基于matlab软件仿真——单边带、双边带调制解调程序和Simulink建模仿真

福 建 师 范 大 学 应 用 科 技 学 院学 生 论 文论文题目： 基于matlab软件仿真单边带、双边带调制解调程序和Simulink建模仿真 指导教师： 吴淑莲 学 号： 120352010026 姓 名： 吴美娜 年 级： 2010级 专 业： 电子信息工程 二0一四 年 二 月 二十七 日基于Matlab软件仿真 单边带、双边带调制解调程序和Simulink建模仿真应用科技学院 电子信息工程专业120352010026 吴美娜 指导教师:吴淑莲【摘要】：本文利用Simulink软件上的动态集成建模仿真以及Matlab编程静态仿真方式分别对DSB、SSB进行系统仿真，使之能够在计算机中得到DSB、SSB调制与解调系统各个环节的理论波形,并对其仿真结果进行分析和处理，这样可以直观易懂。Matlab是一个功能强大的工具软件。Matlab中的Simulink建模是一种用于对动态、可视化仿真的软件包。Matlab编程是一种静态仿真方式，利用Matlab集成环境下的M文件，运行调用plot函数，编写程序和参数设置来实现DSB、SSB信号的调制和解调的仿真，从而分别得出我们所需要的相应波形图。【关键词】： Matlab、Simulink、双边带、单边带、调制、解调 目录1绪论11.1引言11.1.1选题目的11.1.2选题任务11.1.3主要设备和软件11.2通信技术及其仿真技术12 模拟通信系统的仿真原理22.1AM信号基本原理22.1.1AM调制原理22.1.2AM解调原理22.2双边带（DSB）信号的基本原理32.2.1双边带（DSB）调制原理32.2.2双边带（DSB）解调原理42.3单边带（SSB）信号的基本原理42.3.1单边带（SSB）调制原理52.3.2单边带（SSB）解调原理53 Matlab程序仿真63.1双边带（DSB）程序仿真图73.2单边带（SSB）程序仿真图84 Simulink动态建模仿真84.1双边带（DSB）建模仿真94.1.1模块图94.1.2模块存放位置及参数取值94.1.3仿真结果图形104.2 单边带(SSB)建模仿真124.2.1模块图124.2.2模块位置及参数取值124.2.3仿真结果图形135两种仿真比较及结论145.1区别145.2结论15参考文献15附录16I1绪论1.1引言现代通信技术的不断发展实现了人类的一直以来都不敢想的“梦”。19世纪30年代，有线电报被莫尔斯发明，起先电通信的距离仅70km；1866年，越洋电报通信的是利用了大西洋海底电缆来实现；70年代，贝尔发明了有线电话，有线电话的发明被视为现代通信的开端；19世纪末，无线电报的实现，开创了无线电通信发展的道路；20世纪60年代，在这个期间以来随着大规模集成电路和晶体管不断问世，大大加快了通信的发展1。通信可以说是人类社会所离不开的信息。随着科学技术的发展，世界经济也在不断进步，人类社会也开始进入信息化时代这样一个新的历史时期。现代通信理论与技术的发展日新月异，通信新理论、新技术、新方法、新设备应运而生，层出不穷，通信技术不断向数字化、综合化、智能化等等一系列方向发展2。通信技术的进步能够改变大家的生活、工作和相互交往的方式。当代通信所研究的主要问题是如何把大量信息准确地、有效地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿3。1.1.1选题目的 应用仿真过程和仿真所得出的结果对通信系统原理进行分析和理解，并掌握模拟系统调制与解调； 熟练掌握使用Matlab分析调制与解调的方式，且练习Matlab进行编程、参数设置和Simulink动态建模仿真的步骤和过程的操作和使用；利用Matlab软件对调制与解调进行仿真，结合编程和建模，对仿真所得出的结果进行分析和解读，这样能够更加深入地掌握模拟调制系统的相对应的知识；利用自主学习系统建模、设计能力和创造力，来逐渐培养自己独立思考，分析和解决问题的能力，为以后道路上自主学习的能力增添经验。1.1.2选题任务 设计调制与解调模拟系统，利用编程的静态仿真方式和Simulink动态建模仿真方式来实现相关的功能； 实现双边带、单边带的调制与解调的模拟仿真的同时，还应给出系统的设计框图、Matlab源程序以及仿真出来的波形图，并要求给出程序的相应解析，记录系统输出的各个仿真结果的波形和频谱图； 对系统相应功能影响进行一个全面测试，并处理数据，撰写毕业论文。1.1.3主要设备和软件PC机，一台MATLAB6.5以上版本软件，一套1.2通信技术及其仿真技术在生活当中，只要我们一说到通信，就会很自然而然地想到传递消息最常用、最快捷和最方便的通信方式：电话、手机、E-mail等。这些不同通信方法，以电信号的方式来传递各种消息，可称之为电信。这些发射器发射的电信号在发射端开始传输并在接收端把这样一个结构原消息恢复构成一个通信系统实现信息传递所需的一切传输媒质和技术设备的总体称为通信系统。通信应用程序，因为信源的多样性，通信业务同样也是变化的，因而可以将其分为：离散和连续两种。离散消息，输出的消息只能是在有限个数值中波动。并且在时间上是离散不连续变化的信号就是数字信号。连续消息，可以看作幅度在给定的范围内随时间连续变化。扩展基于其他一些产品的Simulink的多领域建模功能，同样具有设计、执行、验证和确认任务的工具。应用动态建模仿真工具Simulink对通信系统进行的仿真分析的方法可分为：对仿真算法的验证；对数字模型的有效性仿真进行验证；对通信系统静态程序仿真模型的验证。当代，大量的通信系统仿真技术，进行分析和评价计算机辅助技术的发展，可划分为三类：（1） 结合通信系统建模和仿真方法的辅助测试设备，往往在中后期原型系统的实现和原型系统调试中应用；（2） 基于软件的模拟系统仿真方式，要先对通信系统进行数学建模，之后再通过模拟系统行为，且对系统性能指标进行仿真测试和统计分析这样一系列方法；（3）基于计算机对繁琐的系统性能评估公式进行数值计算来实现理论分析的解析方法。通信系统仿真的步骤如下所示：（1）建立数学模型:根据通信系统原理，进行简化系统，明确系统功能，且对各个部分的功能进行分模块，发现之间相对应关系，并描绘出系统流程框图模型。（2）仿真系统：依据所建的模型将所需要的单元功能模块从Simulink通信模型库的各个子库中复制到未命名的窗口，按原理框图模型连接，组建需要仿真的系统模型。（3）设置并调整参数：包括功能模块运行参数设置(如正弦信号的幅度、频率；)和运行系统参数设置（如系统运行采样速率、时间等）。 （4）设置观察窗口，分析仿真结果：在系统模型设置输出模块，实现对仿真系统运行情况的观测，能够及时修改参数，得出结果。2 模拟通信系统的仿真原理2.1AM信号基本原理2.1.1AM调制原理调制原理：带通滤波器、加法器和乘法器一起行成了AM信号调制器。调幅信号调制时要想能够遵循调制信号的变化规律的过程，则需要采用调制信号区来控制高频正弦载波的幅度，也就是按照原始电信号的变化规律去改变载波某些参量的这样一过程，通过调制可以把基带调制信号的频谱搬移到载波频率的附近。AM调制器模型如图1所示4：图2-1 AM信号调制原理框图若已调信号的输入调制信号和包络是实现线性关系，并且时间波形数学公式为： (2-1) 则称其为振幅调制。其式子中的为外加的直流分量；为输入调制信号；为载波的频率；为载波的频率；并且其最高频率为。2.1.2AM解调原理解调原理：我们知道解调是调制的逆过程得来的，AM信号在解调时把接收到的已调信号还原成调制信号，这样就可以将已调信号中的的调制信号的全部特征恢复出来。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。通过载波的波形以及信号的频谱、波形，对两个波形之间频率的大小关系进行分析，再将两个函数实现相乘，经过低通滤波器可以得出已调信号与载波信号相乘作相干解调来还原出原始信号。AM信号的解调器模型如下图2所示4：图2-2 AM信号相干解调原理框图用数学表达式清晰地说明相干解调法的工作原理： (2-2) 用一个隔直流电流来去除式中的直流成分。2.2双边带（DSB）信号的基本原理2.2.1双边带（DSB）调制原理调制原理：若假设在幅度调制的一般模型中调制信号中不存在直流分量，而滤波器为全通网络,那么输出的已调信号在双边带（DSB）调制信号中就是无载波分量了。调制信号的相位发生一次突变，是因为发生信源信号极性的变化。调制的目的：就是进行频谱搬移，将调制信号频谱移动到理想位置来实现提高系统信息传输的可靠性和有效性。DSB调制原理框图如图3所示5： 图2-3 DSB调制原理框图DSB信号的数学公式为： (2-3) 令初始相位为零，表达式变为： (2-4) 双边带信号可以认为是基带载波与信号相乘，频域上就是卷积，数学公式为： (2-5)式中，是调制信号的频谱。频谱中包含上边带、下边带，且这两个边带包含的信息相同，所以将其称为双边带调制。双边带（DSB）信号的频谱图用下图表示4：图2-4 双边带（DSB）信号频谱2.2.2双边带（DSB）解调原理解调原理：双边带相干解调，是将频谱搬移到理想的低频中，应用本地载波信号与调制信号相乘来实现调制信号在低通滤波器中快速还原出来。图4为双边带相干解调原理框图：图2-5 双边带（DSB）相干解调框图DSB信号的工作原理将框图和数学表达式结合起来加以理解6。 (2-6) (2-7)2.3单边带（SSB）信号的基本原理 单边带调制也属于幅度调制当中的，单边带能够实现调制信号作线性变化的过程，是因为高频载波的幅度被调制信号所控制。幅度已调信号的幅度在波形上，是随着基带信号的的变化而相对应的跟着变化；及在频谱的频谱结构上，即可以认为在频域中完全的基带信号的频谱的简单搬移。2.3.1单边带（SSB）调制原理单边带调制原理：在双边带当中，上边带和下边带包含相同的信息，这样就没有必要将两个边带都传输出来，可以避免了重复。所以，可以利用线性调制器中的滤波器滤掉双边带上、下边带当中的一个，只传输双边带中的一个边带，这样发送功率和传输宽带都将是双边带调制时的一半，这就是单边带调制。我们可以把得到单边带（SSB）的这个过程叫作滤波法。相对于AM和双边带（DSB）的带宽来说，单边带信号的带宽很容易看出减小了一倍，因而提高了信道利用率，同时由于抑制载波并仅发送一个边带，不仅节省了边带还节省了功率，因而在通信中获得了广泛应用。SSB调制原理框图如图5所示7：图2-6 单边带（SSB）调制原理框图 滤波法电路结构简单，但是要求单边带（SSB）滤波器的特性十分接近理想滤波器，具有锐截止特性。要想得到上边带信号，则需要在调制器中采用一个传输特性为高通滤波器就可以实现了；而要想得到下边带信号，只需要在调制器中采用一个传输特性为低通滤波器就可以实现了8。图2-7 单边带（SSB）信号频谱2.3.2单边带（SSB）解调原理因为SSB信号的包络没有把基带调制信号的波形直接放映出，所以包络解调方法不能够将单边带信号解调出来。通常SSB信号要用相干解调法。相干解调也叫同步检波。调制和解调的基本性质是相同的，都是进行频谱搬移。调制是把基带信号的频谱移动在载频位置上，用一个相乘器来实现整个过程。解调与调制是相反的过程，就是将在载波位置的已调信号的频谱移动到最初的基带位置，所以也照样能够用载波和相乘器相乘来实现。图6所示的原理方框图表示SSB相干解调：图2-8 单边带（SSB）相干解调框图 在单边带信号解调时，用载波和接收信号相乘，可以理解为载波频谱和信号频谱在频域中相卷积。还可以用数学表达式来更清晰地说明相干解调的工作原理5： (2-8) (2-9)3 Matlab程序仿真 Matlab具有很多功能强大地函数，实际上M文件就是一个命令集。在Matlab中的M文件大多数是函数式M文件，函数式M文件对其输入变量进行种种处理，然后创建它的变量，输出其结果。Matlab编程当中，程序的书写风格要特别注意，并且在编程中若注解详细，思路清晰，运行速度快，这样更容易证明程序的好坏。M文件编程中开头的注释行可以使用“help”命令，并在命令窗口中显示出来作为该程序的帮助信息。M文件编程方式是Matlab高级应用的一种常用方式，它适用于比较复杂的问题当中求解9。 3.1双边带（DSB）程序仿真图图3-1 DSB信号调制与解调波形和频谱3.2单边带（SSB）程序仿真图图3-2 SSB信号调制与解调的波形和频谱4 Simulink动态建模仿真 建模是通过MATLAB/Simulink从一个小模块设计到具有一定功能的完整模块设计，从简单的单个小问题的判断调试到整体化模块的分析思维。Simulink建模属于Matlab软件的一部分，他可以对动态系统建模、仿真和对仿真所得波形图进行解析的一个软件包。为便于能够实现快捷创建所需要的动态建模，Simulink给出了具有实际应用价值的仿真模型，这个创建过程只要对鼠标进行单机并拉动操作就可以实现了2。采用Simulink建模仿真工具可以以很直观的方框原理图方式对通信系统进行建模，并且实现基于时间流仿真，使得工程中的方框图和仿真系统建模统一起来，从频谱仪模块、示波器模块以及输入输出数据模块、显示出来，对通信系统的运行过程与物理概念更便于直观理解，大大方便了系统的仿真工作34.1双边带（DSB）建模仿真 4.1.1模块图 图4-1 双边带（DSB）建模模块图104.1.2模块存放位置及参数取值表4-1 Signal Generator（信号发生器）的参数设置 模块名称 Signal Generator11 位置 SimulinkSources参 数 名 称参 数 值Wave form（波形)sineAmplitude（幅度）1Frequency（频率）8Unit（单位）Hertz表4-2 DSB AM Modulator Passband（双边带频带幅度调制器）的参数设置 模块名称 DSB AM Modulator Passband 位置 Communications BlocksetModulationAnalog Passband Modulation参 数 名 称参 数 值Input signal offset(输入信号偏移)1Carrier frequency（载波频率）180Initial phase(rad)(初始相位)Pi/3表4-3 DSB AM Demodulator Passband（双边带频带幅度解调器）的参数设置 模块名称 DSB AM Demodulator Passband位置 Communications BlocksetModulationAnalog Passband Modulatiaon参 数 名 称参 数 值Output signal offset(输入信号偏移)1Carrier frequency(载波频率)180Initial phase(rad)（初始相位）Pi/3Lowpass filter numerator(低通滤波器分子)4.57 9.14 4.57*.01Lowpass filter denominator(低通滤波器分母)1 -1.3108 .4936Sample time(抽样间隔)0.001表4-4 Scope（示波器）的参数设置 参数名称 Scope 参数位置Simulink/Sinks参 数 名 称参 数 值Number of axes(信号数)1Time range(时间范围)1Sampling time(取样时间)14.1.3仿真结果图形图4-2 双边带（DSB）原始信号波形图4-3 双边带(DSB)调制信号波形图4-4 双边带（DSB）解调信号波形4.2 单边带(SSB)建模仿真4.2.1模块图图4-5 单边带（SSB）建模模块图4.2.2模块位置及参数取值表4-5 Signal Generator（信号发生器）的参数设置 模块名称 Signal Generator 位置 SimulinkSources参 数 名 称参 数 值Wave form（波形)sineAmplitude（幅度）1Frequency（频率）1Unit（单位）Hertz表4-6 SSB AM Modulator Passband（双边带频带幅度调制器）的参数设置 模块名称SSB AM Modulator Passband 位置 Communications BlocksetModulationAnalog Passband Modulation参 数 名 称参 数 值Carrier frequency（载波频率）100Initial phase(rad)（初始相位）0Bandwidth of the input signal(Hz)10Time delay for Hilbert transform filter(s)0.01Sample time(抽样间隔)0.001表4-7 SSB AM Demodulator Passband（双边带频带幅度解调器）的参数设置 模块名称 SSB AM Demodulator Passband 位置 Communications BlocksetModulationAnalog Passband Modulatiaon参数名称参数值Carrier frequency（载波频率）100Lowpass filter numerator(低通滤波器分子)4.57 9.14 4.57*.01Lowpass filter denominator(低通滤波器分母)1 -1.3108 .4936Initial phase(rad)(初始相位)0Sample time(s)(抽样间隔)0.001表4-8 Scope（示波器）的参数设置 参数名称 Scope 参数位置Simulink/Sinks参 数 名 称参 数 值Number of axes(信号数)1Time range(时间范围)1Sampling time(取样时间)14.2.3仿真结果图形图4-6 单边带（SSB）原始信号波形图4-7 单边带(SSB)调制信号波形图4-8 单边带（SSB）解调信号波形5两种仿真比较及结论 以上实验采用Matlab软件仿真，虽然需要学习新的计算机语言，但Matlab语言入门容易，仿真功能强大，交互性强,能实现任意输入信号源的双边带、单边带调制解调处理过程。Matlab仿真便于改变通信系统的参数，从而具体考察某个或某几个变量的影响。采用软件仿真，其结果不会因为时间的推移而带来什么误差，但有可能会受到程序性能的影响。此次设计分别从Matlab程序和Simulink动态建模两种仿真进行了实验，从中直接得出了双边带（SSB）、单边带（DSB）的波形图和频谱图的仿真结果。5.1区别Matlab程序仿真：Matlab程序仿真相对于动态建模仿真，其功能更强大。并且编程效率是很高的，但运行效率很低，比起其他高级语言慢很多。Matlab编程可以对微分方程进行求解，应用其求解方法从而得到系统的仿真结果。Simulink动态建模仿真：Matlab软件中的Simulink库是仿真的一个重要工具，其形象直观方便。Simulink中采用的模块和每个模块建模方式的框图，应用的输入、输出接口就能够实现一定的功能，模型结构十分直观，用户不需要深入解读各个模块内部的实现功能，对于复杂的系统建模来说无非更加方便了很多。Simulink建模拖拉图形比较方便，可以直接拉动鼠标操作将一系列模块连接起来。建模的实现，给通信理论的无论是现象观察还是原理验证或是新通信系统的设计等等都带来了很大的方便，Simulink建模更加适用于大型系统的建模和仿真12。在本次课程设计中先根据双边带、单边带调制与解调原理，从Simulink工具箱中找所需元件，合理设置好参数并运行，最后通过对输出波形分析判断出双边带、单边带调制解调系统仿真是否成功。5.2结论无论是Matlab编程还是Simulink动态建模仿真，所实现的通信系统双边带（DSB）、单边带（SSB）调制解调的功能都是一样的。单边带（SSB）调制时对基带信号的线性频谱产生了搬移，而调制前后仅仅只是频谱位置发生了改变，而频谱形状并没有发生改变13。双边带（DSB）信号两个边带中任意一个边带针对Matlab软件中的静态编程和动态建模两种仿真方法都能够看出体现出它们包含了原基带信号的所有频谱成分，单边带(SSB)所需要的传输带宽可以看做是双边带的一半,调制后所得的下边带中的任意一个信号就能够反映原基带信号所携带的信号。因为单边带信号效率很高，频谱也相对较窄，因此单边带的应用很广泛。参考文献1 陈岩，乔继红.通信原理与数据通信.北京：机械工业出版社，2006,102 孙青华.现代通信技术及应用.北京：高等教育出版社，2011,7 3 张德纯，王兴亮.现代通信理论与技术导论.西安：西安电子科技大学出版社，2004,104 张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京：人民邮电出版社，2012.9,13.5 杨万全.现代通信技术.成都：四川大学出版社，200,3（2004,1重印）6 王兴亮.通信系统原理教程.西安：西安电子科技大学出版社，2007,37 沈保锁，侯春萍.现代通信原理.北京：国防工业出版社，2006,18 郑君里等.信号与系统（上）M.北京：高等教育出版社.2000.5,100-3099 李妍.MATLAB通信仿真开发手册.北京：国防工业出版社，2005.110 徐利民，舒君，谢优忠.基于MATLAB的信号与系统实验教程.北京：清华大学出版社，2010.211 谷源涛，应启珩，郑君里.信号与系统：MATLABH综合实验.北京：高等教育出版社，2008.112 徐明远等.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：西安电子科技大学出版社，2005.613 牛凯.移动通信原理.电子工业出版社，2003:90-12614 樊昌信.通信原理教程(第3版).北京：电子工业出版社，2012.12Based on Matlab software simulationsingle sideband, double sideband modulation and demodulation process and simulink modeling and simulationCollege of Applied Science and technology Electronic Information Engineering120352010026 Wu Meina Guidance teachers: Shulian Wu【abstrack】： The Simulink software which is a compositive environment to model and simulate for dynamical systems in Matlab system and Matlab programming static simulation methods are used for stimulating the system of double sideband (DSB), single sideband (SSB). The theoretical waveform which can get DSB, and SSB modulation and demodulation system of each link, and the simulation results were analyzed and processed in perceptual intuition. Matlab is a powerful tool software with the Matlab programming language.Simulink modeling in Matlab is a visual simulation software package for dynamic. And matlab programming is a static simulation method, using the integrated environment of Matlab M file. it runs the plot function calling, writes the program and parameter settings to realize the simulation of DSB, SSB signal modulation and demodulation, then draws diagrams corresponding waveform we need.【keywords】： Matlab、Simulink、double side band、single side band、modulation 、demodulation附录 双边带Matlab源程序14:Fm=8; Fc=180; %载波频率 Fs=1000; %抽样频率N=200; %频域采样点数k=0:N-1;t=k/Fs; %信号时间序列x=abs(sin(2*pi*Fm*t);%生成半波整流信号xf=abs(fftshift(fft(x,N)/Fs;%生成半波整流频谱y=modulate(x,Fc,Fs,am);%已调信号yf=abs(fftshift(fft(y,N)/Fs;%已调频谱f=linspace(0,Fs*(N-1)/N,N)-Fs/2;%频域定义区间yo=demod(y,Fc,Fs,am);%解调信号yfo=abs(fftshift(fft(yo,N)/Fs;%解调频谱b,a=butter(2,2*pi*Fc,s);%生成一2阶butterWortxb=lsim(tf(b,a),yo,t);%低通滤波信号xbf=abs(fftshift(fft(xb,N)/Fs;%低通滤波频谱subplot(4,2,1);%绘制第一行两个子图并列放置的其中左侧的一个曲线plot(t,x);xlabel(t);%添加x轴上的标记“t”ylabel(x(t);%添加y轴上的标记“x(t)”title(原始信号);%添加图形标题为“原始信号”subplot(4,2,2);%绘制第一行两个子图并列放置的其中右侧的一个曲线plot(f,xf);xlabel(f);ylabel(X(f);title(原始信号频谱);%添加图形标题为“原始信号频谱”subplot(4,2,3);%绘制第二行两个子图并列放置的其中左侧的一个曲线plot(t,y);xlabel(t);ylabel(y(t);title(调制信号);%添加图形标题为“调制信号”subplot(4,2,4);plot(f,yf);xlabel(f);ylabel(Y(f);title(调制信号频谱);subplot(4,2,5);plot(t,yo);xlabel(t);ylabel(yo(t);ti