模拟调制系统的研究_通信原理课程设计报告_通信工程_无需修改

通信工程专业通信原理课程设计题目模拟调制系统的研究学生姓名王学号10000000670所在院系物理与电信工程学院专业班级通信工程专业100班指导教师完成地点物理与电信工程学院实验室2013年3月22日通信工程专业课程设计任务书院系物理与电信工程学院专业班级通信工程专业103班学生姓名王一、课程设计题目模拟调制系统的研究（AM,DSB,SSB,FM的调制与解调）二、课程设计工作自2013年3月4日起至2013年3月22日止三、课程设计进行地点物理与电信工程学院实验室四、课程设计的内容要求在通信技术的发展中，通信系统的仿真是一个技术重点。这次课程设计的重点就是模拟通信系统中的调制解调系统的基本原理以及仿真，并在MATLAB软件平台上的仿真实现几种常见的模拟调制方式。最常用最重要的模拟方式是用正弦波作为载波的幅度调制。常见的调幅（AM）,双边带（DSB），单边带（SSB）等调制就是幅度的几个典型实例。在线性调制系统中，此次课程设计主要用调幅（AM）,双边带（DSB）和单边带（SSB），调频（FM）等调制为说明对象，从原理等方面进行分析阐述并进行仿真分析，说明其调制原理，并进行仿真分析。利用MATLAB对模拟调制系统进行仿真，结合MATLAB模块和SIMULINK工具箱的实现，对仿真结果进行分析，从而能够更深入地掌握通信原理中掌握模拟调制系统的相关知识指导教师系教研室通信工程系接受任务开始执行日期2013年3月4日学生签名模拟调制系统的研究王（XX理工学院物理与电信工程学院通信100班，陕西）指导教师摘要首先描述了调制与解调,其次详细地介绍了线性模拟调制,再利用MATLAB软件进行线性调制和解调程序设计（包括AM,DSB,SSB,FM），输出显示调制信号、载波信号以及已调信号波形，并输出显示三种信号频谱图。对产生波形进行分析，并通过参数的改变，观察波形变化，分析实验现象关键词线性调制；MATLAB；信号频谱；解调ANALOGMODULATIONSYSTEMRESEARCHWANGGRADE10,CLASS3,MAJOROFCOMMUNICATIONENGINEERING，SCHOOLOFPHYSICSANDTELECOMMUNICATIONENGINEERINGOF,TUTORABSTRACTFIRSTDESCRIBESTHEMODULATIONANDDEMODULATION,THESECONDLINEARSIMULATIONMODULATIONAREINTRODUCEDINDETAIL,USINGMATLABSOFTWARETODESIGNLINEARMODULATIONANDDEMODULATIONPROCESSINCLUDINGAM,DSB,SSB,FM,THEOUTPUTDISPLAYMODULATIONSIGNALANDCARRIERSIGNALANDMODULATEDSIGNALWAVEFORM,ANDTHEOUTPUTSHOWSTHREEKINDSOFSIGNALSPECTRUMANALYZETHEGENERATEDWAVEFORM,ANDBYTHECHANGESOFPARAMETERS,OBSERVETHEWAVEFORMCHANGES,THEANALYSISOFEXPERIMENTALPHENOMENAKEYWORDSLINEARMODULATIONMATLABTHESIGNALSPECTRUMDEMODULATION目录1绪论111通信系统原理112模拟通信系统原理113调制原理214调制的种类215MATLAB简介316MATLAB仿真在现代通信中的应用32模拟调制与解调521普通调幅（AM）522双边带调制（DSB）623单边带调制（SSB）724普通调频（FM）93调制与解调的MATLAB仿真1231AM的框图与仿真1232DSB的框图与仿真1433SSB的框图与仿真1534FM的框图与仿真17总结19致谢20参考文献211绪论11通信系统原理通信的目的是传递消息中所包含的信息。消息是物质或精神状态的一种反映，在不同时期具有不同的表现形式。例如，话音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。实现通信的方式和手段很多，如手势、语音、消息树，烽火台和击鼓传令，以及现代社会的电报、电话、广播、电视、遥测、因特网、数据和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，即使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性基带信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。为什么要进行载波调制呢基带信号对载波的调制是为了实现下列一个或多个目标第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射线号波长相比拟。而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，致使天线过长而难以实现。第二，把多个基带信号分别搬移到不同载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰，抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能。调制方式有很多。根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波信号是连续波还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制、数字连续波调制、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。本次课设主要讲述模拟调制的方式及其仿真结果。最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。常见的调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）和残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的几个典型事例；而频率调制（FM）是角度调制中被广泛来用的一种。12模拟通信系统原理我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成，这里，一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所代替。对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号（发端信息源完成）和把电信号恢复成最初的连续消息（收端信宿完成）。由信源输出的电信号（基带信号）由于它具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。必须指出，从消息的发送到消息的恢复，事实上并非仅有以上两种变换，通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线辐射与接收、控制等过程。对信号传输而言，由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用，它们是通信过程中的重要方面。而其它过程对信号变化来说，没有发生质的作用，只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等，因此，这些过程我们认为都是理想的，而不去讨论它13调制原理调制将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号已调信号或频带信号；时域定义调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。频域定义调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程根据所控制的信号参量的不同，调制可分为调幅，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。调频，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式。调相，利用原始信号控制载波信号的相位。调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号，这就意味着把基带信号（信源）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的代通信号。该信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。调制可以通过使高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，也就是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者（信宿）处理和理解的过程。该过程称为解调。14调制的种类调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制如对非相干光调制等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。15MATLAB简介MATLAB是MATHWORKS公司开发的一种跨平台的，用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言，与其它计算机高级语言如C，C，FORTRAN，BASIC，PASCAL等相比，MATLAB语言编程要简洁得多，编程语句更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的读者来说，学习MATLAB十分容易。但是，要用好MATLAB却不是在短时间就可以达到的。这并不是因为MATLAB语言复杂难懂，而是实际问题的求解往往更多的是需要使用者具备数学知识和专业知识。MATLAB使得人们摆脱了常规计算机编程的繁琐，让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上。可以说，应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具，可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。目前，MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中，成为这些课程进行虚拟实验的有效工具。在科研部门，MATLAB更是极为广泛地得到应用，成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。在国内外许多著名学术期刊上登载的论文，大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB来完成的。与其它高级语言相比较，MATLAB具有独特的优势1MATLAB是一种跨平台的数学语言。2MATLAB是一种超高级语言。3MATLAB语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发和验证的最佳工具。4MATLAB计算精度很高。5MATLAB具有强大的绘图功能。6MATLAB具有串口操作、声音输入输出等硬件操控能力。7MATLAB程序可以直接映射为DSP芯片可接受的代码，大大提高了现代电子通信设备的研发效率。8MATLAB的程序执行效率比其它语言低。16MATLAB仿真技术在现代通信中的应用随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性。计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。MATLAB仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。MATLAB是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。MATLAB的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。应用MATLAB可方便地解决复杂数值计算问题。MATLAB具有强大的SIMULINK动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。SIMULINK支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在MATLAB和SIMULINK两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包COMMUNICATIONTOOLBOX,也叫COMMLIB,通信工具箱是MATLAB语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在MATLAB环境下独立使用,也可以配合SIMULINK使用。另外，MATLAB的图形界面功能GUI（GRAPHICALUSERINTERFACE）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，MATLAB在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对线性调制系统进行仿真。2模拟调制与解调21普通调幅（AM）设调制信号MT叠加直流分量A后与载波相乘，滤波器为全通滤波器，就形成了AM（调幅）信号。AM调制器模型如下图所示。图21AM调制器模型AM信号的时域和频域表达式分别为（21）（22）式中，为外加的直流分量；MT可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认AO为其平均值为0，即。0TMAM信号的典型波形和频谱分别如下图22所示，图中假定调制信号MT的上限频率为。显然，调制信号MT的带宽为。WHFBMHCOSCSTWTMATOM21WCMCWTSAM图22AM信号的典型波形和频谱图由图22可见，AM信号波形的包络与输入基带信号MT成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足，否则将出现过调幅现象而带来失真。MAXTAO由它的频谱图可知，AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（TSAM通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即FBMHAM2式中，为调制信号MT的带宽，为调制信号的最高频率。FBMHFAM信号解调调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信号。AM信号的解调方法有两种相干解调和包络检波解调。22双边带调制（DSB）在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络，调制信号MT中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB）调制信号，简称双边带（DSB）信号。DSB调制器模型如图23所示。可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为图23DSB调制模型器图（23）WCTMSDSBOS（24）可见，DSB信号的包络不再与MT成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，即（25）FBMBHDSAM2式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。FMHFDSB信号解调DSB信号只能运用相干解调，其模型与AM信号相干解调时完全相同，如图23所示。此时，乘法器输出（26）经低通滤波器滤除高次项，得（27）即无失真地恢复出原始电信号。抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。DSB信号的特点1、由时间波形可知，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检波来恢复调制信号，需采用相干解调同步检波。2、在调制信号MT的过零点处，高频载波相位有180的突变。3、由频谱图可知，DSB信号节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的问题21MTSTWCTMTWCTCTSDSB2OS12OSOSTT23单边带调制（SSB）由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演变出另一种新的调制方式单边带调制（SSB）。SSB信号调制产生SSB信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。（1）用滤波法形成SSB信号用滤波法实现单边带调制的原理图如图所示，图中的为单边带滤波器。WHSB产生SSB信号最直观方法的是，将设计成具有理想高通特性或理想低WHSBH通特性的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。WHL产生上边带信号时即为，产生下边带信号时即为。显SBHWSBL然，SSB信号的频谱可表示为28图24SSB信号的滤波法产生用滤波法实现SSB信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。而一般调制信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波器在附近具有陡峭的截止特性即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时甚至难以实现。为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的过渡带归一化值，减小实现难度。可以证明，SSB信号的时域表示式为（29）式中，“”对应上边带信号，“”对应下边带信号；表示把的所有频TWCTMTCTTSBOS21OS2121HCWMCWWSSBSBDSB率成分均相移称是的希尔伯特变换。TMT根据上式可得到用相移法形成SSB信号，如图25所示。图中，为希尔伯特WHK滤波器，它实质上是一个宽带相移网络，对中的任意频率分量均相移。TM图25相移法形成SSB信号的模型相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移，这一点即使近似达到也是困难的。SSB信号解调从SSB信号调制原理图中不难看出，SSB信号的包络不再与调制信号成正比，因此SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，如图所示。图26SSB信号的相干解调此时，乘法器输出TWCTMTWCTMTTWCTTTTSTSPB2SIN412OS41OSSIO（210）经低通滤波后的解调输出为（211）综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大SSB信号的实现比AM、DSB要复杂，但SSB调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度为，比AM、DSB减少了一半。HSSBFBSSB调制已成为短波通信中一种重要的调制方式。SSB信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，其包络不能直接反映调制信号的变化，所以能需采用相干解调。24普通调频（FM）在调制时，调制信号的频率去控制载波的频率的变化，载波的瞬时频偏随调制信号成正比例变化，即MT（212）FDTKMT式中，为调频灵敏度（）。FKRASV这时相位偏移为（213）FTKMD则可得到调频信号为（214）COSFMCFSTATDFM信号解调调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需同步信号，且对于NBFM信号和WBFM信号均适用，因此是FM系统的主要解调方式。在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。41TMTO图27FM解调模型非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图27所示。限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。设输入调频信号为微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为（215）SINIFMDTCFCFSTDTTKMTTKMD包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为（216）ODCFDCDFSTTT称为鉴频灵敏度（），是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度，经DKVHZ低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得（217）ODFMTKMT3调制与解调的MATLAB仿真31AM的框图与仿真AM的调制框图根据公式21连接各种器件形成如下框图仿真结果图1加了噪声的调制波形图2不加噪声的调制波形图3噪声波形AM解调框图仿真结果图1调制信号的波形图2包络检波波形图3同步检波波形通过实验发现AM的同步检波比包络检波的波形好32DSB的框图与仿真调制仿真结果解调仿真结果图1调制信号的波形图2包络检波波形图3同步检波波形通过实验发现同步检波的