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线性幅度调制系统的仿真设计(最终报告).doc

线性幅度调制系统的仿真设计(最终报告)

俄是有多爱迩_
2017-11-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《线性幅度调制系统的仿真设计(最终报告)doc》,可适用于高等教育领域

线性幅度调制系统的仿真设计(最终报告)通信专业课程设计学生姓名指导教师设计(论文)题目线性幅度调制系统的仿真设计以双线性变换法为主要研究内容结合MATLAB进行实现主要研究内容研究方法双线性变换法脉冲响应法主要技术指标(或研对MALTAB原理进行分析用双线性变换法在MATLAB上进行仿真究目标)主要参考MATLABSIMULINK通信系统建模与仿真实例分析数字信号处理与文献实现目录序言第章绪论几种常见调制解调技术MATLAB仿真技术在现代通信中的应用第章通信系统课程设计基本要求与题目错误~未定义书签。第章线性调制与解调的基本原理幅度调制的一般模型普通调幅(AM)的基本原理AM信号的表达式、频谱及带宽AM信号的解调双边带调制(DSB)的基本原理错误~未定义书签。DSB信号的表达式、频谱及带宽错误~未定义书签。DSB信号的解调单边带调制(SSB)的基本原理SSB信号的表达式、频谱及带宽SSB信号的解调错误~未定义书签。第章幅度调制系统的MATLAB仿真与分析普通调幅(AM)的仿真与分析双边带调制(DSB)的仿真与分析单边带调制(SSB)的仿真与分析参考文献附录第页共页序言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和角度调制。常见的的调幅(AM),双边带(DSB)和单边带(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)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。通常调制可以分为模拟调制和数字调制两种方式。在模拟调制中调制信号的取值是连续的:而数字调制中的调制信号的取值则为离散的。调制在通信系统中具有重要的作用。通过调制不仅可以进行频谱搬移把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上从而将调制信号转换成合适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。第页共页第章绪论几种常见调制解调技术在通信系统中信道的频段往往是有限的而原始的通道信号的频段与信道要求的频段是不匹配的这就要求将原始信号进行调制再进行发送。相应的在接收端对调制的信号进行调解恢复原始的信号而且调制解调还可以在一定的程度上抑制噪声对通信型号的干扰。调制解调技术按照通信信号是模拟的还是数字的可分为模拟调制调制和数字调制解调。但不论是模拟调制解调还是数字调制解调都是通过将通信信号的信息加载到载波的幅度、频率或者相位上因此调制解调可有分为幅度调制、频率调制和相位调制。模拟调制:()线性调制:AM是调幅SSB是单边带调制DSB是双边带调制VSB是残留边带调制SSB是将双边带信号的一个边带滤掉形成的VSB是介于SSB和DSB的一种折中的调制方式它不像SSB那样完全抑制DSB信号的一个边带而是逐渐切割使其残留一小部分。()非线性调制:FM是频率调制(调频)是载波的频率随时间变化PM是相位调制(调相)是载波的相位随时间变化由于这两种调制过程中载波的幅度保持恒定不变而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化所以把调频和调相统称为角度调制或调角。数字调制:ASK是振幅键控FSK是频移键控PSK是相移键控DPSK是差分相移键控ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息而且频率和初始相位保持不变FSK是利用载波的频率的变化来传递数字信息PSK是利用载波的相位变化来传递数字信息DPSK是利用前后码元的载波相对相位变化传递数字信息所以又称为相对相移键控。通信系统有不同的分类的方法根据是否采用调制将通信系统分为基带传输和频带传输。基带传输是将未经频带调制的信号直接传送调制的方式有很多。matlab仿真技术在现代通信中的应用第页共页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数字调制系统进行仿真。第页共页第章通信系统课程设计基本要求与题目基于Matlab的通信系统课程设计要求要求:建立通信系统的数学模型根据通信系统的基本原理确定总的系统功能将各部分功能模块化并找出各部分之间的关系画出系统框图熟悉仿真工具采用m编程或Simulink模块化设计组建通信系统首先新建一个m文件再根据系统原理框图画出软件实现流程图然后根据流程编写相应程序最后对代码进行修正优化最终实现系统功能根据系统新能指标设置和调整各模块参量及初始变量值实现系统运行仿真观察分析结果(计算的数据显示的图形)线性幅度调制系统的仿真设计指标要求:()信源为fm=Hz,Am=V的余弦信号载波fc=Hz()根据线性幅度调制原理确定调制系统设计方案()画出AM,DSB,SSB调制解调信号时域波形和频谱图()对数据结果进行分析第页共页第章线性调制与解调的基本原理幅度调制的一般模型幅度调制时用调制信号去控制高频正弦载波的幅度使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型如图所示:图幅度调制器的一般模型图中为调制信号为已调信号为滤波器的冲激响应则已调信号的时域和频域一般表达式分别为s(t),m(t)coswt*h(t)()mcs(w),M(ww)M(w,w)H(w)mecH(w),h(t),w式中为调制信号的频谱为载波角频率。c由以上表达式可见对于幅度调制信号在波形上它的幅度随基带信号规律而变化在频谱结构上它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的因此幅度调制通常又称为线性调制相应地幅度调制系统也称为线性调制系统。在上图的一般模型中适当选择滤波器的特性便可得到各种幅度调制信号例如:常规普通调幅(AM)、双边带调幅(DSB)、单边带调制(SSB)等。普通调幅(AM)的基本原理AM信号的表达式、频谱及带宽第页共页在上图中若假设滤波器为全通网络(,)调制信号叠加直流后再与载波相乘则输出的信号就是常规双边带调幅(AM)信号。AM调制器模型如下图所示。图AM调制器模型AM信号的时域和频域表达式分别为S(t),Am(t)cosw(t)AMcS(w),,A,(ww),(w,w)N(ww)N(w,w)AMcccc式中为外加的直流分量可以是确知信号也可以是随机信号但通常认为其m(t),平均值为即AM信号的典型波形和频谱分别如下图(a)、(b)所示图中假定调制信号的上限B,f频率为。显然调制信号的带宽为。mH图AM信号的典型波形和频谱图第页共页由图(a)可见AM信号波形的包络与输入基带信号成正比故用包络检波的方m(t)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A,|m(t)|否则将出现过调幅现象而带来失真。max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B,B,fAMmHB,f式中为调制信号的带宽为调制信号的最高频率。mHAM信号的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s(t)AM信号。AM信号的解调方法有两种:相干解调和包络检波解调。)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得S(t)coswt,Am(t)coswtAMcc第页共页由上式可知只要用一个低通滤波器就可以将第项与第项分离无失真的恢复出原始的调制信号m(t),Am(t)c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。)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下图所示。图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,,RC,,wwcH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滤除。m(t),Am(t)C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。图串联型包络检波器电路及其输出波形第页共页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(DSBSC)。双边带调制(DSB)的基本原理DSB信号的表达式、频谱及带宽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中无直H(w),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(DSBSC)调制信号简称双边带(DSB)信号。DSB调制器模型如图所示。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DSB调制模型器图s(t),m(t)coswtDSBcS(w),M(ww)M(w,w)DSBcc可见DSB信号的包络不再与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第页共页两个边带组成。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B,B,B,fDSBAMmH式中为调制信号带宽为调制信号的最高频率。B,ffMHHDSB信号的解调时完全相同如图所示。DSB信号只能运用相干解调其模型与AM信号相干解调此时乘法器输出scoswt,m(t)coswtDSBcc经低通滤波器滤除高次项得m(t),m(t)c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倍。单边带调制(SSB)的基本原理由于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方式――单边带调制(SSB)。SSB信号的产生产生SSB信号的方法很多其中最基本的方法有滤波法和相移法。()用滤波法形成SSB信号H(w)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SSBH(w)H(w)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SSBHH(w)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iH(w)H(w)H(w)H(w)信号时即为产生下边带信号时即为。SSBSSBiH第页共页图SSB信号的滤波法产生显然SSB信号的频谱可表示为S,S(w)H(w),M(ww)M(w,w)H(w)SSBDSBSSBccSSB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。()用相移法形成SSB信号可以证明SSB信号的时域表示式为ˆS,m(t)coswt,m(t)sinwtSSBcc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ˆ,,mm分均相移称是的希尔伯特变换。ttH(w)根据上式可得到用相移法形成SSB信号如图所示。图中为希尔伯特k,,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。m(t)第页共页图相移法形成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信号的解调从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SSB信号的相干解调此时乘法器输出ˆs(t),Scoswt,m(t)m(t)coswt,m(t)sinwtpSSBccc经低通滤波后的解调输出为m(t),m(t)因而可得到无失真的调制信号。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。第页共页第章幅度调制系统的MATLAB仿真与分析普通调幅(AM)的仿真与分析仿真波形图: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。由AM仿真分析可得出:()此调制方式占用频带较宽已调信号的频带宽度是调制信号的频带的两倍()由于被调信号的包络就是调制信号叠加一个直流所以容易实现峰值包络解调()含有正弦载波分量即有部分功率耗用在载波上而没有用于信息的传送()从效率上看常规调幅幅度方式效率较低但调制和解调过程简单。双边带调制(DSB)的仿真与分析仿真波形图:第页共页分析:由图可以看出DSB调制有如下特点:()DSB信号的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)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(度()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()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。单边带调制(SSB)的仿真与分析仿真波形图:第页共页分析: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。第页共页参考文献樊昌信曹丽娜等通信原理(第六版)北京国防工业出版社张志德林霖基于Smiulink仿真的数字调制系统性能分析现代电子技术()~刘敏魏玲等MATLAB通信仿真与应用北京国防工业出版社郭文彬桑林等通信原理基于MATLAB的计算机仿真(第一版)北京北京邮电大学出版社邓华张振中张海洋等MATLAB通信仿真及应用实例详解(第一版)北京人民邮电出版社第页共页附录附录AM调制程序如下显示模拟调制的波形及解调方法AM,文件mamm信源closeallclearalldt=时间采样间隔fm=信源最高频率fc=载波中心频率T=信号时长t=:dt:Tmt=sqrt()*cos(*pi*fm*t)信源N=白噪单边功率谱密度AMmodulationA=sam=(Amt)*cos(*pi*fc*t)B=*fm带通滤波器带宽noise=noisenb(fc,B,N,t)窄带高斯噪声产生sam=samnoisefigure()subplot(,,)plot(t,sam)holdon画出AM信号波形plot(t,Amt,'r')标出AM的包络title('AM调制信号及其包络')xlabel('t')AMdemodulationrt=sam*cos(*pi*fc*t)相干解调rt=rtmean(rt)f,rf=TF(t,rt)第页共页t,rt=lpf(f,rf,*fm)低通滤波subplot(,,)plot(t,rt)holdonplot(t,mt,'r')title('相干解调后的信号波形与输入信号的比较')xlabel('t'),)subplot(,f,sf=TF(t,sam)调制信号频谱plot(f,sf)holdonaxis()title('AM信号频谱')xlabel('f')附录DSB调制程序如下显示模拟调制的波形及解调方法DSB,文件mdsbm信源closeallclearalldt=时间采样间隔fm=信源最高频率fc=载波中心频率T=信号时长t=:dt:Tmt=sqrt()*cos(*pi*fm*t)信源N=白噪声单边功率谱密度DSBmodulationsdsb=mt*cos(*pi*fc*t)B=*fmnoise=noisenb(fc,B,N,t)sdsb=sdsbnoise第页共页figure()subplot()plot(t,sdsb)holdon画出DSB信号波形plot(t,mt,'r')标出mt的波形title('DSB调制信号')xlabel('t')DSBdemodulationrt=sdsb*cos(*pi*fc*t)rt=rtmean(rt)f,rf=TF(t,rt)t,rt=lpf(f,rf,*fm)subplot()plot(t,rt)holdonplot(t,mt,'r')title('相干解调后的信号波形与输入信号的比较')xlabel('t')subplot()f,sf=TF(t,sdsb)plot(f,sf)holdonaxis()title('DSB信号频谱')xlabel('f')附录SSB调制程序如下:显示模拟调制的波形及解调方法SSB,文件mssbm信源closeallclearalldt=时间采样间隔fm=信源最高频率第页共页fc=载波中心频率T=信号时长t=:dt:Tmt=sqrt()*cos(*pi*fm*t)信源SSBmodulationsssb=real(hilbert(mt)*exp(j**pi*fc*t))B=fm带通滤波器带宽figure()subplot()plot(t,sssb)holdon画出SSB信号波形plot(t,mt,'r')标出mt的包络title('SSB调制信号')xlabel('t')SSBdemodulationrt=sssb*cos(*pi*fc*t)相干解调rt=rtmean(rt)f,rf=TF(t,rt)t,rt=lpf(f,rf,*fm)低通滤波subplot()plot(t,rt)holdonplot(t,mt,'r')title('相干解调后的信号波形与输入信号的比较')xlabel('t')subplot()f,sf=TF(t,sssb)单边带信号频谱plot(f,sf)holdonaxis()title('SSB信号频谱')xlabel('f')附录第页共页程序中调用的脚本文件TF、FT、lpffunctiont,st=FT(f,sf)functionf,sf=TF(t,st)df=f()f()dt=t()t()f()df)T=t(end)Fmx=(f(end)dt=Fmxdf=TN=length(sf)N=length(st)T=dt*NN*df:df:N*dfdff=t=:dt:Tdtsf=fft(st)sff=fftshift(sf)st=TN*fftshift(sf)st=Fmx*ifft(sff)functiont,st=lpf(f,sf,B)df=f()f()T=dfhf=zeros(,length(f))bf=floor(Bdf):floor(Bdf)floor(length(f))hf(bf)=yf=hf*sft,st=FT(f,yf)st=real(st)第页共页

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