线性幅度调制系统的设计

线性幅度调制系统的设计 本科毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 (设计) 作者声明 本毕业论文(设计)是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 和其他侵权行为。对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文(设计)引起的法律结果完全由本人承担。 特此声明。 作者专业 : 作者学号 : 作者签名 : 年 月 日 线性幅度调制系统的设计 the Design of the Linear Amplitude Modulation System 2013年 5月18日 摘 要 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。 本文研究基于MATLAB的线性幅度调制系统的仿真与分析。首先介绍了调制在通信系统中至关重要的作用以及近年来线性幅度调制的发展状况。接着介绍了线性幅度调制的基本理论，包括通信系统中的几种常见的调制与解调技术，重点阐述普通调幅(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)、残留边带调制(VSB)的基本原理以及它们的解调方式。其次，介绍了仿真工具MATLAB软件的特点、功能和该仿真技术在现代通信中的应用。接着通过观察调制信号、已调信号、解调后的信号以及在不同调制方式下，各已调信号的频谱(主要包括载频分量和边带)来分析四种不同调制方式的异同和特点;最后阐述了四种调制方式的异同点，指出了线性幅度调制是数字调制的基础以及它们在工程实践中的应用。 关键词: MATLAB;AM;SSB ;DSB ;VSB - 1 - Abstract From the voice, voice, images and other information sources for direct conversion of signals are signals with low frequency, the spectrum characteristics of low-pass spectrum including DC component. Such as the frequency range of telephone signals in 0.3~3kHz, these signals can be directly through the overhead lines, cables and cable channel, but not in the wireless channel of direct transmission. In addition, these signals can be transmitted in wired channel even, but a pair of lines can transmit a signal, use of the channel is not economic. In order to make the low frequency signal in the wireless channel transmission, at the same time in order to enable the simultaneous transmission of multiple signals in the cable channel, requires the use of modulation and demodulation techniques. The simulation and analysis of linear amplitude modulation system is studied based on MATLAB in this paper. First the crucial role in the modulation in communication system and the development of linear amplitude modulation in recent years are introduced. Then the basic theory of linear amplitude modulation is introduced, including the modulation and demodulation technology of several communication system in common, focuses on the ordinary amplitude modulation (AM), double sideband modulation (DSB), single sideband modulation (SSB), vestigial sideband modulation (VSB) as well as the basic principles of the demodulation of their. Secondly, the application characteristics, simulation tools and functions of MATLAB software and the simulation technology in modern communication are introduced. Then through the observation signal modulation, the modulated signal, signal after demodulation and modulation spectrum in different ways, each modulated signal (including carrier frequency component and the sideband) to analyze the differences and characteristics of four kinds of different modulation; finally elaborated four kinds of modulation in difference, pointed out the linear amplitude modulation is the foundation of digital modulation and their use in Engineering. Key words: MATLAB; AM; SSB; DSB; VSB - 2 - 目 录 1 绪 论 ............................................................................................................... - 1 - 1.1 引言 ............................................................................................................................... - 1 - - 1.2 线性幅度调制技术的发展状况 ................................................................................... - 1 1.3 论文的主要研究内容 ................................................................................................... - 2 - 2 线性幅度调制的基本理论 ............................................................................. - 3 - 2.1 几种常见的调制解调技术 ........................................................................................... - 3 - 2.2 线性调制与解调的基本原理 ....................................................................................... - 3 - 2.3 普通调幅(AM)的基本原理 .................................................................................... - 4 - 2.4 双边带调制(DSB)的基本原理 ............................................................................... - 7 - 2.5单边带调制(SSB)的基本原理 ................................................................................ - 8 - 2.6 残留边带调制(VSB)的基本原理 ......................................................................... - 10 - 3 仿真工具MATLAB简介 ........................................................................... - 13 - 3.1 MATLAB软件 .......................................................................................................... - 13 - 3.2 M文件 ...................................................................................................................... - 14 - 4 线性幅度调制系统的MATLAB仿真与分析 ........................................... - 15 - 4.1 普通调幅(AM)的仿真与分析 .............................................................................. - 15 - 4.2 双边带调制(DSB)的仿真与分析 ......................................................................... - 15 - 4.3 单边带调制(SSB)的仿真与分析 ......................................................................... - 16 - 4.4 残留边带调制(VSB)的仿真与分析 ..................................................................... - 17 - 结 论 ............................................................................................................... - 19 - 主要参考文献 ................................................................................................... - 21 - 附 录 ............................................................................................................... - 22 - 附录1 ................................................................................................................................ - 22 - 附录2 ................................................................................................................................ - 23 - 附录3 ................................................................................................................................ - 24 - 附录4 ................................................................................................................................ - 25 - 附录5 ................................................................................................................................ - 28 - 后 记 ................................................................................................................... 29 - 1 - 1 绪 论 1.1 引言 调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转化成适合在信道中传输形式的一种过程。线性幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化。“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。而是在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化;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。目前普通调幅主要应用于无线电广播，SSB已成为短波通信中的一种重要的方式。 信号在信道中传输时，必须进行调制，信号才能有效且可靠地传输。在工程实践中，可以结合实际的需求来选取高效的调制方式，对于调制的要求，我们不但要求调制效率高、调制线性范围大、失真小，而且要考虑器件的成本、该方式实现的难以程度等。在全球数字信息化不断推进过程中，数字通信有其非常多的优点。但是线性幅度调制系统是数字调制系统的基础，同时在生产、生活中，一些利用线性幅度调制生产的器件，有着其它产品无法替代的优势。因此，对线性幅度调制系统的研究有其现实的意义。 1.2 线性幅度调制技术的发展状况 随着以WCDMA为代表的第三代移动通信技术的发展，线性幅度调制技术正得到越来越广泛地应用。同时，以线性幅度调制技术为基础的其他新型技术也在不断出现和发展。20世纪初期，无线电技术慢慢的发展起来，开始人们把它用于通讯系统，无线电广播是无线电的一个分支，它主要运用了线性幅度调制的基本原理，用音频电流去调制高频电流的振幅，也就是使载波的振幅随着广播的语言、音乐等音频信号的变化而变化，这一门科学技术的发明至今短短几十年的时间里发生了翻天覆地的变化。20世纪中期，无线电广播主要是是中波和短波调幅两种方式。中波可沿着地球表面传播(地波)，如果功率较大，能够覆盖半径为100多公里的地区，也可依靠地球外层空间的电离层反射(天波)，有可能到达几百以至上千公里以外的远方。短波主要依靠电离层的反射，功率较大的短波能够传播到几千公里以外。目前无线电技术已经广泛的应用于工农业生产、国防军事、交通运输、广播通讯和日常生活等各个方面。 近年来，正交振幅调制受到国际上移动通信技术专家的高度重视，它是以线性幅度调制为基础的新技术，正交幅度调制(QAM)是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该技术具有很高的频带利用率，因此，它不仅在移动通信领域得到应用，而且在有线电视传输、数字视频广播卫星通信等领域也得到了广泛的应用。 - 1 - 综上所述，线性幅度调制技术不仅有着自身独特的优点，而且为研究其他调制技术作好了铺垫。 1.3 论文的主要研究内容 本文研究基于MATLAB编程法的线性幅度调制系统的设计(包括AM、DSB、SSB、VSB)，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。对产生波形进行分析，并通过参数的改变，观察波形变化，分析实验现象。 第一章 绪论:主要介绍了调制在通信系统的重要的意义，并概述线性幅度调制技术的发展状况以及论文研究的主要内容; 第二章 线性调制与解调的基本理论:首先介绍了几种常见的调制技术，主要分为模拟调制与数字调制，其次，对线性幅度调制技术的一般模型进行了介绍，接着重点阐述普通调幅(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)、残留边带调制(VSB)的基本原理以及它们各自不同的解调方式; 第三章 仿真工具MATLAB介绍:主要介绍了MATLAB软件的特点、功能和该仿真技术在现代通信中的应用，同时介绍了MATLAB所提供的M文件的设计编写 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf ; 第四章 基于MATLAB的线性幅度调制系统的仿真与分析，通过观察调制信号、已调信号、解调后的信号以及在不同调制方式下，各已调信号的频谱(主要包括载频分量和边带)来分析四种不同调制方式的异同和特点; 第五章 结论:本章依次对普通调幅(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)、残留边带调制(VSB)进行了比较，阐述了四种调制方式的异同点，最后指出了线性幅度调制是数字调制的基础以及在生产、生活中，一些利用线性幅度调制生产的器件，有着其它产品无法替代的优势。 - 2 - 2 线性幅度调制的基本理论 2.1 几种常见的调制解调技术 在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种: 对于模拟调制而言，主要分为线性调制与非线性调制，而线性调制主要包括幅度调制(普通调幅，双边带调制，单边带调制，残留边带调制)和非线性调制(调频，调相)两种。AM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; DSB调制后会在坐标轴Y轴两边分成两个部分，双边带调制会把原来的振幅利用算法分解成两个频率相对较高的部分;SSB是效率最高的语音通信方式,频带占用只有AM的一半,效率理论上是AM的四倍,但设备复杂;残留边带调制是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式，在残留边带调制中除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分。 对于数字调制而言，主要有脉冲调制(脉幅调制，脉宽调制等)以及增量调制等等。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。 2.2 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，使之随调制信号作线性变化的过程。幅度调制器的一般模型如图2.1所示: 图2.1 幅度调制器的一般模型 (t)图中，m(t)为调制信号，为已调信号，h(t)为滤波器的冲激响应，则已调信号的sm 时域和频域一般表达式分别为 ()[()cos]()tmttht,, (式2.1) swmc 1 (式2.2) wMwMwHw,，，,,()[()()]()Swwmcc2 - 3 - 式中，M(w)为调制信号m(t)的频谱，w为载波角频率。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。 在上图的一般模型中，适当选择滤波器的特性H(w) ，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)、残留边带调制(VSB)等。 2.3 普通调幅(AM)的基本原理 2.3.1 AM信号的表达式、频谱及带宽 在上图2.1中，若假设滤波器为全通网络(,1)，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调制器模型如图2.2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 ()[()]coscos()costmtttmtt,，,， (式2.3) swwwAA00AMccc 1(式2.4) wwwMwMw,，，,，，，,,,,()[()()][()()]SwwwwA0AMcccc2 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A0 平均值为0，即，AM信号的典型波形和频谱分别如图2.3(a)、(b)所示，图中mt()0, 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。 ,2ffBmHH m(t)(a)可见，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故用包络检波由图2.3 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,mt()A0max ()t是由分量和上、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sAM 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 - 4 - (式2.5) ,,,22fBBBDSBAMmH mt()式中，为调制信号的带宽，为调制信号的最高频率。 ,ffBmHH .3 AM信号的典型波形和频谱图 图2 2.3.2 AM信号的解调 ()tsAM 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m(t)。 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。相干解调的原理如图2.4所示。 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相干载波 112 (式2.6) ttmttmtmtt,，,，，，()cos[()][()][()]cos2swwwcosAAAAMccc00022 由上式可知，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 - 5 - 1 (式2.7) ,，()[()]tmtmA002 A0对于AM信号的解调过程中含有直流分量，此时需在解调后加上一个简单的直流电容即可。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，相干解调后将会出现原始基带信号减弱，甚至带来严重的失真。 (2)包络检波法 ()t由的波形可见，AM信号波形的包络与输入基带信号m(t)成正比，故可以用包sAM 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 11 (式2.8) ,,,,RC wwcH 时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，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。 wc ()()tmt,， (式2.9) mA00 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 - 6 - 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-SC)。 2.4 双边带调制(DSB)的基本原理 2.4.1 DSB信号的表达式、频谱及带宽 H(w)在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络=1，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-SC)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 ()()costmtt, (式2.10) swDSBc 1 (式2.11) www,，，,()[()()]SwwDSBcc2 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信号相同，基带信号带宽的两倍， 即 (式2.12) ,,,22fBBBDSBAMmH 式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。 ,2ffBmHH 2.4.2 DSB信号的解调 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2.4所示。此时，乘法器输出 112 (式2.13) ttmttmtmtt,,，()cos()()()2cosswwwcosDSBccc22 经低通滤波器滤除高次项，得 1 (式2.14) ,()()tmtm02 - 7 - 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。 2.5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)。 2.5.1 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。 (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()wHSSB 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()w()wHHSSBH 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()wHi 信号时即为，产生下边带信号时即为。 ()w()w()w()wHHHHSSBHSSBi 图2.8 SSB信号的滤波法产生 显然，SSB信号的频谱可表示为 1 (式2.15) wwwMwMww,,，，,()()()[()()]()SSwwHHSSBSSBSSBDSBcc2 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fc 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。 - 8 - (2)用相移法形成SSB信号 可以证明，SSB信号的时域表示式为 ,11 (式2.16) ,mtttt,()cos()sinSwmwSSBcc22 , ()t式中，“,”对应上边带信号，“+”对应下边带信号;表示把m(t)的所有频率成分m ,,()t均相移，称是的希尔伯特变换。 m2 根据上式可得到用相移法形成SSB信号，如图2.8所示。图中，为希尔伯特()wHSSB ,m(t)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。 2 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 2.5.2 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m(t)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2.10所示。 图2.10 SSB信号的相干解调 此时，乘法器输出 ,1tttmttttt,,, (式2.17) ()()cos[()cos()sin]cossswwmwwFSSBcccc2 经低通滤波后的解调输出为 - 9 - 1 (式2.18) ,()()tmtm04 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。 2.6 残留边带调制(VSB)的基本原理 2.6.1 VSB信号的表达式、频谱及带宽 残留边带调制是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式，在残留边带调制中除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分。对于具有低频即直流分量的调制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带是无限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这就避免了实现上的困难。其代价是传输频带增宽了一些。 用滤波法实现残留边带调制的原理图如图2.11所示。 图2.11 SSB信号的相干解调 图中的为残留边带滤波器，其特性应按残留边带调制的要求来进行设计。为()wHVSB 了保证相干解调时无失真地得到调制信号，残留边带滤波器的传输函数必须满足: ()()ww，，,w,= 常数， 。残留部分下边带时的传递函数如图2.12wwwHHVSBVSBccH 所示。 图2.12 VSB信号的下边带传递函数 - 10 - 残留部分上边带时的传递函数2.13所示 图2.13 VSB信号上边带传递函数 它的几何含义是，残留边带滤波器的传输函数()w在载频附近必须具有互补对wHVSBc称性，它可以看作是对截止频率为的理想滤波器进行“平滑”的结果，习惯上，称这种“平wc 滑”为“滚降”。显然，由于“滚降”，滤波器截止频率特性的“陡度”变缓，实现难度降低，但滤波器的带宽变宽。由滤波法可知， 残留边带信号的频谱为 ()()[()()]wwww,，，, (式2.19) SwwHVSBVSBcc 其时域表达式为 ()()()ttt,, (式2.20) sshVSBDSBVSB 2.6.2 VSB信号的解调 残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波，而必须采用下图所示的相干解调。 图2.14 VSB信号的相干解调 ()()cos()ttt,乘法器输出 , 相应的频域表达式为 sswpVSBc 11 wtwtwwMwMw,，，,，，，，()[()()()()]()[()(2)]SswswwwHVSBPVSBcVSBccc24 11,，，,，,,，，，MwwwMwwww()[()()][(2)()(2)()]wwwwwwHHHHVSBVSBVSBVSBcccccc44 (式2.21) - 11 - 经LPF滤除上式第二项，得解调器输出 1 (式2.22) wMwww,，，,()()[()()]wwMHH0VSBVSBcc4 由上式可知，为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号m(t)，必须要求在 w,()()ww，，,,= 常数，而这正是残留边带滤波器传输函数要求满wwwHHVSBVSBHcc 足的互补对称条件。若设k=1，则 1 (式2.23) ,()()wMwM04 1 (式2.24) ,()()tmtm04 - 12 - 3仿真工具MATLAB简介 3.1 MATLAB软件 MATLAB是英文Matrix Laboratory (矩阵实验室)的缩写。它是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的数学计算环境。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。它优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使其很快在同类软件中脱颖而出。 MATLAB系统最初是由Cleve Moler 用FORTRAN语言设计的，现在的MATLAB程序是Mathworks公司用C语言开发的。它的第一版(DOS版本1.0)发行于1984年;经过20年的不断改进，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，最流行的计算机高级编程语言了，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。可以预见，在科学运算、自动控制与科学绘图领域MATLAB语言将长期保持其独一无二的地位。MATLAB软件自1984年推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为(IEEE评述)国际公认的最优秀的科技应用软件。它功能强大、界面友好、语言自然、开放性强的特点是它获得了对应用学科(特别是边缘学科和交叉学科)的季强是盈利，并且很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件。在欧美等高校，MATLAB已成为理工科高级课程的基本工具，成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 软件。近年来该软件系统开始在我国国内流行。受到理工科大中专院校释省级科研人员的重视，这也是本文选择用它来设计实现线性幅度调制设计的原因所在。 MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。MATLAB语言采用与数学表达相同的形式，不需要传统的程序设计语言，因而不像其他高级语言那样难于掌握。一般说来，用户可以在极短的时间内掌握MATLAB的基础知识，并且能够初步应用MATLAB解决简单的问题。由于MATLAB的这些特性，它已经成为科研工作和工程仿真中的高效助手。 MATLAB是一种科学的计算软件, 它简单易学,书写简洁, 编程和调试效率高, 人机交互性能好, 用解释方式工作, 键入程序后可立即得出结果, 特别是具有很强的绘图功能, 可以使比较抽象的概念得以直观地展示, 繁琐的计算得到大大简化。 目前的MATLAB版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计 - 13 - 漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库(工具箱)所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了MATLAB的应用潜力。可以说，MATLAB已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。我们在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统时，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后应用于实际系统中，这个过程就是通信仿真。简而言之，通信仿真就是衡量通信系统性能的工具。通信仿真一般分为仿真建模、仿真实验和仿真分析三个步骤。通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到当前通信系统的改造。 MATLAB是一种目前通用的通信仿真软件，它将高性能的数值计算和可视化集成在一起，除自身带有丰富的库函数外还可以根据用户的需要方便地建立和扩充新的库函数。人们常用它来帮助进行数值运算、信号处理及图像处理等等。为研究所述本文所提到的各种解调方案的抗干扰性能并说明该解调方案的一些细节，下面用MATLAB语言进行仿真。 3.2 M文件 MATLAB的程序设计就是进行M文件的设计，MATLAB提供了M文件的设计工具编辑器和编译器。M文件的编写规则: (1)在编写函数式M文件时，M文件保存的文件名必须与函数名相同。 (2)脚本式M文件没有输入和输出参数，而函数式M文件有输入和输出参数，它根据输入输出参数提供的信息，对数据进行加工处理，然后通过输出函数返回处理结果。 (3)函数可以没有或有多个输入变量，而且可以没有或有多个输出变量。函数nargin和nargout分别包含输入和输出变量的个数。 (4)函数M文件中的所有变量除了特别声明的以外，都是局部变量。局部变量在自己专有的空间中工作，全局变量则在MATLAB内共享。编写完M文件后，保存文件就可以进行M文件的调试，调试过程中设置断点即可查看各变量的值。 - 14 - 4 线性幅度调制系统的MATLAB仿真与分析 4.1 普通调幅(AM)的仿真与分析 AM程序如附录1所示，运行结果如图4.1所示: 图4.1 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。 由AM仿真分析可得出: (1)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; (2)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; (3)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; (4)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。 4.2 双边带调制(DSB)的仿真与分析 DSB程序如附录2所示，运行结果如图4.2所示: - 15 - 图4.2 DSB仿真波形图 由图可以看出DSB调制有如下特点: (1)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; (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。 4.3 单边带调制(SSB)的仿真与分析 SSB程序如附录3所示，运行结果如图4.3所示: - 16 - 图4.3 SSB仿真波形图 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。 4.4 残留边带调制(VSB)的仿真与分析 SSB程序如附录4所示，运行结果如图4.4所示: - 17 - 图4.4 VSB仿真波形图 残留边带调幅是介于单边带调幅和已知双边带调幅之间的一种调幅方式，在残留边带调幅中传送一个边带，并且保留一个边带的一部分。其主要优点是实现较简单。由于VSB基本性能接近SSB，而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现，所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。 - 18 - 结 论 对于AM、DSB、SSB、VSB上述四种线性幅度调制过程中，四种方式各有优劣。 AM的优点在于系统结构简单，价格低廉，但是其调制效率和功率利用率较低。如果在调制过程中没有满足一定的条件，就会出现“过调幅”现象，从而引起信号失真。目前普通调幅主要应用于无线电广播。 DSB的优点在于信号的调制效率非常高(100%)，即全部功率都应用于信息传输，但是其传输带宽是调制信号带宽的2倍，相比于其他调制方式而言，浪费了有限的资源，同时DSB信号的包络与调制信号的变化规律不一致，因此，不能采用简单的包络检波来恢复调制信号。DSB信号解调采用同步检波的方式，该检波器比包络检波器复杂，所以，在设备的投入与资源的利用上，要提高成本代价。 SSB的优点在于不仅功率利用率高，而且相比于AM、DSB可以节省一半的传输带宽，频带利用充分，目前已成为短波通信中的一种重要的方式。但是其主要的难点在于边带滤波器的制作并且该调制方式也不能采用简单的包络检波来恢复调制信号。 对于VSB，它不仅克服DSB信号占用频带宽，浪费有限资源的缺点，同时解决了SSB信号难以实现的困难。由于在调制过程中，不同于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;在滤波器的设计上，该方式不需要十分陡峭的截止特性，因此，相比于SSB方式的滤波器要容易制作。 在工程实践中，可以结合实际的需求来选取高效的调制方式，对于调制的要求，我们不但要求调制效率高、调制线性范围大、失真小，而且要考虑器件的成本、该方式实现的难以程度等。在全球数字信息化不断推进过程中，数字通信有其非常多的优点。但是线性幅度调制系统是数字调制系统的基础，同时在生产、生活中，一些利用线性幅度调制生产的器件，有着其它产品无法替代的优势。因此，对线性幅度调制系统的研究有其现实的意义。 - 19 - - 20 - 主要参考文献 [1] 常峰. 基于LabVIEW的2ASK调制解调模拟设计. 硅谷，2011，(24):1-10 [2] 丁玉美，高西全(数字信号处理[M](西安电子科技大学出版社，2005:138-146 [3] 樊昌信. 模拟调制系统. 通信原理，2006，(06):86-127 [4] 范戈.光纤数据传输系统中的ASK调制. 上海交通大学学报，1987，(06):5-12 [5] 雷欣. 基于MATLAB的2ASK数字调制与解调的系统仿真. 电脑知识与技术，2010，(24): 25-40 [6] 苏博妮. 基于Matlab的幅度调制信号仿真研究. 塔里木大学学报，2009，(04):10-17 [7] 宋依青. 一种新型ASK调制系统的设计与实现. 通信技术，2011，(02):16-33 [8] 施阳.MATLAB语言工具箱.西北工业大学出版社，1999(4):24-27 [9] 余成波，陶红艳，杨菁，杨如民编著(数字信号处理及MATLAB实现(第二版)(清华大学出 版社，2008:145 [10] 姚天任，江太辉(数字信号处理(第二版)武汉:华中科技大学出版社，2000:91-95 [11] 赵知劲、刘顺兰:数字信号处理实验,浙江大学出版社，2007:80-102 [12] 曾兴雯. 振幅调制、解调与混频. 高频电子线路，2010，(01):188-250 [13] Miroslav D?Lutovac,Dejan V.Tosic,Brian L.Evans.Signal Processing and Filter Desig [M]，北京:电 子工业出版社，2002:523-529 [14] Snit K.M.Digita. Signal Processing:A computer-Based Approach(2nd ed.)[J]，McGraw-Hill， 2001:61-75 [15] Vinay K.Ingle. Digital Signal Processing Using MATLAB，清华大学出版社，2003:1025-1031 - 21 - 附 录 附录1 AM调制程序 %显示模拟调制的波形及解调方法AM,文件mam.m %信源 close all; clear all; dt=0.001; %时间采样间隔 fm=1; %信源最高频率 fc=10; %载波中心频率 T=5; %信号时长 t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源 %N0=0.01; %白噪单边功率谱密度 %AM modulation A=2; s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); B=2*fm; %带通滤波器带宽 %noise=noise_nb(fc,B,N0,t);%窄带高斯噪声产生 %s_am=s_am+noise; figure(1) subplot(3,1,1) plot(t,s_am);hold on; %画出AM信号波形 plot(t,A+mt,'r--'); %标出AM的包络 title('AM调制信号及其包络') xlabel('t'); %AM demodulation rt=s_am.*cos(2*pi*fc*t);%相干解调 rt=rt-mean(rt); [f,rf]=T2F(t,rt); - 22 - [t,rt]=lpf(f,rf,2*fm); %低通滤波 subplot(3,1,2) 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(3,1,3) [f,sf]=T2F(t,s_am); %调制信号频谱 plot(f,sf);hold on; axis([0 15 0 5000]); title('AM信号频谱') xlabel('f'); 附录2 DSB调制程序 %显示模拟调制的波形及解调方法DSB,文件mdsb.m %信源 close all; clear all; dt=0.001; %时间采样间隔 fm=1; %信源最高频率 fc=10; %载波中心频率 T=5; %信号时长 t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源 %N0=0.01; %白噪声单边功率谱密度 %DSB modulation s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); B=2*fm; %noise=noise_nb(fc,B,N0,t); %s_dsb=s_dsb+noise; figure(1) subplot(311) plot(t,s_dsb);hold on; %画出DSB信号波形 - 23 - plot(t,mt,'r--'); %标出mt的波形 title('DSB调制信号') xlabel('t'); %DSB demodulation 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) 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) [f,sf]=T2F(t,s_dsb); plot(f,sf);hold on; axis([0 15 0 2000]); title('DSB信号频谱') xlabel('f'); 附录3 SSB调制程序 %显示模拟调制的波形及解调方法SSB,文件mssb.m %信源 close all; clear all; dt=0.001; %时间采样间隔 fm=1; %信源最高频率 fc=10; %载波中心频率 T=5; %信号时长 t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t);%信源 %SSB modulation s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t)); - 24 - B=fm; %带通滤波器带宽 figure(1) subplot(311) plot(t,s_ssb);hold on; %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'); %SSB demodulation rt=s_ssb.*cos(2*pi*fc*t);%相干解调 rt=rt-mean(rt); [f,rf]=T2F(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) [f,sf]=T2F(t,s_ssb); %单边带信号频谱 plot(f,sf);hold on; axis([0 15 0 4000]); title('SSB信号频谱') xlabel('f'); 附录4 VSB调制程序 % 调用函数 function [f, sf]=FFT_SHIFT(t, st) %This function is FFT to calculate a signal’s Fourier transform %Input: t: sampling time , st : signal data. Time length must greater thean 2 %output: f : sampling frequency , sf: frequen %output is the frequency and the signal spectrum dt=t(2)-t(1); T=t(end); - 25 - df=1/T; N=length(t); f=[-N/2:N/2-1]*df; sf=fft(st); sf=T/N*fftshift(sf); % --------------------------------------- % 显示模拟调制的波形及其解调方法VSB，文件名:VSB.m % Signal dt=0.001; fmax=6; fc=45; 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 modulation s_vsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); B1=0.2*fmax; B2=1.2*fmax; [f,sf]=FFT_SHIFT(t,s_vsb); [t,s_vsb]=vsbmd(f,sf,B1,B2,fc); % Power Spectrum Density [f,sf]=FFT_SHIFT(t,s_vsb); PSD=(abs(sf).^2)/T; % Plot VSB and PSD figure(1) subplot(211) plot(t,s_vsb);hold on; plot(t,mt,'r--'); title('VSB调制信号'); xlabel('t'); subplot(212) plot(f,PSD); - 26 - axis([-2*fc 2*fc 0 max(PSD)]); title('VSB信号功率谱'); xlabel('f'); %---------------------------------------------------- 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 data df=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); %------------------------------------ function [t,st]=IFFT_SHIFT(f,Sf) df=f(2)-f(1); fmax=(f(end)-f(1)+df); dt=1/fmax; N=length(f); t=[0:N-1]*dt; - 27 - Sf=fftshift(Sf); st=fmax*ifft(Sf); st=real(st) 附录5 程序中调用的脚本文件T2F、F2T、lpf function[t,st]=F2T(f,sf) df=f(2)-f(1); Fmx=(f(end)-f(1)+df); dt=1/Fmx; N=length(sf); T=dt*N; - 28 - t=0:dt:T-dt; sff=fftshift(sf); st=Fmx*ifft(sff); function[f,sf]=T2F(t,st); dt=t(2)-t(1); T=t(end); df=1/T; N=length(st); f=-N/2*df:df:N/2*df-df; sf=fft(st); st=T/N*fftshift(sf); function [ t,st] = lpf( f,sf,B) df=f(2)-f(1); T=1/df; hf=zeros(1,length(f)); bf=[-floor(B/df):floor(B/df)]+floor(length(f)/2); hf(bf)=1; yf=hf.*sf; [t,st]=F2T(f,yf); st=real(st); - 29 - 后 记 对于这篇论文的完成，我首先要感谢我的指导老师欧老师，感谢欧老师给我提供了学习的机会。欧老师正直的人格、严谨的治学风范、脚踏实地的科学态度、认真仔细，平易近人的工作作风都给我留下了深刻的印象。在撰写论文期间，欧老师给我提供了很多参考资料，而且每次在给我修改时都是非常仔细耐心的，她的这种工作态度也会给我以后的工作带来很大的影响。 感谢本班同学在此期间给我提供的搜索资料的网站，他们的关心和帮助使我感觉到大学友谊是那么的珍贵，大学生活是人生最美好的时光。 感谢我的父母及家人对我一贯的支持和鼓励。父母的辛劳我会永记心中，是他们的理解、信任和帮助让我顺利完成了我的大学求学生涯，我会用实际行动报答父母。 最后还要感谢各位评审老师在百忙之中抽出时间对论文进行审稿和提出宝贵意见。 - 30 -