线性调制系统设计(终稿)(通信工程课程设计).doc

湖南师范大学 课 程 设 计 论 文题 目 幅度调制系统的设计（包括AM、DSB、SSB、DSB-SC） 学院 物理与信息科学学院 专 业 通信工程 班 级 通信行政04班 学生姓名 唐顶志 学 号 2009130423 2012 年 9月 17 日至 2012 年 9 月 30 日 共 2 周指导教师 罗轶 2012年 10 月 1 日一 、设计的目的及要求设计目标：通过利用MATLAB/simulink系统仿真功能，设计一个线性幅度调制系统。实验知识要求：线性调制及解调原理、系统特点。MATLAB/simulin系统仿真知识。实验软件平台：MATLAB R2010a软件。二、设计课题的任务2 线性调制系统设计的概念及理论基础2.1 幅度调制与解调原理2.1.1 系统框图：调制信号调制器信道发送滤波器接收滤波器载波解调器噪声低通滤波解调信号2.1.2 基本概念幅度调制时用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按照调制信号的规律而变化的郭长城。将基带信号m(t)加入一个直流分量A后与载波相乘，即可形成AM信号。将直流分量A去掉，即可住处抑制载波的双边带信号。若让双边带信号通过一个带通滤波器火利用相移法即可产生SSB信号。即滤波法和相移法。解调是调制的逆过程，其作用是从接受信号中恢复出原基带信号。解调的方法分为两类：相干解调和非相干解调（如包络检波）。相干解调也称同步检波，适用于所有线性调制信号的解调。其关键是必须在已调信号的接受端产生与信号载波同频同相的本地载波。包络检波多用于广播接受机中，也适用于AM信号中。简单的模块如下LPF幅度调制与解调基本原理图线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。2.2 幅度调制（AM）幅度调制（AM）是指用调制信号去控制高频载波的幅度，使其随调制信号呈线性变化的过程。AM信号的数学模型如图3-1所示。图2-1 AM信号的数学模型为了分析问题的方便，令=0，2.2.1 AM信号的时域和频域表达式 =+mcos （2-1）=+ （2-2）图3-2所示为AM的波形和相应的频谱图。图2-2 条幅过程的波形及频谱2.2.2 AM信号的带宽 （2-3）式中，为调制信号的最高频率。2.2.3 AM信号的功率与调制效率= （2-4）式中，=为不携带信息的载波功率；为携带信息的边带功率。（2-5）AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。AM调制的最大缺点是调制效率低。2.3 双边带调制（DSB）如果将在AM信号中载波抑制，只需在图3-1中将直流 去掉，即可输出抑制载波双边带信号。2.3.1 DSB信号的时域和频域表达式（2-6）（2-7）其波形和频谱如图2-3所示。图2-3 DSB调制过程的波形及频谱2.3.2 DSB信号的带宽 （2-8）2.3.3 DSB信号的功率及调制效率由于不再包含载波成分，因此，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信号功率的一半，即 （2-9）显然，DSB信号的调制效率为100%。2.4 单边带调制（SSB） 产生SSB信号最基本的方法有滤波法和相移法。2.4.1 SSB信号的时域表达式 （2-10）式中，“”表示上边带信号，“”表示下边带信号；是的希尔伯特变换。 2.4.2 SSB信号的带宽、功率和调制效率（2-11）由于SSB信号仅包含一个边带，因此其功率为DSB信号的一半，即 （2-12）显然，SSB信号的调制效率也为100%。2.5 双边带抑制载波调制（DSB-SC）2.5.1 概述如果将AM信号中的载波抑制，只需在将直流去掉，即可输出抑制载波双边带信号（DSB-SC）。DSB-SC调制器模型如图1所示。图1 DSB-SC调制器模型 2.5.2 DSB-SC的时域、频谱及带宽在上述中，设正弦载波为（2-13）式中，为载波幅度；为载波角频率；为初始相位（假定为0）。假定调制信号的平均值为0，与载波相乘，即可形成DSB-SC信号，其时域表达式为（2-14）式中，的平均值为0。DSB-SC的频谱为（2-15）DSB-SC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检波来恢复调制信号， 需采用相干解调(同步检波)。另外，在调制信号的过零点处，高频载波相位有180的突变。除了不再含有载频分量离散谱外，DSB-SC信号的频谱与AM信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。所以DSB-SC信号的带宽与AM信号的带宽相同，也为基带信号带宽的两倍， 即（2-16）式中，为调制信号的最高频率。 三 幅度调制系统的MATLAB仿真MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。在用SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为时间流的仿真。而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据，首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用两种仿真方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同的。3.1 MATLAB的基本操作在桌面上双击MATLAB6.5.1的“启动”图标后将启动MATLAB。图3-1便是启用后的默认界面。 图3.1 MATLAB启用后的默认界面 从图3-1中可以看到MATLAB的启动界面主要包括六部分：标题栏、菜单栏、工具条、Command Window（命令窗口）、Workspace（工作窗口）、Command History（历史命令窗口）及Start（项目启动菜单）。其中，标题栏用于显示打开文件的名称：菜单栏包括“File”、“Edit”、“Web”、“Window”、和“Help”5个菜单；工具栏包括了一些常用的操作图标，单击它们MATLAB可立即执行相应操作。菜单栏和工具栏操作方法和其它应用程序中的操作方法相同。3.2 Simulink仿真技术Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。3.3 Simulink对通信系统的仿真3.3.1 通信系统仿真的基本步骤1） 建立数学模型：根据通信系统的基本原理，将整个系统简化到源系统，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分之间的关系，画出系统流程框图模型。2） 仿真系统：根据建立的模型，从SIMULINK 通信模型库（MATLAB 所提供的Communication Toolbox SIMULINK Block Library）的各个子库中，将所需要的单元功能模块拷贝到Untitled 窗口，按系统流程框图模型连接，组建要仿真的通信系统模型。3） 设置、调整参数：参数设置包括运行系统参数设置（如系统运行时间、采样速率等）和功能模块运行参数设置（正弦信号的频率、幅度、初相；低通滤波器的截至频率、通带增益、阻带衰减等）。4） 置观察窗口，分析仿真数据和波形：在系统模型的关键点处设置观测输出模块，用于观测仿真系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。5） 生成新的模块：对于Communication Toolbox 中没有的功能模块，可以根据已掌握的技术生成所需新的子模块，例如由C 或Fortran 编写MEX 文件，编译成DLL 后利用SIMULINK 提供的封装（Masking）功能封装或自定义模块库，以便随时调用。3.4设计思路1) 根据AM、DSB和SSB和DSB-SC信号的产生方法，利用Matlab/Simulink软件进行调制系统设计。2) 设计解调系统时，针对不同信号采用相干解调法或者非相干解调法。3) 利用Simulink中的Modulation模块库所提供的实现模拟信号解调的模块，完成系统设计。4) 信道中的噪声为加性高斯白噪声。四仿真过程4.1 AM信号调制解调的Simulink实现4.1.1 Simulink实现如图：4.1.2调制信号的频谱图如下：4.1.3输出波形：4.1.4 结果分析第一个为解调后的波形，中间为调制后的波形，最后面的是原信号的波形4.2DSB信号调制解调的Simulink实现4.2.1 Simulink实现如图： 4.2.2 已调制信号频谱图：4.2.3输出波形：4.2.4结果分析：第一个为调制信号波形，第二个是调制信号波形，第三个是已解调信号波形，第四个是载波波形。4.3SSB信号调制解调的Simulink实现4.3.1Simulink实现如图： 4.3.2已调信号频谱：4.3.3输出波形：4.3.4结果分析：第一个和第六是输入信号波形，第二个是下边带调制信号，第三个是已调制并经过滤波的信号波形，第四个是已解调的信号波形，第五个是下边带信号波形。4.4DSB-SC信号调制解调的Simulink实现4.4.1 Simulink仿真实现如图：4.4.2输出波形：4.4.3结果分析：第一个是输入信号波形，第二个是载波信号，第三个是已调制并经过滤波的信号波形，第四个是已调制的信号波形，第五个是解调后信号波形。五、课程设计心得通过这两周的课程设计，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解。通过课设中查阅资料等，我拓宽了知识面，增长了见识。在这过程中我遇到了很多困难，其中两大难点就是参数设置的调整和Simulink的应用，切身体会到自己的英文知识欠佳。不过，很欣慰自己可以坚持到底，最后圆满完成课程设计任务。 我深切体会到做任何事情都必须用心、耐心。我很感谢在课设过程中给予我帮助的老师和同学。我相信，我们的每一次拼搏都是未来的垫脚石，课程设计过程中所学到的东西我将受益终身。六、参考文献参考文献【1】 张义芳；高频电子