基于MATLAB信号源、滤波器和信号的调制与解调毕业论文.doc

毕业论文（设计）摘 要通信技术是当代最主要的三大技术之一，其原理内容丰富且抽象，怎样让这门课程学习起来更加透彻的接受，是各高校及相关学习者的热点话题。由通信原理的抽象特点提出了使用MATLAB仿真进行可视化。在通信系统的相关知识学习中引入MATLAB仿真软件可以弥补传统教学的不足，同时也可以让学习者在边练边学边设计的环境下，完成对通信系统枯燥的理论知识的学习。通过大量实践已经证明，它既可以在学习中让抽象的理论更加形象直观，而且还可以避免大量的复杂计算，使学习效果得到明显的改善。本文具体讲解了应用MATLAB语言以及仿真处理技术确保图形结构样式简单易懂，为后期的系统学科发展起奠基作用。本设计主要阐述了基于 MATLAB 工具的建设通信系统概念模型的原理以及具体的讲述了几个主要的通信系统的模块，对信号源、滤波器和信号的调制与解调作用进行分析。关键词：MAT LAB；Simulink；抽象的通信系统理论；调制；解调IIAbstract ICT is one of the three most important contemporary art, rich and abstract principle, this course to learn how to make it more thorough acceptance, universities and related learner is a hot topic. Abstract characteristics of the communication theory proposed the use of MATLAB simulation for visualization. The introduction of relevant knowledge and learning communication system MATLAB simulation software can compensate for the lack of traditional teaching, but also allows learners to learn while practicing under the design environment, complete communication systems boring theoretical knowledge. Through a lot of practice has proved that it can make in learning more visually abstract theory, but also to avoid a large number of complex calculations to make learning effect has been significantly improved. This paper explains the application of MATLAB language and simulation processing technology to ensure that the graphic structure style is simple and easy to understand,for laying the system of discipline development.This design mainly expounds the principle of the construction of communication system and conceptual model of MATLAB tools and specific about the communication system of several major modules based on modulation and demodulation signal source,filter and signal analysis. Key words: MATLAB; Simulink; abstract communication systems theory; modulation; demodulation目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 通信系统研究的背景11.2 在通信系统中引用MATLAB的必要性12 MATLAB/simulink的简介32.1 MATLAB系统的简介 32.2 Simulink系统的简介32.3 MATLAB软件的操作33 通信系统仿真模型的设计73.1 通信系统的基本模型73.2 通信系统模型的分类83.3 通信系统模型设计的关键94 基本通信系统主要模块的建模与分析114.1 滤波器的设计114.2 通信系统的调制与解调模块154.3 幅度调制以及MATLAB的仿真164.4 信源模型225 设计实例分析-调幅广播系统的设计分析24结 论26致 谢27参考文献28附 录291 绪论1.1 通信系统研究的背景随着社会的发展与科学技术的突飞猛进，高度的信息化已成为主流，信息与通信控制着现代社会的命脉。只有通过广泛的交流与传播才能使信息具有利用价值，它可以促进人与人之间的协作、推动社会的革新与进步，使经济效益最大化。在通信系统和控制系统中，信息作为一种资源是普遍联系的形式。当前，在不同的研究领域中许多研究者指出了关于信息的不同且具有代表意义的定义。1948年，信息奠基人、数学家香农指出：“信息是用来消除随机不定性的东西”。而在控制系统领域中，控制论创始人维纳指出：“信息是人们适应外部世界，并使这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行互相交换的内容和名称”。而通信技术是传输信息的一种方式手段，通信技术、计算机技术与传感器技术已成为21世纪的三大关键技术。1.2 在通信系统中引用MATLAB的必要性信息在通信系统的传输过程中，只有在无线的尺寸与信号的波长相比拟时，信号才能有效地被传送。在实际的信号传输中，符合传送要求的天线尺寸有的需要在几百公里左右，因此，需要将初始信号调制令信号的频谱移动到高频率范围内，只有这样才能有利于实现信号的辐射。调制的作用是将频率范围一致的信号搬移到不同频率范围的载波上，接受端通过解调分离出所需要的初始信号。若发送端不经过调制就把信号发射出去，发射出的信号频率范围相同，则各发送端所发出的信号就会互相干扰。信号的调制、解调过程过于复杂难以计算影响对其结果的分析和应用。除此之外，通信系统又具有理论性、系统性和实践性，在我们学习的过程中，一些定义、原理的相关知识直观性差，仅仅使用教材中的介绍讲解、公式以及仿真波形图，是不能够高效率快速准确的实现对各种通信模式及相关内容的理解。由辅导老师所使用的相关多媒体指导教学或者网络上的视频课堂也只是对书本内容的照搬或与书本知识类似，对于直观性的体会突破不大。针对上述在通信系统的学习中存在的问题，将一种仿真工具MATLAB引入到理论的学习中，通过改变传统的教学模式加强对通信系统的理解和掌握应用。在计算机程序的高级语言中，MATLAB的编程格式相对简单，具有良好的可读性潜质，而且其特征与数学模式特征相似。MATLAB的存在价值与其他各种语言类方案相比，具有可视化的数据处理和强化的图形能力，而这种价值为后期的系统学科发展做出了突出贡献。通过MATLAB软件可以将概念性强的通信理论和可视化低的信号波形等通过仿真在屏幕上形象的显示出来。在MATLAB中的Simulink工具箱对通信系统模型进行搭建，并对通信系统模型中的各模块进行波形仿真，可以将抽象的理论转化成形象化的图像，这样就让学习通信专业的学生用模拟实验的方法学习晦涩难懂的理论知识，使学习通信系统理论的效率大大提高。在通信系统的相关知识学习中引入MATLAB仿真软件可以弥补传统教学的不足，同时也可以让学习者在边练边学边设计的环境下，完成对通信系统枯燥的理论知识的学习。2 MATLAB/simulink的简介2.1 MATLAB系统的简介 由美国MATHWORKS公司研发的商业软件MATLAB，它是一种高级计算机语言的一种，在算法开发、数据可视化和分析以及数值计算领域应用广泛。 MATLAB软件拥有多种设计及仿真应用工具总体上有三个主要部分组成分别是MATLAB系统、Simulink和Toolboxes。MATLAB的数值计算能力在数学类应用软件中名列前茅，与Maple、Mathematica合称为三大数学软件。MATLAB软件可以应用于不同的领域中，其主要被用于通信系统设计、信号的检测与处理、控制系统建模的设计与分析以及工程计算等领域，可实现矩阵运算、绘制函数以及创建用户界面等，也可以连接其他的编程语言程序。MATLAB的指令表达式特征与数学模式特征十分相似，因此，相对于其他的高级计算机语言MATLAB解算问题更方便的多。MATLAB也可以支持C、FORTRAN、C+以及JAVA的调用，而且吸取了Maple和Mathematica等其他数学软件的优点，使之成为了一个功能强大的数学应用软件。除此之外，也可以将一些编写的经典应用程序存储到MATLAB函数库中，用户可以直接现在进行调用。2.2 Simulink系统的简介Simulink是用于建立系统动态模型、仿真和分析的一种工具包，simulink工具包能够调用MATLAB的函数库，它可以将代码程序构造的模型转化为比较直观的图形化模型。当今科学发展现状，Simulink已拥有着超强的建模、仿真和分析能力而且操作简单，因而利用simulink工具可以解决工业设计、学术研究等多方面领域的相关实际问题，如处理线性和非线性的系统、离散、连续以及离散和连续构成的混合系统、时变与时不变等多种系统，也可以在同一系统中实现多个的进程。Simulink主要有模型建设、仿真和分析三个方面的设计工具。首先，simulink提供了多种演示模型，可以研究线性和非线性的模型，也可以对难以处理的问题进行建模分析。其次，simulink工具可以利用Scope等模型更为直观的显示出动态结果。最后，simulink拥有精简和线性化两种模型的分析工具，与MATLAB相互集成可以使用MATLAB中的其他工具箱作为分析工具。2.3 MATLAB软件的操作2.3.1Matlab的桌面Window7系统环境下启动Matlab软件，图 为Matlab默认的工作界面，工作界面中含有默认的几个工作窗口，如命令窗口、工作空间窗口、命令历史窗口、当前目录窗口以及图形窗口。Matlab的桌面中窗口及菜单项是有变化的，一下仅介绍几种常用窗口界面。如图2-1所示。图2-1 mat lab的工作界面1、命令窗口 Matlab软件中命令窗口可以实现计算和绘图等功能，在该窗口中可以键入命令程序并且显示出运算后得到的结果。命令窗口的显示与否可以在菜单栏的【桌面】下设置。命令窗口中“”为命令提示符，在其后面可输入命令程序。命令窗口中有使操作简单的一些功能快捷键，如表2-1所示。表2.1 功能快捷键功能键功能功能键功能Ctrl+P或“ ”重新调入上一行的命令Ctrl+A或Home光标移到行首Ctrl+N或“ ”重新调入下一行的命令Ctrl+E或End光标移到行尾Ctrl+B或“ ”光标左移一个字符Esc清除命令行Ctrl+F或“ ”光标右移一个字符Ctrl+D或Del删除光标处字符Ctrl+“ ”光标左移一个字Backspace删除光标左边字符Ctrl+“ ”光标右移一个字符Ctrl+K删除至行尾2、工作空间窗口 在Matlab运行的过程中产生的变量信息会在该窗口中显示，显示的变量包括变量名、值、类型等，如图2-2所示。双击工作变量窗口中的某个变量可以打开数组编辑器窗口，在该窗口中可以对数组进行编辑修改，也可以创建或删除变量。图2-2 工作空间窗口3、命令历史窗口 所有执行过的命令窗口都会在该窗口中显示，如此方便查看或调用曾经执行的命令。命令历史窗口同时也显示出运行语句的时间记录，也可以右击所选程序语句进行操作，命令历史操作窗口如图2-3所示。图2-3 命令历史操作窗口4、当前目录窗口 该窗口中显示当前目录下的文件的名称、类型与最后的修改时间。在此窗口内同样可以对M文件进行简单的操作和运行，如图2-4所示。图2-4 当前目录窗口2.3.2Simulink仿真环境 本节主要介绍Simulink仿真环境的基本操作，首先Simulink是设计模型和仿真分析的一种工具，可以通过模型的建立将一些难以处理的问题进行建模分析。此模块操作简单，只需用鼠标拖动模块并将模块进行连接就可以建立一个模型。Simulink含有多种模块库，如sinks、sources、linear、nonlinear components、connectors等等。Simulink的启动是建立在mat lab运行环境下的，在Simulink中可以完成模型的建立、运行调试以及子系统的创建与封装操作。3 通信系统仿真模型的设计3.1 通信系统的基本模型通信系统是指负责将包含信息的消息从发送端有效地传送到接收端的系统。消息是信息的表达形式，当消息附着在载波上就成为了信号，例如：附着在物理量上的信号被称为电信号。传输和处理相应的电信号的设备统称为电子通信系统。在电子通信系统中，点对点的通信是指将信号有效地从一个地方传送到另一个地方，它是通信系统中最简单一种通信方式；传送信号的发送端、中转站以及接收端被称为通信节点，为了更好地提取传送的信息从而最好的抑制信号中的噪声通信节点具有处理信号的功能；连接通信节点的物理媒介被称为通信信道。多个节点共同构成通信网络。通信系统的一般概念模型如图3-1所示。信源发送设备物理信道接收设备信宿噪声和干扰源发送端接收端广义信道图3-1 通信系统的一般概念模型 在通信系统的一般概念模型中，信源就是信息的发源地，根据输出的不同形式可分为连续信源和离散信源。为了使信源发出的信号与信道的信号传输相匹配，在信源和物理信道之间有一个发送设备。发送设备负责信号的各种处理，如不同物理量表示的信号之间的转换或者不同形式信号之间的转换。常见的发送设备有麦克风、摄像机、模数转换器、编码器、功率放大器、调制器、滤波器等等。用来传输信号的道路被称为物理信道，按照物理媒介的不同物理信道可分为无线信道和有线信道，按照信道参数是否随着时间的变化而变化可将物理信道分为时变信道和时不变信道。信号在传输过程中会混入噪声发生畸变，功率也随着传输距离的增加而衰减，但在通信系统的建模中为实现系统模型的分析常设通信模型为无噪声的。与发送设备功能相对应的是接收设备，它可以尽可能的将接收到的含噪声且畸变信号正确提取出有价值的信号。接收设备处理信号的功能与目的正好与发送设备的相反，是将信道中的信号恢复成初始信号，并且尽可能地补偿信号的失真，最终将处理后的信号传送到信宿。信宿即信号的最终目的地。3.2 通信系统模型的分类根据通信系统中发送信号的不同类型，通信系统可以进一步的被分为基带传输系统、频带传输系统、模拟通信系统、数字通信系统、无线电通信系统和光通信系统等多种系统种类。3.2.1模拟通信系统的概念模型如果在发送设备中没有把信源输出的模拟信号转换成数字信号，而是对模拟信号进行放大、滤波或者是调制的时域频域的直接处理，然后就进行信号的传输，称这样的系统为模拟通信系统。其概念模型图如图3-2所示。信源信 号转换器调制器信道解调器信 号转换器信宿 噪声和 干扰源发送设备接受设备 图3-2 概念模型图在发送端，由其他物理量表示的模拟信号经过信号转换器转化为模拟电信号，模拟电信号经过时域处理后被送到调制器完成调制过程，由调制器输出的频带信号被称为已调信号，将已调信号进行滤波和功率放大后再传送到信道中进行传输。在接收端，传送来的信号经过解调器的解调还原出基带信号，再经过适当的信号处理由信号转换器还原出最初发送端传出的模拟信号。3.2.2数字通信系统的概念模型数字通信系统就是将信源输出的信号经过模数转换器转换成数字信号后再进行处理及传输的系统。其系统模型图如图3-3所示。在实际的数字通信系统模型中图中的各模块以及各功能不一定都会采用，根据数字通信系统的设计要求来选择相应模块的使用。信源信源编码器信道编码器解调器 解调器信道解码器信宿 噪声和 干扰源发送设备接受设备信道信道解码器图3-3 数字通信系统模型图信源输出的初始信号，由信源编码器输出的离散时间序列经过信道编码器对离散信号的处理传送到调制器中，经过调制转换后生成的频带信号进行功率放大然后传输到物理信道进行输送（在传输过程中数字系统中的信号与模拟系统中一样会混入噪声发生波形畸变）。传输的信号在接收端经过时域和频域的处理后被送到解调器，由解调器转换输出的基带数字信号经过信道译码器的处理后送至信源解码器，信源解码器输出的信号将送入信宿中。3.3 通信系统模型设计的关键通信系统模型的设计过程可以分为分层、设计、描述和开发四个阶段。模型设计的分层阶段就是自上而下地将建模对象分解成多个功能层次，具体过程就是将建模对象连续分解为下级对上级的功能子系统，这些子系统最终通过仿真呈现出来。我们通过对这些概念的理解可以总结出一个点对点的数字通信系统模型，如图3-4所示。图中每个子系统都由一个方框表示，如此任何的通信系统都可以由该模型描述。通信网络是由多个中继节点串联起来的点对点通信系统构成。利用不同的算法和技术可以在各子系统中设计出不同的通信系统。通信系统中信号的传输还需要一些基本的信息处理技术才能实现。图3-4 点对点通信系统分层建模的最高层次模型图对于模拟通信系统来说也可以用这些子系统方框建模。由于模型中的模块在某些通信系统中并非都是通用的，可见我们在选择和划分子系统方框时是可以根据系统的需要来定义的。分层建模完成后就将进入模型设计的阶段，模型设计的过程就是对模型子系统的自然属性的一般功能描述。因此，模型设计阶段也被称为层次描述阶段。型设计阶段的层次描述不在乎系统内部结构把子系统模块看作为一个黑箱子，由此可以提高本阶段的仿真计算效率。总体分析，在本阶段为保证执行仿真的效率应采用简单的传递函数模型来表达子系统的功能。模型描述阶段是指使用相关的数学算法、物理实验等得到的系统输入、输出的数据关系表将系统的行为进行具体描述的实现过程。在系统设计开发的不同阶段指数参数、具体结构以及实现的形式等都各不相同，因此系统的开发阶段是一个不断更新的过程，而对系统功能描述的全面与否取决于设计者对系统设计的理解。通信系统模型中传输的对象因建模仿真的目的不同也各不相同，有比特、符号的逻辑元素传输，此外，信号波形的传输也可作为建模传输的对象。在研究通信系统的模型中只需对需要研究的部分模块进行分析仿真即可，不必对整个系统的模块进行建模与仿真。本章节主要分析了通信系统的概念模型，并且描述了数字信号系统和模拟信号系统的概念比较了两者的区别。最后讨论了通信系统建模的关键和各个阶层的建模问题。4 基本通信系统主要模块的建模与分析4.1 滤波器的设计4.1.1滤波器的类型与参数指标的设计滤波器是用于消除信号中的噪声或者其他不想要的部分信号的电子系统，这种处理信号的功能增强了信号所需的成分。按照性质的不同，滤波器可分为线性的、非线性的、时变得、时不变的、连续的、离散的、无限脉冲响应、有限脉冲响应等等。我们通常所说的滤波器一般是指线性时不变滤波器。一般使用传递函数或者冲击响应表示单输入单输出的滤波器。若一个连续函数h(t)为滤波器的冲击响应，那么称这个滤波器为模拟滤波器，用拉普拉斯变换的H(s)表示其传递函数。冲击响应为一个离散序列h(k)的滤波器称为数字滤波器，用Z变换H(z)表示其传递函数。滤波器在通信系统中扮演着重要的角色，它可以选择出有用的频率信号而阻止其他频率的成分。根据频域特性，滤波器又可分为低通、高通、全通、带通和带阻等类型。模拟低通滤波器是所有滤波器的基础，其他类型的滤波器可由模拟低通滤波器转换而来，因此模拟低通滤波器的设计是滤波器设计的关键。本节介绍如何在MATLAB操作环境下设计模拟低通滤波器。滤波器设计就是按照设计要求经过计算得出满足设计要求的滤波器的参数，然后再通过参数计算得出传递函数的分子与分母系数。设计模拟滤波器最主要的四个参数为通道拐角频率、阻带起始频率、通带内波动以及阻带内最小衰减。数字滤波器还需考虑采样频率参数，除此之外，还需考虑阻带起始归一化频率以及通带截止归一化频率。4.1.2滤波器设计的相关参数MATLAB软件中提供了设计巴特沃斯滤波和切比雪夫1、2型滤波器、椭圆型模拟滤波器或数字滤波器的四个函数，本次设计以最常用的巴特沃斯滤波器为例加以分析。4.1.2.1滤波器的最小阶和3dB截止频率的计算巴特沃斯滤波器函数的调用格式为：n,Wn = buttord(Wp,Ws,Rp,Rs)n,fn = buttord(fp,fs,Rp,Rs,s) 数字滤波器的输入参数Wp、Ws是归一化的频率,但模拟滤波器的输入参数fp、fs为不归一化的。Rp、Rs分别是以分贝为单位的通带内波动以及阻带内最小衰减。返回值n是设计指标参数的最低系数阶数，Wn是数字滤波器的3dB归一化截止频率，fn是模拟滤波器的3dB截止频率。4.1.2.2滤波器传递函数的计算 由上所述可求出滤波器的阶数和3dB截止频率，然后可以用MATLAB函数计算出滤波器传递函数的分子与分母的系数。巴特沃斯滤波器传递函数的计算命令为：b,a = butter(n,Wn)b,a = butter(n,Wn,ftype)b,a = butter(n,Wn，s)b,a = butter(n,Wn，ftype，s) Wn对于数字滤波器是3dB归一化截止频率，而在模拟滤波器中是未归一化的角频率（Wn=2*pi*fn）。当参数为两个向量元素时，计算的是带通或带阻的滤波器，参数为三个向量元素计算的高通或低通的滤波器。参数ftype为high时计算的是高通滤波器，为stop时计算的为带阻滤波器。返回值b、a为传递函数H(z)或H(s)分子、分母多项式的系数矩阵。4.1.2.3系统模型的转换 系统的模型一般用状态方程来描述，也可用输入输出间的传递函数表示单输入单输出的系统。由于传递函数具有多种多样的形式，为了方便这些形式间的相互等价描述转换，MATLAB提供了大量的系统模型转换函数并且在帮助文档中讲解了其函数的用法。4.1.2.4滤波器特性的图示 MATLAB提供了计算线性系统时间响应和频率响应的程序指令。例如指令freqs和freqz分别用于计算、绘制连续系统和离散系统的幅频和相频响应。调用格式为：h = freqs(b,a,w)；h,f = freqz(b,a,fs) 函数中b是传递函数的分子多项式系数向量，a是分母多项式的系数向量，指定的计算频率点序列w对应于频率响应h，m为在0到采样频率fs的一半范围内的计算点数，gd为对应于计算频率点序列f的群时延序列。4.1.2.5设计实例实例1： 设采样率为8000Hz，fp = 2100Hz，fs = 2500Hz，Rp = 3dB，Rs = 25dB设计一个巴特沃斯型低通滤波器，波形图如图4-1和4-2所示。f_N=8000; f_p=2100; f_s=2500; R_p=3; R_s=25;Ws=f_s/(f_N/2); Wp=f_p/(f_N/2);n, Wn=buttord(Wp,Ws,R_p,R_s);b,a=butter(n, Wn);figure(1);freqz(b,a, 1000, 8000)subplot(2,1,1); axis(0 4000 -30 3)figure(2); f=0:40:4000;z=exp(j*2*pi*f./(f_N);H_z=polyval(b,z)./polyval(a,z); subplot(2,1,1); plot(f, 20*log10(abs(H_z); axis(0 4000 -40 1);xlabel(頻率Hz);ylabel(幅度dB);subplot(2,1,2); plot(f, angle(H_z); xlabel(頻率Hz);ylabel(相角rad). 图4-1 波形图1图4-2 波形图2实例2： 以simulink基本模块实现对传递函数H(z) =1；输入信号为X=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0的零状态响应输出的解析和数值计算的结果设计模型概念图如图4-3所示。仿真图如图4-4所示。图4-3 设计模型概念图图4-4 仿真波形图4.2 通信系统的调制与解调模块调制是通信系统中十分重要的一个概念，它是一种数字信号处理技术。在数字通信和模拟通信系统中扮演着十分重要的角色，被广泛用于雷达测量、电视、广播等系统中。调制把信息嵌入到信息载体中以利于信息的处理及传输。通信系统中具有多种不同的信道，为适应其不同的信道情况要对原始的信号进行调制，然后在接收端实现解调从而还原出初始信号。在通信系统中，为使抽象的调制的过程便于理解及应用，借助MAT LAB/Simulink模块对调制解调过程结果形象化，同时由MATLAB软件对其实现仿真。4.3 幅度调制以及MATLAB的仿真根据过程的变化规律的调制信号来控制高频正弦载波的振幅称为幅度调制。其模型如图4-5所示。 m(t)h(t)图4-5 一般的幅度调制的模型如上图幅度调制器的模型中，根据滤波器的特性不同有各种各样的幅度调制信号。以双边带抑制载波调幅（DSB-SC）、标准调幅（AM）、单边带调制（SSB）为例，分别对这些信号进行仿真及研究。4.3.1抑制载波双边带调幅（DSB-SC）在幅度调制的一般模型中，假设调制信号为无直流分量，滤波器为全通网络，即图 中h(t)H()=1，则模型中的输出信号为无载波分量的双边带调制信号，简称为DSB信号。由于调制信号与DSB信号的包络难以实现变化规律的同步，因此，DSB信号的解调不能使用包络检波而是需要相干解调实现。DSB信号的两个边带是上下对称的，频谱与常规双边带调幅信号的完全一致，因此，DSB信号的宽带是基带信号带宽的两倍，即DSB信号与AM信号的带宽相同。DSB仿真模型结构图如图4-6所示。图4-6 DSB仿真模型结构图DSB信号调制是将调制信号的频谱迁移到载频附近，调制后的已调信号不会生成新的频谱分量，已调信号的频谱由上、下两个对称的边带组成。如图 可观测出DSB信号的频谱。DSB信号解调后的信号频谱应与原信号的频谱相同，基本在零频谱位置附近，如图4-7可观测出DSB解调信号的频谱图。图4-7 DSB解调信号频谱由示波器显示出的四路信号波形如图4-8所示，分别为调制信号、载波信号以、已调信号和解调恢复信号，由波形分析得DSB信号的包络并非再和调制信号形成正比，并且已调信号的相位在调制信号的过零点处出现180的突变。对比调制信号与解调恢复后的信号除了时间上有延时外其他完全相同，信号经过相干解调后得到恢复。 图4-8 四路信号波形图4.3.2常规双边带调幅（AM）在幅度调制器的一般模型中，若滤波器的特性H()=1，调制信号m(t)与直流部分Ao叠加后再与载波相乘，则输出信号Sm(t)就为标准调幅（AM）信号。标准调幅的模型图如图4-9所示。图4-9 AM调制器模型AM信号的时域表达式为： （4-1）频域表达式为： （4-2） 上述公式中，m(t)既可以是确知的信号也可以是随机的信号，Ao为外加的直流分量。由于输入的基带信号AM信号波形的包络成正比，因此，包络检波更容易恢复原始的调制信号。为避免出现过调幅现象确保包络检波时没有失真现象，应满足Ao|m(t)|max。在AM调制器模型中，输出的AM信号的频谱由上、下两个对称的边带及载频分量组成。上边带信号与初始信号的频谱是完全一致的，下边带与上边带对称，即下边带与上边带是镜像的关系。显然，上边带以及下边带都是含有原调制信号所有的信息，因此，AM信号的带宽是基带信号带宽的两倍，而且AM信号是一种带有载波的双边带调幅信号。根据以上所述原理，可在MATLAB中设计仿真模型图如图4-10所示。图4-10 AM仿真模型图图图4-11 AM信号调制端波形图4-12 AM信号解调端波形图4-11是AM信号调制端波形图，图中三路波形分别是原调制信号、载波信号以及已调信号，由波形可得出，随着调制信号幅度的变化AM信号的幅度发生变化。图4-12是AM信号解调端波形图，图中三路波形分别是由低通滤波器恢复之后的波形、未经滤波器滤波的解调信号和原调制信号。由图形可看出，恢复后的解调信号与原信号的波形基本一致，只是在幅度上有衰减而且有稍微的延时现象，但经过低通滤波器滤波后得到了无失真现象的恢复信号。4.3.3单边带调制（SSB）由前两节所述可知，常规双边带调幅和抑制载波双边带调幅是由完全对称的上、下两个边带组成，且两个边带包含的信息是完全相同的。实际上传输过程中只需传输一个边带，因此，双边带调幅传输降低了频带的利用率浪费了其中一个边带所占用的频段，单边带调制概念的提出就是为了克服双边带调制中所出现的这个缺点。实际上，单边带调制只是传送了双边带信号中的上边带或是下边带。产生单边带调制信号的方法有很多种，相移法和滤波法是其中最基本的方法。在MATLAB/simulink模块中实现单边带调制信号的仿真模型如图4-13所示。图4-13 单边带调制信号的仿真模拟图图4-14 单边带波形图 图4-15 单边带调制输出仿真图 上图所示为单边带调制输出的仿真图，SSB信号频谱图像中：上边带是由蓝色曲线表示；下边带是由红色曲线表示；原调制信号频谱由黑色曲线表示。由SSB信号波形图中显示上边带、下边带的时域波形可见，二者基本一致。因此可得，不管是频域输出还是时域输出两个边带所含有的信息是相同的。从SSB信号频谱图中还可以看出，SSB信号的带宽和原调制信号的带宽是相同的，因此单边带调制提高了频带的利用率。通过对其时域和频域波形分析，可以得到理论值与仿真结果完全一致，把比较抽象的调制与解调概念以图形的形式更为直观的表现出来。通过本节的概念及仿真设计，深刻地理解了调制、解调的实质，同时也掌握了利用MATLAB/simulink进行信号处理的分析方法。4.3.4包络检波与同步检波的比较 根据通信系统中解调输出信噪比的理论，同步相干解调的性能要比包络检波的性能优越。只有在高信噪比的情况下，包络检波的性能才与相干解调的性能相近，包络检波的性能是随着信噪比的降低而减弱的，当信噪比低于某一值时包络检波性能将急剧下降，这种现象即为门限效应。包络检波是信号处理的一种方法，对故障信号的识别能力最为突出，是滤波检波的基本体现。包络检波具有多种电路类型，如二极管检波、三极管运放、单向检波、同步检波等等，其中最常用的是二极管和三极管检波。理解二极管检波的电路原理，利用mat lab中的调制解调函数实现对信号的调制与解调，也可以编写仿真程序进行二极管的包络检波电路的仿真从而做出分析。同步检波器需加一个具有相同电压、频率和相位的载波，将已调信号与载波相乘来实现信号的解调。同步检波就是将相近的两个或多个信号准确的分离出可用的信号，主要用于DSB和SSB信号的解调，有叠加型和乘积型两种类型。包络检波模型图如下所示。图4-16 包络检波模型图4.4 信源模型 在通信系统中产生信号的模块称为信源。由信号的性质不同可将信源分为确定信源、统计信源和伪随机码源等等。本节介绍Simulink中通信模块的一般常用的信源。4.4.1确定信源 输出信号是由用时间自变量表示的确定函数为确定信源。在Simulink中常用的确定信源有波形发生器、正弦波、任意周期信号源、阶跃、斜升、脉冲源等，其基本功能如：将输入信号的上升沿时刻作为下一个输入信号的带触发控制的读入型数据源；输出信号为离散时间控制的正弦信号的离散时间控制源；输出信号为连续时间控制的正弦信号的连续时间控制源。信源的使用选择是根据设计要求的不同而定的。4.4.2伪随机码源 在Simulink通信模块中伪随机码源包括数据信源和伪随机码产生源两种类型。其中数据信源模块和基本参数设置如下： 贝努利二进制信源：可以生成贝努利分布的二进制随机的数序列，其基本参数有零概率的输出信号、采样的时间间隔、输出向量的表达是否为1、输出信号的格式和随机种子。 泊松整数发生源：可以生成泊松分布的整数序列，基本参数有泊松参数、随机种子、采样的时间、输出向量的表达是否为1和输出信号的格式。 随机数列发生源：可以产生一个均匀分布的整数序列，其基本参数有采样时间、整数元数、是否用一维的向量表达输出信号和是否基于帧格式的输出。伪随机码产生源主要有PN序列发生器模块、Hadamard码发生器、Barker码发生器、Gold码发生器、Walsh码发生器和OVSF码发生器等。 在本设计中这些信源模块的存在为我们设计通信系统的模型提供了方便，我们可以利用S函数和Simulink工具性灵活的对通信系统的模型进行设计，从而不受局限的认识和掌握通信系统模型基本模块。4.4.3统计信源 统计信源也就是噪声源，在Simulink中，除了随机信号源还有四个噪声源模块，分别为高斯噪声发生器、均匀噪声发生器、瑞利噪声发生器和赖斯噪声发生器。在Mat lab软件的操作环境下，我们可以用函数的调用来实现对各种伪随机数的使用。其函数的调用方法如：y = random(name,A1,A2,A3,m,n)。name,A1,A2,A3,m,n分别为分布名称：分布相应的参数和随机矩阵的参数。 另外，我们也可以使用随机数序列对应的命令在统计工具箱中调用函数，如：betarnd, binornd, gamrnd, hygernd, , nbinrnd, nctrnd, normrnd, raylrnd, unidrnd, weibrnd。5 设计实例分析-调幅广播系统的设计分析 最早期的无线电传输技术就是基于模拟信号幅度调制的技术，用声音信号控制高频率的正弦信号的幅度，然后把高频率的正弦信号进行幅度放大再通过天线以电磁波的形式发射出去。通过对低频率信号段搬移到高频率段上的技术解决实际生活中信号传输的问题，大大提高了发送信号和接收信号的效率。在通信传播中，我们可以直接听到的声音信号的频率范围在2020KHz之间，是通过麦克将模拟信号转化为电信号进行传播的。通过的大量的实验研究人耳可以接受的频率区域在3003400Hz左右，因此，为了提高频带传输的效率节约宽带资源国际标准将通信的传输频带定在3003400Hz。而调幅广播的频率更宽的原因在于在实际的广播传输声音时还要播出音乐需要更宽的频带。采用Simulink中的Filter Design模块进行模拟仿真，使未加入噪声的信号和含有噪声的信号在同一个示波器上显示出来以便于观察其仿真波形。在接收端采用相同的铝箔去对信号和噪声进行滤波再用统计模块对输出信号的功率和噪声功率进行计算，最后在display显示出输出信噪比的结果。对中波调幅广播系统的传输进行仿真的参数指标设计：1、基带信号：音频的最大幅度为1，基带的测试信号设置在1006000Hz内。2、载波：将载波设置为初相位为0，频率范围为5501605Hz内的给定幅值正弦波。3、接收端的滤波器设置参数为：12KHz的带宽和1000KHz的中心频率。4、在信道中加入噪声，在此系统模型设计中需计算出信道中应加信道噪声的方差，最后要测量接收机选频滤波器的实际输出信噪比。在系统中弱调制度为0.3时，接收机选频滤波器的输出信噪比应为20dB。载波频率为系统的最高工作频率，而设计仿真的采样率应为10倍的最高工作频率，所以系统的取仿真步长为： (5-1)相应的仿真采样率是仿真带宽的两倍，因而仿真带宽为： (5-2)基带测试正弦信号为： (5-3)载波： (5-4)调制输出信号： (5-5)设调制度为则的输出平均功率为： (5-6)假如信道是没有衰减的，设加入的噪声功率谱的密度是，则仿真带宽内的噪声采样值的方差应为： (5-7)假设接收选频滤波器的带宽和增益分别为B和1，那么选频滤波器的输出噪声功率应为： (5-8)因而可得接收选频滤波器的输出信噪比为： (5-9)最终可求的信道中噪声的方差： (5-10)由以上的公式可以编写程序计算出信道中噪声的方差，并由方差值和其他的已知数值作为仿真系统的参数。中波调幅广播系统参考模型如下图5-1所示。图5-1 中波调幅广播传输系统仿真参考模型结 论本设计利用MATLAB软件将概念性强的通信理论和可视化低的信号波形等通过仿真在屏幕上直观的显示出来。本文讲述了