AM及SSB调制与解调

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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：学生学号： 指导老师:、引言31.1概述12课程设计的目的1.3课程设计的要求33、AM调制与解调及抗噪声性能分析2.1 AM调制与解调2.1.1 AM调制与解调原理4.42.1.2调试过程62.2相干解调的抗噪声性能分析102.2.1 抗噪声性能分析原理 102.2.2 调试过程11三、SSB调制与解调及抗噪声性能分析133.1 SSB调制与解调原理 133.2 SSB调制解调系统抗噪声性能分析143.3调试过程 四、心得体会. 五、参考文献 .,162021引言1.1 概述通信原理是通信工程专业的一门极为重要的专业

2、基础课，但容抽象，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

3、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

4、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。二、AM调制与解调及抗噪声性能分析2.1 AM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：Sam (z) = Jo + ff?(/)cos (z?t Z= COS to f + 用(f) cos 氓/频谱：2调制器模型如图所示：D t 1各t押ftA COS ct图调制器模型AM的时域波形和频谱如图所示:图1 -2调制时、频域波形AM

5、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：Spt* LPFSd tC t COS ct将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得2Sam (t)?COSWct Aom(t) cos wctAo由上式可知，只要用一个低通滤波器，制信1 m(t) Aom(t)cos2Wct就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调M

6、T) AoM(T)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 000001:1； % 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(wO*t); %载波信号 subplot(5,2,1);plot(t,Uc);%画载波信号程匕(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。

7、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。,mes);%画出调制信号title。调制信号力T2=fft(mes); %傅里叶变换 subplot(5,2,4);plot(abs(T2); %画出调制信号频谱 由双调制信号频谱)； axis(198000,202000,0,1000000); % 坐标区间 Uam 仁 A2*(1 +mes/A2).*cos(wO).*t); %AM 已调信号 subplot(5,2,5);plot。,Uam1);%画出已调信号

8、tit跃已调信号)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sn 1=20; %信噪比db仁A1A2/(2*(10A(s 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(wO*t); %对AM已调信号进行解调subplot(5,2,7);plot。,Dam);%滤波前的AM解调信号Utle

9、C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解调信号频谱讹Ie。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%n 21 ,w n21,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b

10、21 =fir1(n21 ,wn21 ,Kaiser(n21 +1 ,beta);firl 设计滤波器z2 仁 fftfilt(b21 ,Dam); %FIF 低 通滤波subplot(5,2,9);plot(t,z21 ,T)；%滤波后的AM解调信号UtleC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)w);画出滤波后的AM解调信号频谱UtleC滤波后的AM解调信号频谱)；axis(198000,202000,0,500000);运行结果:魏曲VI-tl版测删嬲测聊硼皿拥桩刖吧

11、i /7U0,6M1AH3U1 拥征 4J4i Z/DJ D.E0J11 1 一 i卿泓迦训【M*凡EK孤勿做 WWTTWWTUIK mTB /77i.sa ew UKJ,1111111111拥爱刖噩I徂IJtfg.si)0,1 OJWt.4 0,5IEW0,6U 1bIII2IISI2.2相干解调的抗噪声性能分析221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。LPF所图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 统的抗噪声性能E。AM信号的时域表达式为Sam (t) Aom(t)COSWct通过分析可得AM信号的平

12、均功率为同。下面讨论AM调制系4m2(t)22又已知输入功率肃小,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w -m2(tm2皿2n ObAM4nOf HAM信号经相干解调器的输出信号为1m(t) 2m 因此解调后输出信号功率为(S)am mo(t) .im2(t)4在上图中输入噪声通过带通滤波器之后，变成窄带噪声3，经乘法器相乘后的输出噪声为n p(t) m (t)cosw ct n c(t)coswct- ns(t)si nw ctcoswct2叱(。经LPF后,1_n c(t)cos2wct -n S(t)s in 2wn。c(t)因此解调器的输出噪声功率为N。1

13、二1no(t) n c(t) -Ni44可得AM信号经过解调器后的输出信噪比为22(soNo-mf mf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GAMson。一薪Si Ni / m22.2.2调试过程elf;t=0:0.01:2;fe=50;A=10;fa=5;mt=A*cos(2*pi*fa.*t);xzb=5;sn r=1O.A(xzb/1O);db=AA2./(2*s nr);n it=sqrt(db).*ra ndn( size(mt);psmt=(A+mt).*eos(2*pi*fe.*t);psn t=psmt+ nit;xzb1=30;sn r1=1O.A(

14、xzb1/1O);db1=AA2./(2*s nr1);n it 仁 sqrt(db1 ).*ra ndn( size(mt);psn t1=psmt+ nitl;subplot(2,2,1);plot(t, nit；g);title，小信噪比高斯白躁声);xlabelf t);ylabel( nit);subplot(2,2,2);plot(t,ps nt；b);%青除窗口中的图形%定义变量区间%合出相干载波的频率%定义输入信号幅度%定义调制信号频率%俞人调制信号表达式%俞人小信躁比(dB)%h信躁比求方差沪生小信噪比高斯白躁声%俞出调制信号表达式%俞出叠加小信噪比已调信号波 形%俞人大信躁

15、比(dB)%由信躁比求方差沪生大信噪比高斯白躁声%俞出已调信号波形%划分画图区间title (叠加小信噪比已调信号波形)；xlabel C时间);ylabel (输出调制信号，);subplot (2,2,3);%le ngth用于长度匹配%画出输入信号与噪声叠加波plot (t ,n ;title (，大信噪比高斯白躁声，);xlabel Ct1);ylabel C nit);subplot (2,2,4);%画出输出信号波形plot (t,ps nt1,k*);title (叠加大信噪比已调信号波形)；xlabel （时间）;ylabel (输出调制信号，);小信噪比高斯白躁声犬信噪比专斯

16、白蹦声时间运行结果: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。而相应的输 出波形相对于发送端的波形误差也越大。而当噪声过大时信号几难分辨。这信噪比变小导致的在实际的信号传输过程中当信道噪声过大将会导致幅度相位等各失真当然由于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

17、号的时域表示设单频调制信号为m(t) Am COS 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 Am COS mtCOS ct 1 12 Am 8S( c n? - An c r?若保留上边带，则有111 susb (t) 2 Am cos( c m)t 2 Am cos m COS 菽 2 Am sin m Sin 菽 若保留下边带，则有7 o a cos( Cm)tca cosec ca sin tsln，、12Am)2AmITig龙 2Amm龙将上两式合并得： 曲(f)二 “ 虫力口 侬血 J=F g *押 sin o/mfsin (oc t由希尔伯

18、特变换Am COS mt Am Sin mt故单边带信号经过希尔伯特变换后得1 _1 *妫(0 = - as cos 4 cos sm 叫把上式推广到一般情况，则得到S0 = mAaicom的傅里叶变换siM?式中m (t)是m(t)的希尔伯特变换若M()是m(t)的傅里叶变换，贝UM?() M()jsgn上式中的C-jsgn 可以看作是希尔伯特滤波器传递函数，即Hh()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

19、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 SSB调制解调系统抗噪声性能分析噪声功率No11Ni nB44这里，B = fH为SSB信号的带通滤波器的带宽。信号功率SSB信号54=m(f)cos cojt m (f) sin oj 2 2与相干载波相乘后，再经低通滤波可得解调

20、器输出信号lv1 m4!/ +L /(Om因此，输出信号平均功率2 1 2S)m0(t) -m (t)16输入信号平均功率为S 严 (f) = - cosa? : A(f)sin 毋.于4因m与m的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式单边带解调器的输入信噪比为Ni noB 4n ob单边带解调器的输出信噪比为S。16m No _L4noB4制度增益gccdSSBSo/N o 1S/N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

21、_butt(Wp,Ws,Rp,As);if Wp = 0error( Passband edge must be larger than O) end if Ws = Wperror( Stopband edge must be larger than Passband edge) end if (Rp = 0) | (As 0)error( PB ripple and/or SB attenuation ust be larger than O ) endN = ceil(log10(10A(Rp/10)-1 )/(10A(As/10)-1)/(2*log10(Wp/Ws);fprintf(

22、 Butterworth Filter Order = %2.0f n,N)OmegaC = Wp/(10A(Rp/10)-1 )A(1/(2*N);b,a=u_butt ap(N,OmegaC);2. u_buttapfunction b,a = u_buttap(N,Omegac); z,p,k = buttap(N);p = p*Omegac;k = k*OmegacAN;B = real(poly(z);bO = k;b = k*B;a = real(poly(p);3. imp j nvr淋冲响应不变法子程序function b,a=imp_invr(c,d,T) R,p,k=res

23、idue(c,d); p=exp(p*T);b,a=residuez(R,p,k); b=real(b).*T;a=real(a);程序： t0=0.1;fs=12000;%to采样区间，fs采样频率 fc=1000;Vm0=2.5;ma=0.25; %fc载波频率，VmO输出载波电压振幅， ma调幅度 n=-t0/2:1/fs:t0/2;%老义变量区间 N=le ngth( n); A=4; 淀义调制信号幅度 x 仁 A*cos(150*pi* n); %调制信号 x2=hilbert(x1 ,N); %对x1做希尔伯特变换 y=(VmO*x1 .*cos(2*pi*fc* n)-VmO*x

24、2.*si n(2*pi*fc* n) )/2;%保留上边带的已调波信号 xzb=2;%俞入小信噪比(dB) sn r=1O.A(xzb/1O); h,l=size(x1);%求调制信号的维度 fan gcha=A*A./(2*s nr);%由信噪比求方差 n it=sqrt(fa ngcha).*ra ndn( 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 r1=10.A(xzb/10); h,l=size(x1);%求调制信号的维度 fan gcha=A*A./(2*s nr1); %由信噪比求方差 n it 仁

25、 sqrt(fa ngcha).*ra ndn( h,l); %产生高斯白噪声 yn仁y+ni t1;%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讥跃已调波信号)； 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 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

26、信号波形也以叠加大信噪比噪声的已调波信号)； X=fft(x1);%调制信号x1的傅里叶变换 Y=fft(y);%已调信号v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 Yn仁fft(ynl); %叠加大信噪比噪声的已调信号 yn的傅里叶变换 w=0:2*pi/(N-1):2*pi;%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);%合出横纵坐标的围 title。调制信号频谱力 subplot(2,2,2)%划分画图区间 plot(w,ab

27、s(Y)%画出已调波信号频谱 axis(pi/6,pi/4,0,2500);%合出横纵坐标的围讹跃已调波信号频谱; subplot(2,2,3)%划分画图区间 plot(w,abs(Y n)%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);%合出横纵坐标的围 MtleC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(Y n1) %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);%合出横纵坐标的围 title，叠加大信噪比噪声的已调波信号频谱)； y 仁 y-2*cos

28、(1500*pi* n); y2=VmO*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 Jn vr(cs,ds,T); y=filter(b,a,y2); yn=y+n it;figure(3) subplot(2,1,1)%划分画图区间 Plot (n ,y) %画出解调波波形title(解调波力 Y=fft(y);%军

29、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);%合出横纵坐标的围 title(解调信号频谱)；运行结果:* Butterworth Filter Order =已调波信号-0.050叠加小信噪比噪声的已调波信号20 70.05叠加大信噪比噪声的已调波信号-0.0500.053000已调波信号频谱2500 *调制信号频谱2000100025002000150010005000.20.40.602000 -1500-1000 -500 -0 E 1 L0.55 0.60.65 0.70.75叠加

30、小信噪比噪声的已调波信号频谱！加大信噪比噪声的已调波信号频谱250020001500100050000.550.6 0.65 0.7 0.7500.55/匚 匚 匚 匚0.6 0.65 0.7 0.75解调波解调信号频谱2500200015001000500000.050.10.15 0.20.250.30.350.40.450.5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

31、 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

32、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C1樊昌信，丽娜。通信原理（第六版）。国防工业。2仲麟，王峰。MATLAB仿真技术与应用教程M。：国防工业。20043亚雄，王坚。现代通信原理M（第三版）。：电子工业，2009.4：4解相吾，解文博。通信电子电路M。：人民邮电2010.65磊，唐晓辉。现代通信原理实验指导书。：航天工业高等专科学校，电子工程系。2009.7