模拟线性调制课程设计设计

1、*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2011年秋季学期通信系统综合训练题 目：基于MATLAB 的线性模拟调制技术研究 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘要在本次通信系统综合训练中，首先描述了调制与解调；其次详细地介绍了线性模拟调制（普通调幅AM调制、双边带DSB调制、单边带SSB调制、残留边带VSB调制）；最后利用利用Matlab软件进行振幅调制和解调程序设计，对AM、DSB、SSB、VSB进行了仿真，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。并进行了分析，与课本上学到的知识相符。关键词：通信系统；线性模拟调制；Matlab仿真目录前言1第1章 调制

2、原理及Matlab简介21.1 调制原理21.2 MATLAB简介31.3 MATLAB仿真技术在现代通信中的应用3第2章 线性模拟调制52.1 模拟调制原理52.2 普通调幅（AM）原理52.3 双边带调制（DSB）原理82.4单边带调制（SSB）原理92.5 残留边带（VSB）原理11第3章 仿真实现133.1 普通调幅（AM）仿真与分析133.2 双边带调制（DSB）仿真与分析153.3 单边带调制（SSB）仿真与分析173.4 残留边带（VSB）仿真与分析18第4章 总结22参考文献23前言 通信技术的发展历史堪称突飞猛进。载波通信、卫星通信和移动通信技术正在向数字化、智能化、宽带化发

3、展。信息的数字转换处理技术走向成熟，为大规模、多领域的信息产品制造和信息服务创造了条件。从语音、声音、图像等信息源直接转换得到的电信号是频率较低的电信号，其频谱特点是包括直流分量的低通频谱。如电话信号的频率范围在0.3-3kHz，这些信号可以直接通过架空线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输。另外，这些信号即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用不经济。为了使低频信号能够在像无线信道上传输，同时为了使有线信道上同时传输多路信号，就需要采用调制和解调技术。 在发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程称为调制，而在接收端把已搬移到给定信道通带内的频谱还原

4、为基带信号的过程称为解调。调制和解调在一个通信系统中是同时出现的，因此将调制和解调系统通称为调制系统或调制方式。 调制和解调在通信系统中是一个极为重要的组成部分，采用什么样的调制与解调方式将直接影响通信系统的性能。而模拟调制技术的原理还可以推广到数字调制中，因此我们有必要对模拟调制技术进行研究。第1章 调制原理及Matlab简介1.1 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

5、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

6、、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。 计算机内的信息是由“0”和“1”组成数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号（模拟信号为连续的，数字信号为间断的）。于是，当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换。这个数模转换器就是我们这里要讨论的Modem。计算机在发送数据时，先由Modem把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为“调制”，也成D/A转换。经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前，也要经由接收方的

7、Modem负责把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号，这个过程我们称“解调”，也称A/D转换。正是通过这样一个“调制”与“解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯。1.2 MATLAB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

8、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

9、MATLAB来完成的。 与其它高级语言相比较，MATLAB具有独特的优势：(1) MATLAB是一种跨平台的数学语言。(2) MATLAB是一种超高级语言。(3) MATLAB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。(4) MATLAB计算精度很高。(5) MATLAB具有强大的绘图功能。(6) MATLAB具有串口操作、声音输入输出等硬件操控能力。(7) MATLAB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。 (8)MATLAB的程序执行效率比其它语言低。1.3 MATLAB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,

10、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Simulin

11、k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(Communication toolbox,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

12、使用,也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的图形界面功能GUI（Graphical User Interface）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。第2章 线性模拟调制2.1 模拟调制原理模拟调制是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波，而载波是一个确知的周期性波形。模拟调制可分为线性调制和非线性调制，本文主要研究线性调制。线性调制的原理模型如图2.1所示。设c(t)=Acos2,调制信号为m(t),已调信号为s(t)。m(t)H(t)A oscs(t)图2.1 线性调

13、制的远离模型调制信号m(t)和载波在乘法器中相乘的结果为：，然后通过一个传输函数为H(f)的带通滤波器，得出已调信号为。从图2.1中可得已调信号的时域和频域表达式为： （2-1）式（2-1）中，M(f)为调制信号m(t)的频谱。由于调制信号m(t)和乘法器输出信号之间是线性关系，所以成为线性调制。带通滤波器H(f)可以有不同的设计，从而得到不同的调制种类。2.2 普通调幅（AM）原理1、AM信号调制设调制信号m(t)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2.2 AM调制器模型AM信号的时域和频域表达式分别为 （2-2） （2-3）

14、式中，为外加的直流分量；m(t)可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即。AM信号的典型波形和频谱分别如下图2.2、2.3所示，图中假定调制信号m(t)的上限频率为。显然，调制信号m(t)的带宽为。图2.3 AM信号的典型波形和频谱图由图2.3可见，AM信号波形的包络与输入基带信号m(t)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。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（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

15、，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 式中，为调制信号m(t)的带宽，为调制信号的最高频率。2、 AM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。1）相干解调 由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。相干解调的原理框图图2.4 相干解调原理图将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波

16、，得 （2-4）由24知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号 （2-5）相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。2）包络检波法 由的波形可见，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成，如图2.5所示。 图2.5包络检波原理图上图为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形，电路由二极管D、电阻R和电容C组成。当RC满足条件 (2-6)时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即的波纹，可由LPF

17、滤除。 (2-7)包络检波器输出的信号中，通常含有频率为的波纹，可由LPF滤除。图2.6 串联型包络检波器电路及其输出波形包络检波法属于非相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。综上所述，可以看出，采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB）。2.3 双边带调制（D

18、SB）原理1、DSB信号调制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m(t)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2.7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2.7 DSB调制模型器图 （2-8） （2-9）可见 ，DSB信号的包络不再与m(t)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

19、信号相同，也为基带信号带宽的两倍， 即 式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。2、 DSB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2.8所示。此时，乘法器输出 （2-10）经低通滤波器滤除高次项，得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。2.4单边带调制（SSB）原理由于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

20、方式单边带调制（SSB）。1、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。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。产生上边带信号时即为，产生下边带信号时即为。显然，SSB信号的频谱可表示为 (2-11)图2.8 SSB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

21、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。（2）用相移法形成SSB信号 可以证明，SSB信号的时域表示式为 （2-12）式中，“”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；表示把的所有频率成分均相移， 称是的希尔伯特变换。

22、根据上式可得到用相移法形成SSB信号，如图3-12所示。图中，为希尔伯特滤波器，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。图2.9 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。2、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2.10 SSB信号的相干解调此时，乘法器输出 （2-13）经低通滤波后的解调输出为综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效

23、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。2.5 残留边带（VSB）原理 1、VSB信号调制VSB调制的优点：解调时不需要本地载波，容许调制信号含有很低频率和直流分量。原理：VSB仍为线性调制。调制信号和载波相乘后的频谱为 （2-14）设调制器的滤波器的传输函数为H( f )，则滤波输出的已调信号频谱为 H(f) (2-15)2、VSB信号解调残留边带调幅是介于单边带信号和已知双边带调幅之间的一种调幅方式，对低频信号保留双边带，对高频分量部分采用单边带方式传输。其滤波器的特性应满足如下特性：） （2-16） 残留边带调制主要优点是实现比较简单，不似单边带

24、调幅的具体实现那样困难，又比抑制载波双边带调幅节省频带。其关键在于实现残留边带调幅调制的传播特性。由于实现比较困难，其应用并不广泛。第3章 仿真实现3.1 普通调幅（AM）仿真与分析 调用函数function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals Fourier transform%Input: t: sAMpling time , st : signal data. Time length must greater thean 2%output: f : sAMpling frequency ,

25、sf: frequen%output is the frequency and the signal spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);AM调制程序如下：dt=0.001; %时间采样频谱fmax=1; %信源最高频谱fc=10; %载波中心频率T=5; %信号时长N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源A=2;s_AM=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);f,Xf=F

26、FT_SHIFT(t,s_AM); %调制信号频谱PSD=(abs(Xf).2)/T; %调制信号功率谱密度figure(1)subplot(311);plot(t,s_AM);hold on; %画出AM信号波形plot(t,A+mt,r-); %表示AM包络title(AM调制信号及其包络);xlabel(t);rt=s_AM.*cos(2*pi*fc*t); %相干解调rt=rt-mean(rt);f,rf= FFT_SHIFT (t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm); %低通滤波subplot(312)plot(t,rt);hold on;plot(t,mt/2,r-);

27、title(相干解调后的信号波形与输入信号的比较)xlabel(t)subplot(313); %画出功率谱图形plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(PSD);title(AM信号频谱);xlabel(f);仿真波形图3.1：图3.1 AM仿真波形图分析：由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的2倍。对AM信号的解调采取乘积型同步检波。实现方式是使调制信号与相干载波相乘，然后通过低通滤波器。3.2

28、双边带调制（DSB）仿真与分析DSB调制程序如下：dt=0.001; %时间采样频谱fmax=1; %信源最高频谱fc=10; %载波中心频率T=5; %信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_DSB=mt.*cos(2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_DSB); %调制信号频谱PSD=(abs(sf).2)/T; %调制信号功率谱密度figure(1)subplot(311)plot(t,s_DSB);hold on; %画出DSB信号波形plot(t,mt,r-); %标示mt波形title(DSB调制信号);x

29、label(t);rt=s_DSB.*cos(2*pi*fc*t);rt=rt-mean(rt);f,rf= FFT_SHIFT (t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);subplot(312)plot(t,rt);hold on;plot(t,mt/2,r-);title(相干解调后的信号波形与输入信号的比较)xlabel(t);subplot(313)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(DSB信号频谱);xlabel(f);仿真波形图如下：图3.2 DSB仿真波形图分析：由图可以看出DSB调制有如下特点：（1）DSB信号的

30、幅值仍随调制信号变化，但与普通调幅波不同，它的包络不再在载波振幅上下变化；（2）DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处（调制电压正负交替时候）要突变180度；(3)DSB调制，信号仍集中在载频附近，由于DSB调制抑制了载波，它的全部功率为边带占有，输出功率都是有用信号，它比普通调幅波经济，但在频带利用率上没有改进；（4）DSB的频谱相当于从AM波频谱图中将载频去掉后的频谱。进一步观察DSB信号的仿真图形可见，上下半轴对称，这是因为上下两个边带所含的消息完全相同，故从消息传送的角度看，发送一个边带即可，这样不仅可以节省发射功率，而且频带的宽度也缩小一半。3.3 单边带调制（SSB）仿真与分析

31、SSB调制程序如下：dt=0.001; %时间采样频谱fmax=1; %信源最高频谱fc=10; %载波中心频率T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_SSB=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_SSB); %单边带信号频谱PSD=(abs(sf).2)/T; %单便带信号功率谱figure(1)subplot(311)plot(t,s_SSB);hold on; %画出SSB信号波形plot(t,mt,r-); %标示mt 的包络title(SSB调制信号);xlab

32、el(t);rt=s_SSB.*cos(2*pi*fc*t);%相干解调rt=rt-mean(rt);f,rf= FFT_SHIFT (t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);%低通滤波subplot(312)plot(t,rt);hold on;plot(t,mt/2,r-);title(相干解调后的信号波形与输入信号的比较)xlabel(t)subplot(313)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(SSB信号功率谱);xlabel(f);仿真波形图3.4：图3.3 SSB仿真波形图分析：SSB信号的解调和DSB一样，不能采

33、用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以采用相干解调法，即对SSB信号的解调采取乘积型同步检波。实现方法是使调制信号与相干载波相乘，然后通过低通滤波器。单频调制信号仍是等幅波，但它与原载波的电压是不同的。SSB的振幅与调制信号的幅度成正比，它的频率随调制信号的频率不同而不同，因而它含消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同。3.4 残留边带（VSB）仿真与分析调用函数：function t,st=IFFT_SHIFT(f,Sf)df=f(2)-f(1);fmax=(f(end)-f(1)+df);dt=1/fmax;N=leng

34、th(f);t=0:N-1*dt;Sf=fftshift(Sf);st=fmax*ifft(Sf);st=real(st);function t,st=VSBmd(f,sf,B1,B2,fc)% This function is a residual bandpass filter% Inputs f: sAMple frequency, sf: frequency spectrum data% B1: residual bandwidth, B2: highest freq of the baseband signal% Outputs t:sAMple time, st: signal d

35、atadf=f(2)-f(1);T=1/df;hf=zeros(1,length(f);bf1=floor(fc-B1)/df):floor(fc+B1)/df);bf2=floor(fc-B1)/df)+1:floor(fc+B2)/df);f1=bf1+floor(length(f)/2);f2=bf2+floor(length(f)/2);stepf=1/length(f1);hf(f1)=0:stepf:1-stepf;hf(f2)=1;f3=-bf1+floor(length(f)/2);f4=-bf2+floor(length(f)/2);hf(f3)=0:stepf:(1-stepf);hf(f4)=1;yf=hf.*sf;t,st=IFFT_SHIFT(f,yf);st=real(st);VSB调制程序：% Signaldt=0.001;fmax=5;fc=20;T=5;N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*(cos(2*pi*fmax*t)+sin(2*pi*0.5*fmax*t);% VSB modulations_VSB=mt.*cos(2*pi*fc*t);B1=0.2*fmax;B2=1.2*fmax;f