信号幅 度 %定义调制信号频率 %输入调制信号表达式 %输入小信躁比 (dB)%由信躁比求方差 %产生小信噪比高斯白躁 声%输出调制信号表达式 % 输出叠加小信噪比已调信号 波形 %输入大信躁比 (dB)%由信躁比求方差 %产生大 信噪比高斯白躁声 %输 出已调信号波形 %划分 画图区间 %画出输入信 号波形(S0N0) AM由上面分析的解

14、调器的输入、输出信 噪比可得GAMS N00SiNi ii2.2.2 调试过程clf;t=0:0.01:2;fc=50;A=10;fa=5;mt=A*cos(2*pi*fa.*t);xzb=5;snr=10.八(xzb/10);db=A2./(2*snr);nit=sqrt(db).*randn(size(mt);psmt=(A+mt).*cos(2*pi*fc.*t); psnt=psmt+nit;xzb1=30;snr1=10.八(xzb1/10);db1=A2./(2*snr1);nit1=sqrt(db1).*randn(size(mt) ); psnt1=psmt+nit1;subp

15、lot(2,2,1);plot(t,nit,g);title( 小信噪比高斯白躁声); xlabel( t);ylabel( nit);subplot(2,2,2);plot(t,psnt,b);title( 叠加小信噪比已调信号 波形 );xlabel(时间);ylabel(输出调制信号); subplot(2,2,3);plot(t,nit1,r);title(大信噪比高斯白躁声)；xlabel( t);ylabel(nit);subplot(2,2,4);plot(t,psnt1,k);title(叠加大信噪比已调信号 波形);xlabel(时间);ylabel(输出调制信号);%len

16、gth用于长度匹配%画出输入信号与噪声叠加%画出输出信号波形50.511.52alrw展B鱷5 0 5 o a2运行结果：由上图可见，当输入信号一定时，随着噪声的加强，接收端输入信号被干扰得越严重。而变非线性元件如滤波器等的存在。非线性失真也会随噪声加大而变大。、 SSB调制与解调及抗噪声性能分析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m(t) A cos t c(t) co

17、s t设单频调制信号为mm载波为c则其双边带信号DSB信号的时域表示式为sDSB (t)cAm cos( c m)tA cos tcos t 11mmAm cos( c m )t2若保留上边带，sUSB (t则有1)Amm2cosm)tm11Acos2mcosmAsinmsin tmc若保留下边带，则有sLSB(t)21将上两式合并得：A cos(mC m)tC m11A cosmtcosmA sinmtsin tmcsin由希尔伯特变换A co?sm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m?(t)的傅里叶变换M?()为式中m?(t)是m(t)的希尔伯特变换若 M( )是

18、 m( t) 的傅里叶变换，则M?( ) M ( ) j sgn上式中的-jsgn 可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即此()M?( )/M () jsgn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

19、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。3.2SSB 调制解调系统抗噪声性能分析噪声功率11NNnBoi440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2S m 2(t) oom2(t)16输入信号平均功率为因m?(t)与m(t)的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式2Sm2 (t)i4单边带解调器的输入信噪比为SiiNiim2(t)14n0Bm2(t)4n0B单边带解调器

20、的输出信噪比为SoNo1 m2(t)16104m2(t)4n0B制度增益GSSBS/NooS. /N.ii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。3.3调试过程先建立 3 个 M 文件1. afd_buttfunction b,a = afd_butt(Wp,Ws,Rp,As);if Wp = 0 error( Passband edge must be larger than 0 )endif Ws = Wperror( Stopband edge must be larger than Passband

21、edge ) endif (Rp = 0) | (As t0=0.1;fs=12000; %t0 采样区间， fs 采样频率 fc=1000;Vm0=2.5;ma=0.25; %fc 载波频率， Vm0 输出载波电压振幅， ma 调幅度 n=t0/2:1/fs:t0/2; %定义变量区间 N=length(n); A=4; %定义调制信号幅度 x1=A*cos(150*pi*n); %调制信号 x2=hilbert(x1,N); %对 x1 做希尔伯特变换 y= (Vm0*x1 .*cos (2*p i *fc*n) Vm0*x2.*s i n (2*p i *fc*n) ) /2 ; %保留

22、上边带的已调波信号 xzb=2; %输入小信噪比 (dB) snr=10.八(xzb/10); h,l=size(x1); %求调制信号的维度 fangcha=A*A./(2*snr); %由信噪比求方差 nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); %产生高斯白噪声 yn=y+nit; %叠加小信噪比噪声的已调波信号 xzb=10; %输入小信噪比 (dB) sn门=10.八(xzb/10); h,l=size(x1); %求调制信号的维度 fangcha=A*A./(2*snr1); %由信噪比求方差 nit1=sqrt(fangcha).*randn(h,l); %产生高

23、斯白噪声 yn1=y+nit1; % 叠加小信噪比噪声的已调波信号 figure(1) subplot(2,2,1) %划分画图区间 plot(n,x1) %画出调制信号的波形 title(调制信号); subplot(2,2,2) %划分画图区间 plot(n,y) %画出已调波信号波形 title( 已调波信号 ); subplot(2,2,3) %划分画图区间 plot(n,yn) %画出叠加噪声的已调波信号波形 title( 叠加小信噪比噪声的已调波信号 );subplot(2,2,4)%划分画图区间 plot(n,yn1) %画出叠加噪声的已调波信号波形 title( 叠加大信噪比噪

24、声的已调波信号 ); X=fft(x1); %调制信号 x1 的傅里叶变换 Y=fft(y); %已调信号 y 的傅里叶变换 Yn=fft(yn); %叠加小信噪比噪声的已调信号 yn 的傅里叶变换 Yn1=fft(yn1); %叠加大信噪比噪声的已调信号yn 的傅里叶变换 w=0:2*p i / (N-1) :2*p i ; %定义变量区间 figure(2) subplot(2,2,1) %划分画图区间 plot(w,abs(X) %画出调制信号频谱波形 axis(0,pi/4,0,3000); %给出横纵坐标的范围 title( 调制信号频谱 ); subplot(2,2,2) %划分画

25、图区间 plot(w,abs(Y) %画出已调波信号频谱 axis(pi/6,pi/4,0,2500); %给出横纵坐标的范围 title( 已调波信号频谱 ); subplot(2,2,3) %划分画图区间 plot(w,abs(Yn) %画出叠加小信噪比噪声的已调波信号频谱 axis(pi/6,pi/4,0,2500); %给出横纵坐标的范围 title( 叠加小信噪比噪声的已调波信号频谱 ); subplot(2,2,4) %划分画图区间 plot(w,abs(Yn1) %画出叠加大信噪比噪声的已调波信号频谱 axis(pi/6,pi/4,0,2500); %给出横纵坐标的范围 titl

26、e( 叠加大信噪比噪声的已调波信号频谱 ); y1=y-2*cos(1500*pi*n); y2=Vm0*y1.*cos(2*pi*fc*n); %将已调幅波信号的频谱搬移到原调制信号的频谱处 wp=40/N*pi;ws=60/N*pi;Rp=1;As=15;T=1; %滤波器参数设计 OmegaP=wp/T;OmegaS=ws/T; cs,ds=afd_butt(OmegaP,OmegaS,Rp,As); b,a=imp_invr(cs,ds,T); y=filter(b,a,y2); yn=y+nit; figure(3) subplot(2,1,1) %划分画图区间 plot(n,y)

27、%画出解调波波形 title(解调波); 丫二fft(y); %解调波y的傅里叶变换 subplot(2,1,2)%划分画图区间 plot(w,abs(Y) %画出解调信号频谱 axis(0,pi/6,0,2500); %给出横纵坐标的范围 title(解调信号频谱);运行结果：* Butterworth Filter Order = 6调制信号已调波信号1050-5-1005叠加小信噪比噪声的已调波信号调制信号频谱已调波信号频谱30002000100000 0.2 0.4 0.62500 厂2000 _1500” I1000. I500 _f-*P0.55 0.6 0.65 0.7 0.75

28、叠加小信噪比噪声的已调波信号频谱叠加大信噪比噪声的已 调波信号频谱250020001500100050000.550.60.650.70.752500 .一2000 .1500丨1000 i500.0.55 0.6 0.65 0.7 0.750解调波10厂LJXJ5 -0-5-10I-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05解调信号频谱0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.525002000 150010005000可以清晰地看出，加大噪声后，信号的波形杂乱无章，起伏远大于

29、加小噪声时的波形。 造成此现象的原因是当信噪比较小时，噪声的功率在解调信号中所占比重较大，所以会造成杂 波较多的情况；而信噪比很大时，噪声的功率在解调信号中所占比重就很小了，噪声 部分造成的杂 乱波形相对就不是很明显，甚至可以忽略。综上所述，叠加噪声会造成解调信号的失真，信噪比越小，失真程度越大。所以当信噪 比低于 一定大小时，会给解调信号带来严重的失真，导致接收端无法正确地接收有用信号。 所以在解调的 实际应用中，应该尽量减少噪声的产生。四、心得体会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

30、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。这次课程设计中我们不得不对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们 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。五、参考文献1 樊昌信，曹丽娜。通信原理（第六版） 。国防工业出版社。2 仲麟，王峰。 MATLAB 仿真技术与应用教程 M 。北京：国防工业出版社 。 20043 陶亚雄，刘南平，王坚。现代通信原理 M （第三版）。北京：电子工业出版社， 2009.44 解相吾，解文博。通信电子电路 M 。北京：人民邮电出版社 2010.65 陈磊，唐晓辉。现代通信原理实验指导书。 桂林: 桂林航天工业高等专科学校， 电 子工程系。2009.7