毕业设计（论文）-2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统仿真(14页).doc

-毕业设计（论文）-2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统仿真-第 11 页2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统仿真摘  要  本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计一个2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。在课程设计中，首先根据原理构建调制解调电路，再在Simulink中调出所需元件组成相应电路框图，再设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，再在信道加入适当方差的噪声，根据显示结果分析所设置的系统性能。关键词  AM；SSB；2路FDM；相干解调；高斯白噪声1 引 言通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信 (Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。通信从本质上来讲是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉，当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。课程设计运用了MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台来设计2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统。AM调制是一个基带信号加一个直流分量后与载波相乘即可形成调幅信号，SSB调制是一个基带信号与载波相乘得到DSB通过带通滤波器形抑制载波的已调信号，通过混和叠加经过一个带通滤波器再由解调器解调无失真提取相应的基带信号，此解调过程主要是相干解调。1.1 课程设计目的本次课设计的最主要目的是了解幅度调制、解调、相干解调、频分复用与信道加噪声对调制信号的干扰相关的基本原理。在进行了专业基础知识课程教学的基础上，根据相关的原理特性，设计电路框图并分析一个2路FDM的混合调制与相干解调系统，理论联系实际，有助于加深对系统知识的巩固和理解。利用MATLAB 7.0 集成环境下的Simulink仿真平台设计一个2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。并绘制相关的波形图及频谱图，并且分析信号波形及其频谱特点。1.2 课程设计的要求本课程的设计要求如下：1）学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。2）利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计一个2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统。并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察调制与解调前后的信号频谱变化。3）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。4）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。5）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 6）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。1.3 设计平台Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink&reg是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的。2 设计原理2.1 AM调幅相关原理当调制信号中有直流时，经过调幅器，形成标准的常规双边带调制，简称调幅（AM），AM调制的一般模型如图2.1所示：=直流分量图2.1 AM调制框图用加法器得到 ，与载波相乘产生调幅信号。其时域表达式为：频谱表达式：图2.2调幅AM示意图若为随机信号，则已调信号的频域表示必须用功率谱描述。由波形可以看出，当满足条件： 时，AM波的包络与调制信号的形状完全一样，因此，一般用包络检波的方法很容易恢复出原始调制信号；否则，就会出现“过调幅”现象，这时用包络检波方法会发生失真。但是，可以采用其他的调解方法，如同步检波。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。 解调是调制的逆过程，信号解调的方法包括两种，相干解调（同步检波）与非相干解调（包络检波）。解调与调制的实质一样，均是频谱搬移，可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。本次设计采用相干解调时，为了无失真地恢复基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波（同频同相）本地载波。设解调器的输入信号为，载波为，经过一个乘法器再通过一个低通滤波器得到相应的解调信号，AM相干解调的一般模型图如2.3所示：LPF图2.3 AM相干解调框图2.2 单边带SSB相关原理 单边带（SSB）信号：单边带调制就是只传送双边带信号中的一个边带（上边带或下边带）。所以，产生单边带信号最直接的方法就是从双边带信号中滤出一个边带信号即可。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，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就可以得到单边带调制（SSB）。有两种最基本的方法有滤波法和相移法。本次课程设计采用的是滤波法，其SSB信号滤波法的原理框图如图2.4所示：图2.4 SSB信号滤波法图中的为单边带通滤波器。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。若保留上边带，则应具有高通特性如图2.5（b）所示：若保留下边带，则应具有低通特性如图2.5（d）所示：图2.5 单边带SSB信号频谱示意图SSB信号的频谱表示：相移法形成SSB信号的时域表示式为：“”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。SSB信号的带宽与功率：SSB信号的频谱是DSB信号频谱的一个边带，是DSB带宽的一半，与基带信号带宽相同， 为调制信号带宽，为调制信号的最高频率，其带宽表示为 。设解调器的输入信号为，载波为，经过一个乘法器再通过一个低通滤波器得到相应的解调信号，SSB信号相干解调的一般模型图如2.6所示：图2.6 SSB信号相干解调框图图中输入信号： 经过乘法器：经过低通滤波器 被滤除2.3线性调制系统的抗噪声性能主要讨论信道存在加性高斯白噪声(AWGN)时，各种线性调制系统的抗噪声性能，由于加性噪声被认为只对信号的接收产生影响。调制系统的抗噪声性能是利用解调器的抗噪声能力来衡量，通常用“信噪比” 信号与噪声的平均功率之比来衡量去分析解调器的性能。线性调制相干解调的抗噪性能一般模型如图2.7所示：图2.7线性调制相干解调的抗噪性能框图图中为已调信号；为传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声。因此，经过带通滤波器后，到达解调器输入端的信号仍为，而噪声变为窄带高斯噪声。解调器可以是相干解调器或包络检波器，其输出的有用信号为，噪声为。 为窄带高斯噪声，它是由平稳高斯白噪声通过带通滤波器而得到的，而在通信系统中，带通滤波器的带宽一般远小于其中心频率，为窄带滤波器。窄带高斯噪声的同相分量和正交分量都是高斯变量，它们的均值和方差（平均功率）都与的相同，即 ， 为解调器的输入噪声功率。 在模拟通信系统中，常用解调器输出信噪比来衡量通信质量的好坏:AM系统的性能：SSB系统的性能：2.4频分复用(FDM)相关原理信号多路复用有两种常用的方法：频分复用和时分复用。时分复用用于数字信号的多路传输，频分复用主要用于模拟信号的多路传输也可以用于数字信号。频分复用（Frequency Division Multiplex）是调制技术的典型应用，是一种按频率来划分信道的复用方式，在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段，每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带进行分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。在发送端，首先使各路基带话音信号通过低通滤波器（LPF），以便限制各路信号的最高频率。然后，将各路信号调制到不同的载波频率上，使得各路信号搬移到各自的频段范围内，合成后送入信道传输。在接受端，采用一系列不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号，它们被解调后即恢复出各路相应的基带信号。典型的FDM是在一条物理线路上传输多路话音信号的多路载波话路系统。该系统一般采用单边带调制频分复用，旨在最大限度地节省传输频带，并且使用层次结构：由12路电话复用为一个基群（Basic Group）；5个基群复用为一个超群(Super Group),共60路电话；由10个超群复用为一个主群（Master Group），共600路电话。如果需要传输更多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群（Jumbo Group）。每路电话信号的频带限制在300Hz3400Hz，为了在各路已调信号间留有防护频带，每路电话信号取4000Hz作为标准带宽。为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率fc1,fc2,fcn，以使各路已调信号频率之间留有一定的防护频带。在选择载频时,应考虑到边带频谱的宽度,同时为了防止邻路信号间的干扰,还应留有一定的防护频带,即fc(i+1)= fci+(fm+fg) i=1,2,n 其中fc(i+1)、fci分别为第i+1路,第i路的载频，fm每一路的最高频率，fg邻路间隔防护频带。 频分复用系统组成框图如图2.8所示：图2.8 频分复用系统组成框图3 设计步骤3.1 2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统仿真根据相关原理设计框图，在Simulink仿真平台新建空白仿真窗口，找到相应信号调制与解调所需的仿真器件，在理想信道下的2路FDM的AM与SSB调制与相干解调系统仿真电路框图如图3.1所示：图3.1 2路FDM的AM与SSB在理想信道的调制与相干解调系统其中Constant为直流分量、Analog Filter Design为相关的滤波器、Power Spectral Density为频谱分析仪、Scope为示波器、Product为乘法器、Sine Wave为相应的基带信号与载波模块。AM基带信号幅度为1，角频率为1*pi；载波的幅度为1，角频率为16*pi；直流分量为2；乘法器、加法器参数不变。参数设置如图3.2、3.3、3.4、3.5、3.6所示：图3.2 AM基带信号的参数设置图3.3 AM载波的参数设置图3.4 AM直流分量的参数设置图3.5 乘法器参数设置图3.6 加法器参数设置图3.7 AM调制波形图以上相关的图是针对AM调制相应系数的设置以及仿真得到的调制波形图，其中图3.6中的第一横排是基带信号加上一直流分量后的波形，即幅度为1，频率为pi的波形再上移一个单位。第二横排是载波信号的波形，其幅度也为1，频率为16*pi。第三横排是调制信号。SSB基带信号幅度为1，角频率为4*pi；载波的幅度为1，角频率为32*pi；带通滤波器的相关设置。参数设置如图3.8、3.9、3.10所示：图3.8 SSB基带信号参数设置图3.9 SSB载波参数设置图3.10 SSB带通滤波器参数设置图3.11 SSB调制信号波形图图3.11中的第一横排是SSB基带信号波形，即幅度为1，频率为4*pi的波形。第二横排是载波信号的波形，其幅度也为1，频率为32*pi。第三横排是SSB调制信号波形，是通过乘法器得到DSB信号经过带通滤波器得到的单边带信号。通过一个加法器将AM与SSB的调制信号混合得到的波形如图3.12所示：图3.12 AM与SSB调制信号混合波形为了无失真地恢复原基带信号，采用相干解调的解调方法，保证接收端的载波与发送端的载波同频同相。对AM信号的调制与相干解调系统模型中的带通、低通滤波器的参数设置如图3.13、3.14所示： 图3.13 AM带通滤波器参数设置图3.14 AM低通滤波器参数设置图3.15 AM解调信号波形图图3.15中的第一横排是AM基带信号波形，即幅度为1，频率为1*pi的波形。第二横排是AM调制信号经过带通滤波器与载波相乘得到的波形。第三横排是AM解调信号波形，由图可以看出它与基带信号的波形的幅度成正比频率相同，只是相对于基带信号有一定的延时。 对SSB信号的调制与相干解调系统模型中的带通、低通滤波器的参数进行设置，确保载波同频同相设置如图3.16、3.17所示：图3.16 SSB带通滤波器参数设置图3.17 SSB低通滤波器参数设置图3.18 SSB解调信号图3.18中的第一横排是SSB解调信号波形，由图可以看出它与基带信号的波形的幅度成正比频率相同，只是相对于基带信号有一定的延时。第二横排是SSB调制信号经过带通滤波器与载波相乘得到的波形。第三横排是SSB基带信号波形，即幅度为1，频率为4*pi的波形。3.2 2路FDM的AM与SSB调制与相干解调在非理想信道中的仿真非理想信道只要是针对信道加入相关的噪声，而在实际现实中是非理想信道的，此次设计主要是研究高斯白噪声对相关调制信号的影响。所谓高斯白噪声是指由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布的这类热噪声。其原理框图如图3.19所示：图3.19加高斯白噪声的系统电路框图此电路框图是建立在理想信道的原理框图的基础上在信道加入高斯白噪声通过一个加法器相连。图中Gaussian Noise Generator模块即为高斯白噪声，通过对方差的不同取值予以比较高斯白噪声对信道的影响，了解线性调制系统的抗噪声性能，便于掌握相关原理。其他系统模块的参数不变。高斯白噪声的方差取值1，均值为0 时，对应的参数设置、混合信号、AM解调信号、SSB解调信号如图3.20、3.21、3.22、3.23所示：图3.20 高斯白噪声参数设置图3.21 加方差为1高斯白噪声的混合波形图3.22 AM解调信号波形图3.23 SSB解调信号波形图3.21中第一排是加入方差为1，均值为0噪声后的混合信号，第二排是理想信道中的混合信号波形。图3.22中第一排是AM基带信号，第三排是AM解调信号。图3.23中第一横排是SSB解调信号，第三排是SSB基带信号。由相关的波形图分析得到:在加入方差为1的高斯噪声时，噪声对信号的影响不大，解调出来的信号基本上能与基带信号保持同样的幅度和频率，解调信号相对基带信号有些延时。 高斯白噪声的方差取值20，均值取1时，对应的参数设置、混合信号、AM解调信号、SSB解调信号如图3.24、3.25、3.26、3.27所示：图3.24 高斯白噪声参数设置图3.25加方差为20高斯白噪声的混合波形图3.26 AM解调信号波形图3.27 SSB解调信号波形图3.25中第一排是加入方差为20，均值为1噪声后的混合信号，第二排是理想信道中的混合信号波形。图3.26中第一排是AM基带信号，第三排是AM解调信号。图3.27中第一排是SSB解调信号，第三排是SSB基带信号。由相关的波形图分析得到:在加入方差为20的高斯白噪声时，噪声对信号有一定的影响，解调出来的信号产生畸变与基带信号的幅度和频率不同。3.3 对系统在理想信道与非理信道中的频谱分析为了更深入了解其相关原理特性，通过频谱分析仪对其功率密度谱在时域、频域中的波形进行分析，为了能出现完整的频谱图，需要对相应的频谱分析仪进行适当的参数设置如图3.28、3.29、3.30、3.31、3.32、3.33所示：图3.28 AM基带信号频谱参数设置图3.29 AM调制信号频谱参数设置图3.30 AM解调信号频谱参数设置图3.31 SSB基带信号频谱参数设置图3.32 SSB调制信号频谱参数设置图3.33 SSB解调信号频谱参数设置以下是AM与SSB两种信号在理想信道下的基带信号、调制信号、解调信号的频谱图如图3.34、3.35、3.36、3.37、3.38、3.39所示：图3.34 AM基带信号频谱 图3.35 SSB基带信号频谱图3.36 AM调制信号频谱 图3.37 SSB调制信号频谱由AM信号相关的频谱图分析知道：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。两个边频分量以载频为中心对称分布，两个边频幅度相等并与基带信号幅度成正比，相对于载频的位置仅取决于调制信号的频率。无论是上边带还是下边带都含有原调制信号的完整信息。从而可知AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的2倍。由SSB信号的频谱图分析知道：SSB是在产生DSB信号通过一个带通滤波器取出一个边带，抑制另一个边带。单频调制时SSB信号的振幅与原调制信号的幅度成正比，其频率随原调制信号频率的不同而不同。带宽为基带信号带宽的一半，SSB信号的包络与原调制信号的包络形状相同。图3.38 AM解调信号频谱 图3.39 SSB解调信号频谱由AM与SSB解调信号的频谱图可知解调后的信号与基带调制信号包络相同，振幅成正比，频率相同，其解调信号相对于原基带信号有延时的现象但相位相同。 当在信道中加入不同方差的高斯白噪声后解调后的AM与SSB解调信号的频谱图如图3.40、3.41、3.42、3.43所示：图3.40 方差为1的AM解调信号频谱 图3.41 方差为20的AM解调信号频谱在理想信道下AM解调信号与基带信号相比发生了延时，相位未发生了改变，当加入高斯白噪声，解调后的波形受到噪声干扰，解调波形功率谱加大，而且波形也有失真，随着方差增大失真程度加大，同时也说明SSB单边带信号的抗噪声性能优于AM信号。而在实际中噪声的影响不可避免，应该尽量减小噪声的影响，通过改变滤波器的参数，使得信号传输清晰与完整。图3.42 方差为1的SSB解调信号频谱 图3.43方差为20的SSB解调信号频谱在理想信道下SSB解调信号与基带信号相比发生了延时，相位未发生了改变，当加入高斯白噪声，解调后的波形受到噪声干扰，解调波形功率谱加大，而且波形也有失真，随着方差增大失真程度加大，同时也说明SSB单边带信号的抗噪声性能优于AM信号。而在实际中噪声的影响不可避免，应该尽量减小噪声的影响，通过改变滤波器的参数，使得信号传输清晰与完整。4 出现的问题及解决方法4.1 出现的问题：（1）信号在经过所设计的通信仿真系统后波形出现不完整。（2）在加入噪声后，解调信号的波形基本上没有变化。（3）波形图太密集。4.2 解决办法（1）可以通过适当设置细化因子系数或者适当改变仿真时间来获取完整相对应的波形图。（2）模块参数的设定可能导致调制后的波形出现失真。相应滤波器参数的设置也关系到信号能不能无失真地恢复。解决的关键是根据相关理论将载波频率调低后，明显看到解调信号有失真变化。（3）信号的频率设置太高，将载波频率调制为基带信号频率的适当倍数。