通信系統(tǒng)設計.doc

精品文檔目錄序言2第一章 基于Matlab的通信系統(tǒng)課程設計要求31.1設計要求31.2 課程設計題目3第二章 線性幅度調制的原理42.1振幅調制產生原理42.2幾種調幅電路方案分析4 2.2.1標準調幅波（AM） 調制原理42.2.2 標準調幅波（AM） 解調原理52.2.3 雙邊帶調幅（DSB）調制原理62.2.4 雙邊帶調幅（DSB）解調原理72.2.5 單邊帶調幅（SSB）調制原理82.2.6 單邊帶調幅（SSB）解調原理9第三章 線性幅度調制系統(tǒng)的MATLAB仿真103.1 MATLAB的基本操作103.2 標準調幅波（AM）的編譯仿真與分析113.3 雙邊帶調制（DSB）的編譯仿真與分析123.4 單邊帶調制（SSB）的編譯仿真與分析14實驗總結16心得與體會17參考文獻18附錄19序言在信號的傳輸過程中，大多數待傳輸的信號具有較低的頻率成分，稱之為基帶信號，如果將基帶信號直接傳輸，稱為基帶傳輸。但是，很多信道不適宜進行基帶信號的傳輸，或者說，如果基帶信號在其中傳輸，會產生很大的衰減和失真。因此，需要將基帶信號進行調制，變換為適合信道傳輸的形式，調制是讓基帶信號m（t）去控制載波的某個（或某些）參數，是該參數按照信號m（t）的規(guī)律變化的過程。調制在通信系統(tǒng)中的作用至關重要。所謂調制，就是把信號轉換成適合在信道中傳輸的形式的一種過程。廣義的調制分為基帶調制和帶通調制（也稱載波調制）。在無線通信中和其他大多數場合，調制一詞均指載波調制。調制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的影響和作用。采用什么樣的調制方式將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。本次課設主要講述模擬（線性幅度）調制的方式及其仿真結果。幅度調制是用調制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調制信號的規(guī)律變化的過程 ，常分為標準調幅（AM）、抑制載波雙邊帶調制（DSB）、單邊帶調制（SSB）和殘留邊帶調制（VSB）等。AM調制的優(yōu)點是接收設備簡單，缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，在傳輸中如果載波遇到信道的選擇性衰落，則在包絡檢波時會出現過調失真，信號頻帶較寬，頻帶利用率不高，因此AM調制用于通信質量要求不高的場合。目前主要用在中波和短波的調幅廣播中。DSB調制的優(yōu)點是功率利用率高，但帶寬與AM相同，接收要求同步解調，設備較復雜。只用于點對點的專用通信，運用不太廣泛。SSB調制的優(yōu)點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和選擇性衰落能力均強于AM，而帶寬只有AM的一半；缺點是發(fā)送和接收設備都很復雜。鑒于這些特點，SSB調制普遍用在頻帶比較擁擠的場合，如短波無線電廣播和頻分多路復用系統(tǒng)中。 在線性調制系統(tǒng)實驗中，此次課程設計主要用調幅（AM）,雙邊帶（DSB）和單邊帶（SSB）等調制為說明對象，從原理等方面進行分析闡述并進行仿真分析，說明其調制原理，并進行仿真分析。利用MATLAB對模擬調制系統(tǒng)進行仿真，結合MATLAB模塊和Simulink工具箱的實現，對仿真結果進行分析，從而能夠更深入地掌握通信原理中掌握模擬調制系統(tǒng)的相關知識。第一章 基于Matlab的通信系統(tǒng)課程設計要求1.1設計要求1.1.1 建立通信系統(tǒng)的數字模型 根據通信系統(tǒng)的基本原理、確定總的系統(tǒng)功能，將各部分功能模塊化，并找出各部分之間的關系，畫出系統(tǒng)框圖。1.1.2熟悉仿真工具，采用m編程或Simulink模塊化設計，組建通信系統(tǒng) 首先新建一個m文件，再根據系統(tǒng)原理框圖畫出軟件實現流程圖，然后根據流程編寫相應程序，最后對代碼進行修正優(yōu)化，最終實現系統(tǒng)功能。1.1.3根據系統(tǒng)性能指標，設置和調整各模塊參數及初始變量值。1.1.4實現系統(tǒng)運行仿真，觀察分析結果（計算的數據、顯示的圖形）。1.2、課程設計題目線性幅度調制系統(tǒng)的仿真設計指標要求：(1) 信源位Fm=1Hz， Am=1V的余弦信號，載波Fc=1Hz。(2) 根據線性幅度調制原理，確定調制系統(tǒng)設計方案。(3) 畫出AM，DSB，SSB調制解調信號時域波形和頻譜圖。(4) 對數據結果進行分析。第二章 線性幅度調制的原理 2.1振幅調制產生原理調制就是在傳送信號的一方將所要傳送的信號附加在高頻振蕩上，再由天線發(fā)射出去。這里高頻振蕩波就是攜帶信號的運載工具，也叫載波。振幅調制，就是由調制信號去控制高頻載波的振幅，直至隨調制信號做線性變化。在線性調制系列中，最先應用的一種幅度調制是全調幅或常規(guī)調幅，簡稱為調幅（AM）。為了提高傳輸的效率，還有載波受到抑制的雙邊帶調幅波（DSB）和單邊帶調幅波（SSB）。在頻域中已調波頻譜是基帶調制信號頻譜的線性位移；在時域中，已調波包絡與調制信號波形呈線性關系。2.2 幾種調幅電路方案分析2.2.1標準調幅波（AM）調制原理 調制信號是只來來自信源的調制信號（基帶信號），這些信號可以是模擬的，亦可以是數字的。為首調制的高頻振蕩信號可稱為載波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脈沖序列)。載波由高頻信號源直接產生即可，然后經過高頻功率放大器進行放大，作為調幅波的載波，調制信號由低頻信號源直接產生，二者經過乘法器后即可產生雙邊帶的調幅波。 設載波信號的表達式，調制信號的表達式為 ，則調幅信號時域和頻域表達式為 (1) 式中，為外加的直流分量；可以是確知信號也可以是隨機信號，但通常認為其平均值為0，即， 圖2.2.1 標準調幅波示意圖2.2.2 標準調幅波（AM）解調原理 調制過程的逆過程叫做解調。AM信號的解調是把接收到的已調信號還原為調制信號。 AM信號的解調方法有兩種：相干解調和包絡檢波解調。1）相干解調由AM信號的頻譜可知，如果將已調信號的頻譜搬回到原點位置，即可得到原始的調制信號頻譜，從而恢復出原始信號。解調中的頻譜搬移同樣可用調制時的相乘運算來實現。相干解調的原理框圖圖2.2.2（1） 相干解調原理圖將已調信號乘上一個與調制器同頻同相的載波，得 (2)由上式可知，只要用一個低通濾波器，就可以將第1項與第2項分離，無失真的恢復出原始的調制信號相干解調的關鍵是必須產生一個與調制器同頻同相位的載波。如果同頻同相位的條件得不到滿足，則會破壞原始信號的恢復。2）包絡檢波法由的波形可見，AM信號波形的包絡與輸入基帶信號成正比，故可以用包絡檢波的方法恢復原始調制信號。包絡檢波器一般由半波或全波整流器和低通濾波器組成，如下圖所示。圖2.2.2(2) 包絡檢波原理圖上圖為串聯型包絡檢波器的具體電路及其輸出波形，電路由二極管D、電阻R和電容C組成。當RC滿足條件 (3)時，包絡檢波器的輸出與輸入信號的包絡十分相近，即的波紋，可由LPF濾除。 AM調制的優(yōu)點是可用包絡檢波法解調，不需要本地同步載波信號，設備簡單。AM調制的最大缺點是調制效率低。2.2.3 雙邊帶調幅（DSB）調制原理 在AM信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由便在傳送。如果在AM調制模型中將直流分量去掉，即可得到一種高調制效率的調制方式抑制載波的雙邊帶調幅波（DSB）DSB的時域和頻域表達式為（4） （5）可見DSB信號實質上就是基帶信號與載波直接相乘。下面是DSB的調制模型： 圖2.2.3 DSB調制模型器圖2.2.4 雙邊帶調幅（DSB）解調原理 DSB信號只能運用相干解調，其模型與AM信號相干解調時完全相同。此時，乘法器輸出 (6)經低通濾波器濾除高次項，得(7)即無失真地恢復出原始電信號。 抑制載波的雙邊帶幅度調制的好處是，節(jié)省了載波發(fā)射功率，調制效率高；調制電路簡單，僅用一個乘法器就可實現。缺點是占用頻帶寬度比較寬，為基帶信號的2倍。DSB信號的包絡不再與調制信號的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡單的包絡檢波來恢復調制信號，需采用相干解調(同步檢波)。另外，在調制信號的過零點處，高頻載波相位有180的突變。除了不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號的頻譜與AM信號的頻譜完全相同，仍由上下對稱的兩個邊帶組成。所以DSB信號的帶寬與AM信號的帶寬相同，也為基帶信號帶寬的兩倍， 即 （8）式中，為調制信號的最高頻率。 2.2.5 單邊帶調幅（SSB）調制原理 產生SSB信號最基本的方法有濾波法和相移法。（1）用濾波法形成SSB信號用濾波法實現單邊帶調制的原理圖如圖所示 圖2.2.5(1) SSB信號的濾波法產生顯然，SSB信號的頻譜可表示為(9)用濾波法實現SSB信號，原理框圖簡潔、直觀，但存在的一個重要問題是單邊帶濾波器不易制作。一般調制信號都具有豐富的低頻成分，經過調制后得到的DSB信號的上、下邊帶之間的間隔很窄，要想通過一個邊帶而濾除另一個，要求單邊帶濾波器在附近具有陡峭的截止特性即很小的過渡帶，這就使得濾波器的設計與制作很困難，有時甚至難以實現。為此，實際中往往采用多級調制的辦法，目的在于降低每一級的過渡帶歸一化值，減小實現難度。（2）用相移法形成SSB信號可以證明，SSB信號的時域表示式為(10)式中，“”對應上邊帶信號，“+”對應下邊帶信號；表示把的所有頻率成分均相移，稱是的希爾伯特變換。根據上式可得到用相移法形成SSB信號，如圖3-12所示。圖中，為希爾伯特濾波器，它實質上是一個寬帶相移網絡，對中的任意頻率分量均相移。圖2.2.5(2) 相移法形成SSB信號的模型相移法形成SSB信號的困難在于寬帶相移網絡的制作，該網絡要對調制信號的所有頻率分量嚴格相移，這一點即使近似達到也是困難的。2.2.6 單邊帶調幅（SSB）解調原理 從SSB信號調制原理圖中不難看出，SSB信號的包絡不再與調制信號成正比，因此SSB信號的解調也不能采用簡單的包絡檢波，需采用相干解調，如圖所示。圖2.2.6 SSB信號的相干解調此時，乘法器輸出 (11) 綜上所述，單邊帶幅度調制的好處是，節(jié)省了載波發(fā)射功率，調制效率高；頻帶寬度只有雙邊帶的一半，頻帶利用率提高一倍。缺點是單邊帶濾波器實現難度大。第三章 線性幅度調制系統(tǒng)的MATLAB仿真MATLAB通信工具箱中的系統(tǒng)仿真，分為用SIMULINK模塊框圖進行仿真和用MATLAB函數進行的仿真兩種。在用SIMULINK模塊框圖的仿真中，每個模塊，在每個時間步長上執(zhí)行一次，就是說，所有的模塊在每個時間步長上同時執(zhí)行。這種仿真被稱為時間流的仿真。而在用MATLAB函數的仿真中，函數按照數據流的順序依次執(zhí)行，意味著所處理的數據，首先要經過一個運算階段，然后再激活下一個階段，這種仿真被稱為數據流仿真。某些特定的應用會要求采用兩種仿真方式中的一種，但無論是哪種，仿真的結果是相同的。3.1 MATLAB的基本操作在桌面上雙擊MATLAB6.5.1的“啟動”圖標后將啟動MATLAB。圖3-1便是啟用后的默認界面。 圖3.1 MATLAB啟用后的默認界面從圖3-1中可以看到MATLAB的啟動界面主要包括六部分：標題欄、菜單欄、工具條、Command Window（命令窗口）、Workspace（工作窗口）、Command History（歷史命令窗口）及Start（項目啟動菜單）。其中，標題欄用于顯示打開文件的名稱：菜單欄包括“File”、“Edit”、“Web”、“Window”、和“Help”5個菜單；工具欄包括了一些常用的操作圖標，單擊它們MATLAB可立即執(zhí)行相應操作。菜單欄和工具欄操作方法和其它應用程序中的操作方法相同。3.2 標準調幅波（AM）的編譯仿真與分析編寫AM波的調制解調程序如下：close all;clear all;dt=0.001; %時間采樣間隔fm=1;%信源最高頻率fc=10;%載波中心頻率T=5;%信號時長t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); B=2*fm;%帶通濾波器帶4寬figure(1)subplot(3,1,1)plot(t,s_am),grid;hold on;%畫出AM信號波形plot(t,A+mt,r-);%標出AM的包絡title(AM調制信號及包絡)xlabel(t);rt=s_am.*cos(2*pi*fc*t);%相干解調rt=rt-mean(rt);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);%低通濾波subplot(3,1,3)plot(t,rt),grid;hold on;plot(t,mt/2,r-);title(相干解調后的信號與輸入信號)xlabel(t)subplot(3,1,2)f,sf=T2F(t,s_am);%調制信號頻譜psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title(AM信號頻譜)xlabel(f);%subplot(4,1,4)%f,sf=T2F(t,s_am);%調制信號頻譜%psf=(abs(sf).2)/T;%plot(f,psf);%axis(0 15 0 max(psf);%title(AM信號右頻譜)%xlabel(f);從而得到仿真波形如下：圖3.2 AM調制解調波分析：由頻譜圖可以看出，AM信號的頻譜由載頻分量、上邊帶、下邊帶三部分組成。上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。此調制方式占用頻帶較寬，已調信號的頻帶寬度是調制信號的頻帶的兩倍。從圖中可以看出有部分功率耗用在正弦載波上，而沒有用于信息的傳送，從效率上看，AM調幅幅度方式效率較低，但調制和解調過程簡單，較易實現。3.3 雙邊帶調制（DSB）的編譯仿真與分析編寫DSB調制解調程序如下：close all;clear all;dt=0.001; %時間采樣間隔fm=1;%信源最高頻率fc=10;%載波中心頻率T=5;%信號時長t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm;figure(1)subplot(311)plot(t,s_dsb),grid;hold on;%畫出DSB信號波形plot(t,mt,r-);%標出mt的波形title(DSB調制信號)xlabel(t);rt=s_dsb.*cos(2*pi*fc*t);rt=rt-mean(rt);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);subplot(312)f,sf=T2F(t,s_dsb);psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title(DSB信號頻譜)xlabel(f);subplot(313)plot(t,rt),grid;hold on;plot(t,mt/2,r-);title(相干解調后的信號與輸入信號)xlabel(t);編譯仿真圖如下： 圖3.3 雙邊帶(DSB)調制解調波分析： 觀察DSB信號的仿真圖形可見，DSB的頻譜相當于從AM波頻譜圖中將載頻去掉后的頻譜。上下半軸對稱，說明上下兩個邊帶所帶的消息相同，所以消息傳送的角度看，發(fā)送一個邊帶即可，這樣不僅可以節(jié)省發(fā)射功率，而且頻帶的寬度也縮小一半，雖然它比普通調幅波經濟，但在頻帶利用率上沒有改進。DSB信號的高頻載波相位在調制電壓零交點處要突變180度。3.4 單邊帶調制（SSB）的編譯仿真與分析編寫SSB調制解調程序如下：close all;clear all;dt=0.001;%時間采樣間隔fm=1;%信源最高頻率fc=10;%載波中心頻率T=5;%信號時長t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源%SSB modulations_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);B=fm;%帶通濾波器帶寬figure(1)subplot(311)plot(t,s_ssb),grid;hold on;%畫出SSB信號波形plot(t,mt,r-);%標出mt的包絡title(SSB調制信號)xlabel(t);rt=s_ssb.*cos(2*pi*fc*t);%相干解調rt=rt-mean(rt);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);%低通濾波subplot(313)plot(t,rt),grid;hold on;plot(t,mt/2,r-);title(濾波后的信號與輸入信號)xlabel(t)subplot(312)f,sf=T2F(t,s_ssb);%單邊帶信號頻譜psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title(SSB信號頻譜)xlabel(f);編譯后的波形圖如下：圖3.4 單邊帶(SSB)調制解調波分析：從圖中可以看出，SSB的振幅與調制信號的幅度成正比，它的頻率隨調制信號的頻率不同而不同，因而它含消息特征。單邊帶信號的包絡與調制信號的包絡形狀相同。單邊帶調制技術可以避免帶寬翻倍，同時避免將能量浪費在載波上。 實驗總結AM信號的包絡與調制信號m(t) 的形狀完全一樣，因此可采用簡單的包絡檢波器進行解調，DSB信號抑制了AM信號中的載波分量，因此調制效率是100%；SSB只傳輸DSB信號中的一個邊帶，所以頻譜最窄，效率最高。 時域：調制信號波形與AM的包絡相同，而與DSB、SSB的不同；頻域：AM信號包含有載波、上下邊帶；DSB僅有上下邊帶而無載波；SSB僅有上邊帶或下邊帶而無載波；上邊帶或下邊帶的帶寬與調制信號帶寬相等。心得與體會通過這一周的課程設計，我對通信領域的知識得到了更深一步的了解。通過在課程設計中查閱資料，我拓寬了知識面，增長了見識。在這過程中我遇到了很多困難，其中兩大難點就是matlab的應用和改錯，切身體會到自己的知識欠佳。不過，很欣慰自己可以堅持到底，最后圓滿完成課程設計任務。 我深切體會到做任何事情都必須用心、耐心。這次訓練，讓我對原來的知識有了更深一步的了解，也對MATLAB這個仿真軟件的操作有了更深的理解。在此期間，我多多少少也遇到了一些問題，但是通過老師和同學們的幫助，終于完成了這次通信系統(tǒng)綜合訓練的任務。我很感謝在課設過程中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W。我相信，我們的每一次拼搏都是未來的墊腳石，課程設計過程中所學到的東西是有限的，但是從中學到的經驗能力是無限 的。參考文獻1 樊昌信.曹麗娜等.通信原理（第六版）.北京.國防工業(yè)出版社.2006.2 劉敏.魏玲等.MATLAB通信仿真與應用.北京.國防工業(yè)出版社.2001.3 郭文彬.桑林等.通信原理-基于MATLAB的計算機仿真（第一版）.北京.北京郵電大學出版社.2006.4 周衛(wèi)東, 羅國民, 朱勇等. 現代傳輸與交換技術M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 20035 原東昌，李晉炬.通信原理與實驗M . 北京理工大學出版社，2000 年.附錄程序中調用的腳本文件T2F、F2T、lpf7歡迎下載7歡迎下載7歡迎下載。functiont,st=F2T(f,sf)df=f(2)-f(1);Fmx=(f(end)-f(1)+df);dt=1/Fmx;N=length(sf);T=dt*N;t=0:dt:T-dt;sff=fftshift(sf);st=Fmx*ifft(sff);functionf,sf=T2F(t,st);dt=t(2)-t(1);T=t(en