现代通信系统原理课程设计-SSB调制与解调及信号的采样与恢复.doc

现代通信系统原理 课程设计说明书 题目：SSB调制与解调及信号的采样与恢复 学生姓名： 张 瑞 学 号： 20110311222 院 （系）： 职业教育师范学院 专 业： 电子信息工程 指导教师： 李 慧 贞 2014年 6 月 29 日目 录第一章、引言.11.1 概述 .11.2 课程设计的目的 .21.3 课程设计的要求 .21.4 课程设计的指导思想.2第二章、SSB调制与解调及信号的采样与恢复的基本原理.32.1 幅度调制及信号的采样与恢复的原理.32.2 边带调制.42.3 单边带调制.52.4 相干解调.62.5 调制解调及信号的采样与恢复的意义.7第三章、单边带调制与解调电路设计.83.1 SSB电路的设计过程.83.2 带通滤波器.83.3 切比雪夫型带通滤波器.83.4 二阶有源滤波电路.93.5 SSB总电路.113.6 信号源.11第四章、设计内容及步骤.124.1对连续信号y=sin(t)进行抽样并产生其频谱.124.2 通过低通滤波恢复原连续信号.13第五章、设计体会及今后的改进意见.14参考文献.16一、 引言1.1 概述信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且是频谱资源得到充分利用。调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致相互干扰。而要还原出被调制的信号就需要解调电路。调制与解调在高频通信领域有着广泛的应用，同时也是信号处理应用的重要问题之一，系统的仿真和分析是设计过程中的重要步骤和必要的保证。论文利用Multisim提供的示波器模块，分别对信号的调幅和解调进行了波形分析。 AM调制优点在于系统结构简单，价格低廉，所以至今仍广泛应用于无线但广播。与AM信号相比，因为不存在载波分量，DSB调制效率是100%。我们注意到DSB信号两个边带中任意一个都包含了M(w)的所有频谱成分，所以利用SSB调幅可以提高信道的利用率，所以选择SSB调制与解调作为课程设计的题目具有很大的实际意义。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。用于实现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。论文主要是综述现代通信系统中，SSB调制解调的基本技术， 以及介绍分析有关电路组成。此课程设计的目的在于进一步巩固高频、通信原理等相关专业课上所学关于频率调制与解调等相关内容。同时加强了团队合作意识，培养分析问题、解决问题的综合能力。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。本实验设计的题目是：SSB调制与解调、信号的采样与恢复、采样定理的仿真。通过产生一个连续时间信号并生成其频谱，然后对该连续信号抽样，并对采样后的频谱进行分析，最后通过设计低通滤波器滤出抽样所得频谱中多个周期中的一个周期频谱，并显示恢复后的时域连续信号。实验中，原连续信号的频谱由于无法实现真正的连续，所以通过扩大采样点的数目来代替，理论上当采样点数无穷多的时候即可实现连续，基于此尽可能增加采样点数并以此来产生连续信号的频谱。信号采样过程中，通过采样点的不同控制采样频率实现大于或小于二倍最高连续信号的频率，从而可以很好的验证采样定理。信号恢复，滤波器的参数需要很好的设置，以实现将抽样后的信号进行滤波恢复原连续信号。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) 掌握模拟系统和SSB调制与解调的原理；(2) 来理解并掌握和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。(4) 信号的采样与恢复、采样定理的仿真 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，信号的采样与恢复、采样定理的仿真。通过产生一个连续时间信号并生成其频谱，然后对该连续信号抽样，并对采样后的频谱进行分析；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SSB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。(2) 设计实现SSB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) 掌握利用MATLAB在数字信号处理中的基本应用，并会对结果用所学知识进行分析。 (5) 对连续信号进行采样，在满足采样定理和不满足采用定理两种情况下对连续信号和采样信号进行FFT频谱分析。(6)从采样信号中恢复原信号，对不同采样频率下的恢复信号进行比较分析。(7) 对系统功能进行综合测试，整理数据，撰写课程设计论文。1.4 课程设计的指导思想由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不宜传输。因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，同时在接受端则需要有解调过程从而还原出调制信号。所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数，使这个参数随调制信号的变化而变化，最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的调幅(AM)、调频(FM)、调相 (PM)三种。解调是与调制相反的过程，即从接收到的已调波信号中恢复原调制信息的过程。与调幅、调频、调相相对应，有检波、鉴频和鉴相。振幅调制方式是用传递的低频信号去控制作为传送载体的高频振荡波（称为载波）的幅度，是已调波的幅度随调制信号的大小线性变化，而保持载波的角频率不变。在振幅调制中，根据所输出已调波信号频谱分量的不同，分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）、抑制载波的单边带调幅（SSB）等。AM的载波振幅随调制信号大小线性变化。DSB是在普通调幅的基础上抑制掉不携带有用信息的载波，保留携带有用信息的两个边带。SSB是在双边带调幅的基础上，去掉一个边带，只传输一个边带的调制方式。它们的主要区别是产生的方法和频谱的结构不同。第二章 、SSB调制与解调及信号的采样与恢复的基本原理2.1 幅度调制及信号的采样与恢复的原理 幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，是指随调制信号做线性变化的过程。设正弦载波为 （2-1）式中：A为载波幅度；为载波角频率；为载波初始相位。根据调制定义，幅度调制信号一般可表示成 （2-2）式中：m(t)为基带调制信号。设调制信号m(t)的频率，则由式（2.1）不难得到已调信号的频谱： 由以上表示式可见，在波形上，幅度已调信号，它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的搬移。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。模拟信号经过 (A/D) 变换转换为数字信号的过程称为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率 fs，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成分的两倍，这称之为采样定理。时域采样定理从采样信号恢复原信号必需满足两个条件： (1) 必须是带限信号，其频谱函数在 各处为零；（对信号的要求，即只有带限信号才能适用采样定理。） (2) 取样频率不能过低，必须 2 （或 2）。（对取样频率的要求，即取样频率要足够大，采得的样值要足够多，才能恢复原信号。）如果采样频率大于或等于，即（为连续信号的有限频谱），则采样离散信号能无失真地恢复到原来的连续信号 。一个频谱在区间（- ，）以外为零的频带有限信号，可唯一地由其在均匀间隔 （ ）上的样点值所确定。根据时域与频域的对称性，可以由时域采样定理直接推出频域采样定理。一个时间受限信号，它集中在（）的时间范围内，则该信号的频谱在频域中以间隔为的冲激序列进行采样，采样后的频谱可以惟一表示原信号的条件为重复周期，或频域间隔（其中）。采样信号 的频谱是原信号频谱 的周期性重复，它每隔 重复出现一次。当2 时，不会出现混叠现象，原信号的频谱的形状不会发生变化，从而能从采样信号 中恢复原信号 。综合以上，得采样定理：（1）对连续信号进行等间隔采样形成采样信号，采样信号的频谱是原连续信号的频谱一采样频率为周期进行周期延拓得到的；（2）设连续信号是带限信号，如果采样角频率大于等于2倍的最高截止频率，则采样信号通过一个增益为T，截止频率为Pi/T的理想低通滤波器可唯一恢复出原连续信号，否则会造成采样信号中的频谱混叠现象，不可无失真的恢复原连续信号。 以采样定理为依据设计本次实验，产生一个连续时间的余弦信号，并进行频谱分析，根据采样定理要求对所产生的连续时间信号进行采样和频谱分析，并将此频谱与连续信号的频谱进行比较。验证采样定理，改变采样频率，重复以上过程。设计低通滤波器，恢复原连续信号，对不同采样频率下的恢复信号进行比较，分析信号的失真情况。2.2边带调制 在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全有边带传送。如果在AM调制模型中将直流分量去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式抑制载波双边带信号（DSB-SC），简称双边带信号（DSB），其时域表示式为： （2-3） 式中，假设m(t)的平均值为0。DSB的频谱与AM的频谱相近，只是没有了在处的函数。单边带调制（SSB）信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成的。单频调制时，SSB信号的表达式为： 取上边带： （2-4） 取下边带： （2-5） （2-6）从上式看，单频时的SSB信号仍是等幅波，但它与原载波电压是不同的。SSB信号的振幅和调制信号的幅度成正比，它的频率随着调制信号频率的不同而不同，因此它含有消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同，在单频调制时，它们的包络都是一个常数。 与AM信号比较，因为不存在载波分量，DSB信号的调制效率是100，即全部功率都用于信息传输。但由于DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络来恢复调制信号。DSB信号解调时需采用想干解调，也称同步检波。 图（2-1） DSB调制器模型 图（2-2） DSB调制过程的波形及频谱2.3单边带调制 单边带调制（SSB）信号时将双边带信号中断一个边带滤掉二形成的。根据滤除方法的不同，产生SSB信号的方法有：滤波法和相依法。 产生SSB信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。我们把这种方法称为滤波法，他是最简单也是最常用的方法。（）为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：则可以滤除下边带,保留上边带(USB):否则可以滤除上边带,保留下边带(LSB).因此,SSB信号的频谱可以表示为： （2-7） 滤波法的技术难点是边带滤波器的制作。因为实际滤波器都不具有(2.6)或（2.7）所描述的理想特性，即在载频处不具有陡峭的截止特性，而是有一定的过渡带。 图(2-3) 单边带信号的频谱 图(2-4) 形成SSB信号的滤波特性2.4相干解调 图（2-5） 相干解调器的数学模型 相干解调也是同步检波。解调与调制的是指一样，军事频谱搬移。调制是把基带信号的频谱搬移到了载频的位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。解调则调制的反过程，即把在载频的位置的已调信号的频谱搬移回到原来原始基带位置，因此同样可以用相乘器的一般模型。相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为想干载波），它与接收的已调喜欢相乘后，经低通滤波器取出低频风量，即可得到原始的基带调制信号。相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。送入解调器的已调信号的一般表达式为 （2-8） 与同频同相的相干载波c相乘后，得到 （2-9） 由此可见，相干解调适用与所有线性调制信号的解调，即对于AM、DSB、SSB、和都是适用的。只是信号的解调结果中含有直流成分，这时在解调后加上一个简单隔直流电容即可。从以上分析可知，实现相干解调的关键是接受端要提供一个与载波信号严格同步的想干载波。否则，相干解调后将会是原始信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号是尤为严重。2.5 调制解调及信号采样与恢复的意义 在现实的环境中，我们所得到的一般信号振幅，频率都比较低，不能满足远距离，高清度的传输要求，必须将信号采用高频载波调制传输。我们在实际的生活中要将声音，图像，语言，文字等这些采集的低频信号进行远距离的传输是不理性的信号。由于要传输的基于低频范围，如果信号直接发射出去，需要的发射和接受天线尺寸太大，辐射效率太低，不易实现。我们知道，天线如果要想有效的辐射，需要天线的尺寸l与信号的波长v可以比拟。即使天线的尺寸为波长的十分之一，即l=v/10，对于频率为10kHz的信号，需要的天线长度为3Km，这样长的天线几乎是无法实现的。若将信号调制到10MHz的载波频率上，需要的天线长度仅为3m，这样的天线尺寸小，实现起来也比较容易。 如果要传输多个信号而不进行调制，那么它们在空中就会混在一起，相互干扰，接受断就无法将这些信息选择区分开来。若将不同的信息调制道不同但能区分开的高频载波上，就可以实现多路复用，提高频带的利用率。实际上，采用特殊的措施，如正交频分复用（OFDM）等技术，换可以进一步提高频带利用率。 此外，更高的频段，可用的频带更宽，可以传输更多的信息或容纳更多的用户，频带。利用率也更高。 通过查询各种资料，掌握了信号采样和恢复的原理及方法，进一步理解了连续时间信号的频谱与采样后频谱的关系，熟练掌握了采样定理，而在整个实验的思考设计过程中，不仅锻炼了我的思维，也让我体会到了必须以严谨与认真的科学态度对待科学研究。 第三章、单边带调制与解调电路设计3.1、SSB电路的设计过程 产生SSB信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。 （3-1） 图（3-1） 滤波法产生SSB的多级频率搬移过程3.2、带通滤波器由SSB的分析原理我们知道，当载波信号 与调制信号相乘以后产生了相同的上下两个边带 。为了节约带宽我们取下边带。 我们采用切比雪夫型带通滤波器如图4： 图（3-2） 切比雪夫带通滤波器3.3、切比雪夫型带通滤波器 图（3-3） 通过带通滤波器与双边带的信号 通过带通滤波器与双边带的信号。低通滤波器是通过从零到某一截止角频率的低频信号，而对大于的所有频率则完全衰减，因此其带宽。 3.4、二阶有源滤波电路 集成运放在有源RC滤波电路中作为高增益有源器件使用时，可组成无限增益多反馈环形有源滤波电路，而当作为有限增益有源器件使用时，则可组成所谓言控电压源滤波电路VCVS。二阶压控电压源的通滤波电路如图8所示。 图（3-4） 二阶有源滤波器 由图可见，他是有两节RC滤波电路和同相比列放大电路组成，其中同相比列放大电路实际上就是所谓的压控电压源。其特点是，输入阻抗高，输出阻抗低。前一指出，同相李烈放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即 （3-2） （1） 传递函数考虑到集成运放的同相输入端电压为 （3-3） 与的关系为： （3-4） 对于节点A，引用KCL可得 （3-5） 其中 （3-6） （3-7） 上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。其中=为特征角频率，而Q则称为等效品质因数。上式表明： （3-8） 才能稳定的工作。当 （3-9） 时，A(s)将有极点处于右半s平面或虚轴上，电路将自激振荡。幅频相应用s=j代入式（3.10），可得幅频相应和相频相应的表达式，分别为： （3-10） （3-11） 上式表明，当时，当时，。显然，这是低通滤波电路的特性。由式 （3.15）可得出不同Q值下的幅频相应，当Q=0.707时有最佳滤波特性。这表明二阶比一阶低通滤波电路低滤波效果好得多。当进一步增加滤波电路的接数，其幅频响应就更接进里想特性。如图9 图（3-5） 解调信号与原始信号得到的解调信号与原始信号。计算过程如下； 由式=，设c=10nF,且，则R=1.6k。设Q=0.707 3.5 SSB总电路 图 （3-6）3.6 信号源载波：0.2V，100kHz, 正弦型调制：5V， 10kHz, 正弦型带通滤波器： 4阶切比雪夫型低通滤波器： 二阶有源滤波器型第四章、采样及信号恢复设计内容及步骤4.1 对连续信号y=sin(t)进行抽样并产生其频谱 n1=input(请输入采样点数n:); n=0:n1; zb=size(n); figure sinf=sin(8*pi*n/zb(2); subplot(211); stem(n,sinf,.); xlabel(n);ylabel(x(n); title(采样后的时域信号y=x(n); w=0:(pi/100):4*pi; subplot(212) plot(w,fft1(w,sinf,n); xlabel(w);ylabel(x(w); title(采样后的频域信号y=FT（sin(n)）); grid 当输入n=20时，所得结果如下： 图 （4-1）当输入N=200时，所得结果如下： 图 （4-2）由抽样定理可知，抽样后的信号频谱是原信号频谱以抽样频率为周期进行周期延拓形成的，周期性在上面两个图中都有很好的体现。但是从10点和50点采样后的结果以及与员连续信号频谱对比可以看出，10点对应的频谱出现了频谱混叠而并非原信号频谱的周期延拓。这是因为N取值过小导致采样角频率，因此经周期延拓出现了频谱混叠。而N取50时，其采样角频率，从而可以实现原信号频谱以抽样频率为周期进行周期延拓，并不产生混叠，从而为下一步通过低通滤波器滤出其中的一个周期（即不失真的原连续信号）打下了基础。 4.2 通过低通滤波恢复原连续信号B,A=butter(8,350/500); H,w=freqz(B,A,512,2000);figure; plot(w*2000/(2*pi),abs(H); xlabel(Hz);ylabel(频率响应幅度);title(低通滤波器);grid; 低通滤波器的频谱图 图 （4-3） n1=input(请输入采样点数n:)； n=0:n1； zb=size(n)； figure sinf=sin(8*pi*n/zb(2)； y=filter(B,A,sinf)； subplot(2,1,1);plot(y)； %恢复后的连续信号y=sin(t) xlabel(t);ylabel(x(t)； title(恢复后的连续信号y=sin(t)； subplot(2,1,2);plot(w,abs(Y(1:256)； %绘制频谱图 xlabel(Hz);ylabel(频率响应幅度)； title(频谱图)； Grid；第五章、设计体会及今后的改进意见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