VSB的調(diào)制與解調(diào)

1、1 選題背景 12?方案論證 23 過程論述 23.1 VSB 信號分析 23.2 VSB 信號的傳輸方法 33.3 基本參數(shù)設計 33.4 VSB 調(diào)制 33.5 VSB 信號進行相干解調(diào)。 44 結(jié)果分析 44.1 VSB 調(diào)制信號 44.2 采用相干解調(diào)后的VSB信號波形 44.3 調(diào)制信號的功率譜密度 44.4 加上窄帶高斯噪聲后重新解調(diào) 44.4.1 用 MATLA的真 44.4.2 窄帶高斯白噪聲的調(diào)制 54.4.3 窄帶高斯白噪聲的解調(diào) 55 結(jié)論 6參考文獻 6VSB的調(diào)制與解調(diào)1 選題背景 ?調(diào)制是將各種基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號(已調(diào)信號或頻帶信號)，就是用基帶信

2、號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號傳輸，而解調(diào)是調(diào)制的反過程，通過具體的方法從已調(diào)信號的參量變化中將恢復原始的基帶信號。調(diào)制技術分為模擬調(diào)制技術與數(shù)字調(diào)制技術，其主要區(qū)別是：模擬調(diào)制是對載波信號的某些參量進行連續(xù)調(diào)制，在接收端對載波信號的調(diào)制參量連續(xù)估值，而數(shù)字調(diào)制是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送信息，在接收端只對載波信號的離散調(diào)制參量進行檢測。 主要的數(shù)字調(diào)制方式包括比較傳統(tǒng)的幅移鍵控(ASK) 和多電平正交調(diào)幅(mQAM) ， 頻移鍵控(FSK),相移鍵控(PSK)和多相相移鍵控(mPSK)。也包括近期發(fā)展起來的網(wǎng)格編碼調(diào)制 (TCM) 、殘留邊帶調(diào)

3、制、正交頻分復用調(diào)制等方法。數(shù)字調(diào)制的優(yōu)點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現(xiàn)長距離傳輸。在現(xiàn)在文明高速發(fā)展的今天，人們越來越離不開數(shù)字信息，數(shù)字通信也越來越重 要，因此數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術越來越被廣泛應用。由于信道資源的緊張與人們越來越希望更快的通信速度與更好通信質(zhì)量的要求的矛盾，將來必然還要尋找更加好的調(diào)制技術，它要求功率效率高，頻帶利用率高，并且易于實現(xiàn)，節(jié)能低碳，環(huán)保。激光調(diào)制通信、衛(wèi)星通信、非恒包絡調(diào)制等都是研究方向。數(shù)字調(diào)制解調(diào)的發(fā)展，必定會有力地推進通信、數(shù)字技術等各個領域的進步。數(shù)字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高于模擬通信，調(diào)制技術的種類也遠遠多于模擬通信，大大

4、提高了用戶根據(jù)實際應用需要選擇系統(tǒng)配置的靈活性，除此之外，數(shù)字調(diào)制抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現(xiàn)長距離傳輸。在現(xiàn)在文明高速發(fā)展的今天，人們越來越離不開數(shù)字信息，數(shù)字通信也越來越重要，因此數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術越來越被廣泛應用。殘留邊帶調(diào)制是介于SSB 與 DSB 之間的一種折中方式；?它既克服了 DSB信號占用頻帶寬的缺點，又解決了 SSB信號實現(xiàn)中的困難。在這種調(diào)制方式中；?它不像SSB 那樣完全抑制DSB 信號的一個邊帶，而是逐漸切割，使其殘留 小部分；?解調(diào)是調(diào)制的逆過程。調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣。與調(diào)制的分類相對應，解調(diào)可分為正弦波解調(diào)(有時也稱為連續(xù)波解調(diào))和

5、脈沖波解調(diào)。正弦波解調(diào)還可再分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)，此外還有一些變種如單邊帶信號解調(diào)、殘留邊帶信號解調(diào)等。同樣，脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。對于多重調(diào)制需要配以多重解調(diào)。解調(diào)過程大體上包含兩個主要環(huán)節(jié)：首先把位于載波附近攜帶有用信息的頻譜搬移到基帶中，然后用相應的濾波器濾出基帶信號，完成解調(diào)任務。脈沖調(diào)制信號的解調(diào)比較簡單。例如脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制信號都含有很大的調(diào)制信號分量， 可以用低通濾波器直接從脈沖已調(diào)波中將它們?yōu)V出，實現(xiàn)解調(diào)；有的脈沖已調(diào)波（如脈位調(diào)制、脈碼調(diào)制等）中的調(diào)制信號分量較小，通常先把它們變?yōu)槊}幅或脈寬調(diào)制信號，再用濾波

6、器把有用信號濾出。正弦波已調(diào)信號中不包含調(diào)制信號分量。解調(diào)時應先進行頻率變換，把孕含在邊帶中的有用信號頻譜搬移到適當?shù)念l帶之內(nèi)，再用濾波器或適當器件，把有用信號檢出。2? 方案論證殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與抑制載波雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式，在殘留邊帶調(diào)制中除了傳送一個邊帶之外，還保留另外一個邊帶的一部分。對于具有低頻即直流分量的調(diào)制信號，用濾波法實現(xiàn)單邊帶調(diào)制時所需要的過渡帶是無限陡的理想濾波器，在殘留邊帶調(diào)制中已不再需要，這就避免了實現(xiàn)上的困難。本次設計的主要是總分總思想進行，先要知道本實驗的要求和目的，再根據(jù)設計要求了解 MATLAB 的使用，模擬信號的調(diào)制，模擬調(diào)制的分類，熟知模

7、擬調(diào)制的工作方式，了解模擬調(diào)制的知識，本設計應該分為兩個主體，首先是對VSB 信號進行調(diào)制，再是對已調(diào)的 VSB 信號的解調(diào)。用matlab產(chǎn)生一個頻率分別為5Hz、5/2Hz的余弦和正弦疊加信號作為信源 m（t）,兩個 頻率分量功率相同，總信號功率為 2W,設載波頻率為20Hz。3 過程論述3.1 VSB 信號分析殘留邊帶調(diào)制VSB 是一種幅度調(diào)制法（AM ），它是在雙邊帶調(diào)制的基礎上，通過設計濾波器，使信號一個邊帶的頻譜成分原則上保留，另一個邊帶頻譜成分只保留小部分（殘留）。由于該調(diào)制方法介于雙邊帶與單邊帶之間，因此該調(diào)制方法既比雙邊帶調(diào)制節(jié)省頻譜，又比單邊帶易于解調(diào)。由于 VSB基本性能

8、接近SSB,而VSB調(diào)制中的邊帶濾波器比SSB 中的邊帶濾波器容易實現(xiàn)，所以VSB 調(diào)制在廣播電視、通信等系統(tǒng)中得到廣泛應用。數(shù)字 VSB 調(diào)制方式輸出的是一種使用單個載波、采用幅度調(diào)制的、抑制載波的殘留邊帶信號。 VSB 系統(tǒng)實際上提供了一系列調(diào)制等級，如 2-VSB、 4-VSB、 8-VSB、 16-VSB 調(diào)制等。這一系列的VSB 可以使用相同的導頻、符號率、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、交織過程、R-S 編碼及同步脈沖。它可以應用于地面廣播和有線電視，如美國ATSC 的數(shù)字電視標準就是采用的VSB調(diào)制方式。在地面廣播中常用8-VSB 調(diào)制，在一個6MHz 模擬帶寬內(nèi)可傳送一路HDTV信號； 而在有線電

9、視中常用16-VSB 調(diào)制， 此時， 在一個 6MHz 模擬帶寬內(nèi)可傳送2路 HDTV信號。在 6MHz 的模擬帶寬上采用4-VSB 調(diào)制可以攜帶21.5Mbit/s 信息 (理想情況為24Mbit/s)， 采用 16-VSB 調(diào)制可以攜帶43Mbit/s 信息 (理想情況為48Mbit/s)。 我們知道，標準的一路HDTV數(shù)字視頻信號經(jīng)約50倍的壓縮后，其數(shù)碼率約為 20Mbit/s。因此，在有線電視的16-VSB 調(diào)制情況下，在6MHz 的模擬帶寬中，可傳輸兩路HDTV 信號。由于有線電視在電纜中傳輸，因而傳輸環(huán)境較好，不需要對所傳信號進行冗余的TCM 編碼。然而，在數(shù)字電視地面廣播的傳輸

10、條件下，由于空間傳輸?shù)沫h(huán)境較差，因而對所傳輸?shù)男盘栠M行 2/3 的 TCM 編碼， 因此， 在地面廣播中采用加TCM 的 8-VSB 調(diào)制， 其有效數(shù)碼率和4-VSB方式一樣，為21.5Mbit/s,可傳一路HDTV信號。在高斯白噪聲環(huán)境下，VSB和QAM 具有相同的誤碼特性(VSB 的功率忽視導頻能量)。 8-VSB 相當于 64-QAM ， 16-VSB相當于 256-QAM 的性能。但從結(jié)構(gòu)來看，VSB 要比 QAM 簡單，硬件復雜度低3.2 VSB 信號的傳輸方法用濾波法實現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制的原理圖如圖圖 3-1 濾波法實現(xiàn)實現(xiàn)殘留邊帶調(diào)制原理圖殘留部分下邊帶時的傳遞函數(shù)圖 3-2 殘留部

11、分下邊帶圖殘留部分上邊帶傳遞函數(shù)圖 3-3 殘留部分上邊帶圖它的幾何含義是，殘留邊帶濾波器的傳輸函數(shù)Hvsb(W)在Wc附近必須具有互補對稱性，它可以看作是對截止頻率為Wc 的理想濾波器進行“平滑 ”的結(jié)果，習慣上，稱這種“平滑 ”為 “滾降 ”。顯然，由于“滾降 ”，濾波器截止頻率特性的“陡度 ”變緩，實現(xiàn)難度降低，但濾波器的帶寬變寬。3.3 基本參數(shù)設計設抽樣頻率Fs=1000FsHz,抽樣時長5秒，對應采樣點數(shù)N=5000N?VSB 調(diào)制和解調(diào)可以用信號過系統(tǒng)的方法進行仿真。(1) 對信號進行抽樣得到X(n);(2) 對信號做離散傅立葉變換X(n)X(w);(3)?信號過系統(tǒng)，頻域相乘?

12、Y(w)=X(w)H(w);?(4)?對輸出信號做傅立葉反變換，與輸入信號做對比。3.4 VSB 調(diào)制殘留邊帶為0.2mf的VSB調(diào)制信號時域波形？，VSB調(diào)制可等效為輸入基帶信號先調(diào)制為 DSB 信號，再通過一個特殊的濾波器。對濾波器的要求：濾波器有過渡帶，其中一個邊帶損失的恰好能夠被另外一個邊帶殘留的部分補償。圖 3-4 調(diào)制原理圖3.5 VSB 信號進行相干解調(diào)。殘留邊帶信號顯然也不能簡單采用包絡檢波，而必須采用下圖所示的相干解調(diào)。圖 3-5 解調(diào)原理圖4 結(jié)果分析4.1 VSB 調(diào)制信號圖 4-1 VSB 調(diào)制信號與信源的比較圖由圖可以看出，VSB 調(diào)制信號與信源相比，幅度值和周期都發(fā)

13、生了改變。4.2 采用相干解調(diào)后的VSB 信號波形圖 4-2 相干解調(diào)后的波形與原輸入信號的波形由圖可以看出，相干解調(diào)后的信號除了幅度值是輸入信號(信源)的1/2 外，波形沒有發(fā)生變化，也沒有發(fā)生時延。4.3 調(diào)制信號的功率譜密度圖 4-3 調(diào)制信號的功率譜密度由圖可以看出，輸入信號(信源)經(jīng)過調(diào)制后，信號功率譜已發(fā)生變化。符合殘留邊 帶濾波器的效果。4.4 加上窄帶高斯噪聲后重新解調(diào)4.4.1 用 MATLAB 仿真N0=0.1noise?=?noise_nb(fc,B,N0,t);?s_vsb2?=?s_vsb?+?noise;rt2?=?s_vsb2.*cos(2*pi*fc*t);?f

14、igure(2)?subplot(211)?plot(t,mt,r-);?標示 mt 的波形hold?on;?title(原始信號的波形)subplot(212)?plot(t,s_vsb2);?%J出 s_vsb2信號波形？title( 窄帶高斯噪聲加載后的波形 );?xlabel(t);?ylabel(幅度);？%窄帶高斯白噪聲的解調(diào)f,rf2 = T2F(t,rt2);t,rt2 = lpf(f,rf2,2*fm);figure(3)plot(t,rt2,t,mt,r-);hold on;legend(加噪聲重新解調(diào)后的信號,輸入信號(信源)title(在接收端帶通后加上窄帶高斯噪聲后重

15、新解調(diào)得到的波形);xlabel(t);ylabel(幅度)；4.4.2 窄帶高斯白噪聲的調(diào)制圖 4-4 在輸入端加窄帶高斯噪聲調(diào)制圖由圖可以看出，此時調(diào)制信號已經(jīng)接收窄帶高斯白噪聲影響發(fā)生變化，發(fā)生嚴重的幅度失真，只能粗略估計出原VSB 信號的變化規(guī)律。4.4.3 窄帶高斯白噪聲的解調(diào)圖 4-5 在接收端加入窄帶高斯白噪聲的解調(diào)圖與信源圖的比較在接收端帶通后加上窄帶高斯噪聲后重新解調(diào)后，輸出信號已經(jīng)發(fā)生幅度失真，但是沒有發(fā)生相位失真。輸出信號已經(jīng)失去信源的周期性，幅度值發(fā)生不規(guī)律變化，信號波形比較平坦，幅度大約為調(diào)制信號的一半。5 結(jié)論VSB 信號的調(diào)制可等效為輸入基帶信號先調(diào)制為DSB 信

16、號，再通過一個特殊的濾波器。但對濾波器有要求：濾波器有過渡帶，其中一個邊帶損失的恰好能夠被另外一個邊帶殘留的部分補償。選擇合適的載波頻率進行相干解調(diào)，可以除幅度減半之外相對無失真的恢復原始信號，但是對于接收到比較微弱的信號進行相干解調(diào)，需要在功率上進行補償。調(diào)制信號 -VSB 信號是功率信號，它的能量無窮大，利用巴塞瓦爾定理和極限的方法得到信號的單邊功率譜密度近似等于信號傅里葉變換（頻譜密度）模值的平方除以信號的周期（在周期近似無窮大的前提下）。 若 VSB 信號在信道中疊加了窄帶高斯噪聲，經(jīng)接收和相干解調(diào)是無法消除該噪聲的，且該噪聲會嚴重影響我們相干解調(diào)的效果，甚至無法看到原始信號的變化規(guī)律。所以，噪聲在接收方，是需要極力避免的。我們在進行信號接收和分析時，應根據(jù)我們的需要調(diào)整濾波器的設計方式、進行FFT 或 IFFT 后幅值的大小等，不能拘泥于原理本身，要靈活的應用它們，為自己服務，它們和MATLAB 一樣，是服務于我們的工具。本次仿真就運用一個幅度調(diào)制是正余弦載波的幅度隨調(diào)制信號線性變化的過程。幅度調(diào)制后的已調(diào)信號，在時間波形上，波的幅度隨調(diào)制信號成線性變化，在頻譜結(jié)構(gòu)上，頻譜已從基帶域搬移到其他一個頻域，而且他的頻譜結(jié)構(gòu)完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單的搬移，由于這種搬移是線性