信号分析处理设计书.docx

武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书目录摘要i1设计原理11.1ssb调制原理11.1.1滤波法11.1.2相移法11.2 ssb解调原理21.2.1相干解调法21.2.2载波插入法32程序设计42.1函数的使用42.2信号的参数42.3程序设计43 simulink仿真与实验分析93.1绘制原理图93.2参数设置143.3仿真及分析153.3.1仿真波形153.3.2结果分析193.3.3改变参数194心得体会22参考文献24摘要单边带幅度调制（ssb）信号是将双边带幅度调制（ssb）信号中的一个边带滤掉而形成。由于占用更窄的频带，因而具有更高的频率利用率，在通信系统中得到广泛的应用。本次课程设计简单介绍了基于matlab的模拟信号单边带幅度调制（ssb）与解调分析。以matlab中的simulink为工具，利用simulink中的元件，根据设计原理画原理图，对模拟信号单边带幅度调制（ssb）与解调系统进行仿真，同时对其仿真结果进行分析，要是对ssb已调信号进行时域和频域分析。关键字：单边带；调制；解调；simulink；仿真i1设计原理1.1ssb调制原理 ssb调制属于幅度调制。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而变化的过程。双边带调制信号频谱中含有携带同一信息的上、下两个边带。因此，我们只需传送一个边带信号就可以达到信息传输的目的，以节省传输带宽、提高信道利用率。这就是单边带调制。ssb调制方法主要有滤波法和相移法。1.1.1滤波法滤波法是产生单边带信号最直接、最常用的方法。它就是从双边带信号中滤出一个边带信号，滤波法调制模型如图1所示。图1 滤波法调制模型设调制信号为单频信号f(t)= amcosmt，载波为c(t)=cosct，调制信号与载波信号相乘得到双边带信号，双边带信号时域表达式如下：sdsb(t) amcosmtcosct amcos(c+m)t+ amcos(c-m)t/2双边带信号经过一个滤波器，可以得到单边带信号。当取上边带时，单边带信号时域表达式为：susb(t)amcos(c+m)t/2am(cosctcosmt-sinctsinmt)/2取下边带时，时域表达式为：slsb(t)amcos(c-m)t/2am(cosctcosmt+sinctsinmt)/2上下边带的选取决于滤波器的选取。滤波器为低通滤波器时保留下边带，滤波器为高通滤波器时保留上边带。在实际应用中，滤波器的参数设置应当符合实际需求，并根据调制信号和载波信号的频率进行设置，以达到最高性能。1.1.2相移法相移法调制的模型如图2所示图2 相移法调制模型图中为相移网络；cosct经过相移网络后，输出为sinct。f(t) 经过相移网络后，将所有的频率成份移相-/2，实际上是一个希尔波特(hilbert)变换(也可以用一个宽带相移网络来代替)。设单频调制信号为f(t)=amcosmt，载波为c(t)=cosct，取下边带时，时域表达式为:slsb(t)amcos(c-m)t/2am(cosctcosmt+sinctsinmt)/2在slsb(t)amcos(c-m)t/2am(cosctcosmt+sinctsinmt)/2中，第一项与调制信号和载波的乘积成正比，称为同相分量；而第二项乘积中则包含调制信号与载波信号分别相移-/2的结果，称为正交分量。两路相乘结果相减时得到上边带信号；相加时则得到下边带信号。当调制信号为确知的周期性信号时，由于它可以分解成许多频率分量之和，因而只要相移i是一个宽带的相移网络，对每个频率分量都能相移-/2，则图中所示的相移法同样适用，只需将输入调制信号更改为0.5amcosmt即可。1.2 ssb解调原理解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原调制信号。它就是把接收到的ssb信号经过处理，滤掉载波成分，使之还原成发射之前的有用的信息。解调的方法可分为两类：相干解调和载波插入法。1.2.1相干解调法相干解调是单边带解调通常采用的方式，它使用一个同步解调器，即由相乘器和低通滤波器组成。在解调过程中，输入信号和噪声可以分别单独解调。相干解调的原理框图如图3所示：图3 相干解调模型单边带信号与载波信号相乘得到s1(t)。s1(t)=sssb(t)cosct= 0.5amcos(c-m)tcosct =0.25amcosmt+0.25amcos(2c-m)t，经低通滤波器可滤除（2c-m）分量，所得解调输出为s2(t)= 0.25amcosmt=0.25 f(t)。由此便可得到无失真的调制信号。相干解调要求本地载波的频率和相位必须严格。1.2.2载波插入法载波插入法模型如图4所示。图4 载波插入法模型由于接收到的lsb或者usb信号中不包含载波信号，所以必须在接收机里把缺失的载波补上(这个过程其实就是把ssb信号恢复成调幅波)，否则就不能得到我们想要的有用信息。包络检波法，即人为地给ssb信号加入一个大幅度的载波，再用包络检波方法。包络检波法不需要本地载波，易于实现。系统框图如图4所示。该方法也需要载波同步。调幅信号包络的形状和调制信号的形状一样，所以在接收端解调时，用包络检波的方法就能恢复出原调制信号。2程序设计2.1函数的使用三角波函数sawtooth：调用格式为x = sawtooth(t, width)。功能：产生一个周期为2、幅度在-1到+1之间的周期性三角波信号。其中width表示最大幅度出现的位置：即在一个周期内，信号从t=0到width2时函数值从-1到+1线性增加，而从width2到2又是从+1到-1线性下降。width取值在0-1之间。 若x = sawtooth(t, width)，则对应的周期为2/。ssb信号解调采用matlab函数demod实现，其函数使用格式为：x = demod(y,fc,fs,method,opt)y为ssb已调信号，fc为载波频率，fs为抽样频率，method为解调方式选择，ssb解调时为am，opt在ssb调制时可不选。观察信号频谱需对信号进行傅里叶变换，采用matlab函数fft实现，其函数常使用格式为：y=fft(x,n)，x为时域函数，n为傅里叶变换点数选择，一般取值。频域变换后，对频域函数取模，格式：y1=abs(y)，再进行频率转换，转换方法：f=(0:length(y)-1)*fs/length(y)。2.2信号的参数调制信号频率为300hz，载波频率为30khz，抽样频率为100000hz。信号表达式为m=a*cos(300*2*pi*t)，其中a是可变的。可以调节a的大小来观察波形变化。2.3程序设计当a=1时fs=100000; %抽样频率fs=100000;t=0:1/fs:0.01; %抽样间隔fc=30000; %载波频率a=1; %设a=1m=a*cos(300*2*pi*t); %调制信号x=fft(m); %对m进行傅里叶变换x=abs(x(1:length(x)/2+1); %调制信号频谱frqx=(0:length(x)-1)*fs/length(x)/2s = modulate(m,fc,fs,amssb); %对信号进行调制y=fft(s); %对s进行傅里叶变换y=abs(y(1:length(y)/2+1); frqy=(0:length(y)-1)*fs/length(y)/2 ; %已调信号频谱set(gcf,color,w) %颜色设置figure(1)subplot(421) %绘制调制信号时域图plot(t,m)title(调制信号时域图)subplot(422) %绘制调制信号频谱图plot(frqx,x)axis(0 3000 0 max(x)title(调制信号频谱图)subplot(423) %绘制已调信号时域图plot(t,s)title(已调信号时域图)subplot(424)plot(frqy,y) %绘制已调信号频谱图axis(0 60000 0 max(y)title(已调信号频谱图)sn=awgn(s,4); %加入高斯白噪声sn1=awgn(s,10);sn2=awgn(s,15);sn3=awgn(s,20);sn4=awgn(s,25);y1=demod(s,fc,fs,amssb); %无噪声已调信号解调yyn=demod(sn,fc,fs,amssb); %加噪声已调信号解调yyn1=demod(sn1,fc,fs,amssb);yyn2=demod(sn2,fc,fs,amssb);yyn3=demod(sn3,fc,fs,amssb); yyn4=demod(sn4,fc,fs,amssb);j1=fft(sn);j1=abs(j1(1:length(j1)/2+1)frqj1=(0:length(j1)-1)*fs/length(j1)/2; %加噪声后已调信号频谱j2=fft(yyn)j2=abs(j2(1:length(j2)/2+1)frqj2=(0:length(j2)-1)*fs/length(j2)/2 %加噪声后解调信号频谱set(gcf,color,w)figure(1)subplot(425) %绘制加噪声解调信号时域图 plot(t,yyn);title(加噪声解调信号时域图)subplot(426) %绘制加噪声解调信号频谱图plot(frqj2,j2);axis(0 3000 0 max(j2)title(加噪声解调信号频谱图)subplot(427) %绘制无噪声解调信号时域图plot(t,y1)title(无噪声解调信号时域图)subplot(428) %绘制无噪声解调信号频谱图plot(frqj1,j1)title(无噪声解调信号频谱图)a=1的实验结果如图5所示图5 a=1时的结果图当程序不变，只改变a的值，a改为0.5时，结果如图6所示。图6 a=0.5时的结果图当程序不变，只改变a的值，a改为1.5时，结果如图7所示。图7 a=1.5时的结果图对比图5、图6、图7，可以发现当改变a的值时，已调信号和解调信号的幅值在变化，a越大，已调信号和解调信号的幅值就越大。此外，加入噪声之后的解调信号解调效果不好。3 simulink仿真与实验分析在matlab 的集成仿真环境simulink中建立单边带调制与解调系统模型并实现对它的动态仿真，调制部分采用滤波法，解调部分采用相干解调法。3.1绘制原理图打开matlab7.5.0，在command window中输入simulink，按enter键，会出现simulink library browser界面，如下图8所示。下面以查找scope元件为例说明元件的查找及添加。图8 simulink library browser界面图在simulink library browser界面中输入自己需要的元件名，按enter键，在simulink library browser的右边列表中就会出现需要的相关元件，若元件型号与所需要的不同，重复按enter键，直至找到所需元件。scope元件的查找过程如下图9、图10所示。图9为输入了scope，但找到的是floating scope。图9 查找scope元件过程1接着不断按enter键，本次按了2次就出现了scope元件，如图10所示。图10 查找scope元件过程2右击scope元件，点击“add to the current model”,出现如下图11的界面，点击“确定”。图11 创建模型界面点击“确定”后出现一个名为untitled的模型窗口，并且scope元件已经添加到了窗口，如下图12所示。图12 模型窗口图按照查找scope元件的方法查找其他元件，将它们都添加到模型窗口中。找到并添加了所有所需元件后，将散乱排布的元件按照事先设计的原理图摆放好。并修改元件的参数，如scope元件只有一个引脚，双击scope元件出现如图13的界面，点击界面工具栏的第二个工具parameters，出现如图14的parameters界面，在界面中将“number of axes”中的1改为2，就可以将scope引脚数改为2个。图13 scope属性界面图14 scope的parameters界面摆放好后的元件如图15所示。图15 摆放好后的元件图连线。将有连线关系的元件连接起来。将鼠标移到一元件的引脚处，当鼠标变为十字架型的时候，按住鼠标左键不放，将鼠标移到另一元件的引脚处，当鼠标变成较粗的十字架时，释放鼠标，连线即可完成了。连线结果如图16所示。图16 元件连线图按照上述方法将所有有关系的原件连接起来，得到如图17的原理图。图17 ssb调制解调原理图3.2参数设置调制信号是幅度为2v，频率为pi的正弦波；载波信号是幅度为2v，频率为4*pi的正弦波，第一个巴特沃斯低通滤波器(analog filter design)用来滤出双边带信号中的一个边带，第二个巴特沃斯低通滤波器(analog filter design1) 用来滤出解调后的（2c-m）高频分量。第一个巴特沃斯低通滤波器的参数如图18所示。图18 第一个巴特沃斯低通滤波器的参数图第一个巴特沃斯低通滤波器的参数如图19所示。图19 第二个巴特沃斯低通滤波器的参数图3.3仿真及分析3.3.1仿真波形点击模型窗口的三角键（start simulation）,运行simulation。scope显示的是载波信号和调制信号的波形图，结果如图20所示。图20 载波信号和调制信号波形图averaging power spectral density 1显示的是调制信号的时域波形图、功率谱密度曲线（psd）和功率谱的相位信息。结果如图21所示。图21 调制信号的时域波形图、功率谱密度曲线和相位信息图scope1显示的是ssb信号和dsb信号的波形图，结果如图22所示。图22 ssb信号和dsb信号的波形图averaging power spectral density 2显示的是ssb信号的时域波形图、功率谱密度曲线（psd）和功率谱的相位信息。结果如图23所示。图23 ssb信号的时域波形图、功率谱密度曲线和相位信息图scope3显示的是ssb信号和载波信号相乘后的信号波形图，结果如图24所示。图24 ssb信号和载波信号相乘后的波形图averaging power spectral density 3显示的是ssb信号和载波信号相乘后信号的波形的时域波形图、功率谱密度曲线（psd）和功率谱的相位信息。结果如图25所示。图25 ssb信号和载波信号相乘后的波形时域波形图、功率谱密度曲线和相位信息图scope2显示的是解调信号波形图，结果如图26所示。图26 解调信号波形图averaging power spectral density 4显示的是解调信号时域波形图、功率谱密度曲线（psd）和功率谱的相位信息。结果如图27所示。图27 解调信号的波形时域波形图、功率谱密度曲线和相位信息图3.3.2结果分析分析图20，由图可知载波信号频率是调制信号频率的4倍，而图21显示出调制信号频率大约为pi。仿真实际设置的载波信号频率是4*pi, 调制信号中心频率是pi。实验结果符合参数设置。分析图22，可知ssb信号和dsb信号波形符合预期结果。图23显示出ssb信号中心频率大约为3*pi，这和理论值（c-m）=4*pi-pi=3*pi是相符合的。说明本部分实验结果是正确的。分析图24，可知ssb信号和载波信号相乘后的信号波形符合预期结果。图25显示出ssb信号和载波信号相乘后的信号中心频率大约为pi 和7*pi，这和理论值m=pi和（2c-m）=2*4*pi-pi=7*pi是相符合的。说明本部分实验结果是正确的。分析图26，可知解调信号波形符合预期结果。幅值减小了一些。图27显示出解调信号中心频率大约为pi，这和理论值m=pi是相符合的。综上说明本次仿真是成功的。