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(diào)制的原理42.1振幅調(diào)制產(chǎn)生原理42.2幾種調(diào)幅電路方案分析4 2.2.1標準調(diào)幅波（AM） 調(diào)制原理42.2.2 標準調(diào)幅波（AM） 解調(diào)原理52.2.3 雙邊帶調(diào)幅（DSB）調(diào)制原理62.2.4 雙邊帶調(diào)幅（DSB）解調(diào)原理72.2.5 單邊帶調(diào)幅（SSB）調(diào)制原理82.2.6 單邊帶調(diào)幅（SSB）解調(diào)原理9第三章 線性幅度調(diào)制系統(tǒng)的MATLAB仿真103.1 MATLAB的基本操作103.2 標準調(diào)幅波（AM）的編譯仿真與分析113.3 雙邊帶調(diào)制（DSB）的編譯仿真與分析123.4 單邊帶調(diào)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(shù)待傳輸?shù)男盘柧哂休^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(chǎn)生很大的衰減和失真。因此，需要將基帶信號進行調(diào)制，變換為適合信道傳輸?shù)男问?，調(diào)制是讓基帶信號m（t）去控制載波的某個（或某些）參數(shù)，是該參數(shù)按照信號m（t）的規(guī)律變化的過程。調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關重要。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。在無線通信中和其他大多數(shù)場合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)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(diào)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(diào)制的方式及其仿真結果。幅度調(diào)制是用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程 ，常分為標準調(diào)幅（AM）、抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）、單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶調(diào)制（VSB）等。AM調(diào)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(xiàn)過調(diào)失真，信號頻帶較寬，頻帶利用率不高，因此AM調(diào)制用于通信質(zhì)量要求不高的場合。目前主要用在中波和短波的調(diào)幅廣播中。DSB調(diào)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(diào)，設備較復雜。只用于點對點的專用通信，運用不太廣泛。SSB調(diào)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(diào)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(diào)制系統(tǒng)實驗中，此次課程設計主要用調(diào)幅（AM）,雙邊帶（DSB）和單邊帶（SSB）等調(diào)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(diào)制原理，并進行仿真分析。利用MATLAB對模擬調(diào)制系統(tǒng)進行仿真，結合MATLAB模塊和Simulink工具箱的實現(xiàn)，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(diào)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(shù)字模型 根據(jù)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(jù)系統(tǒng)原理框圖畫出軟件實現(xiàn)流程圖，然后根據(jù)流程編寫相應程序，最后對代碼進行修正優(yōu)化，最終實現(xiàn)系統(tǒng)功能。1.1.3根據(jù)系統(tǒng)性能指標，設置和調(diào)整各模塊參數(shù)及初始變量值。1.1.4實現(xiàn)系統(tǒng)運行仿真，觀察分析結果（計算的數(shù)據(jù)、顯示的圖形）。1.2、課程設計題目線性幅度調(diào)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(jù)線性幅度調(diào)制原理，確定調(diào)制系統(tǒng)設計方案。(3) 畫出AM，DSB，SSB調(diào)制解調(diào)信號時域波形和頻譜圖。(4) 對數(shù)據(jù)結果進行分析。第二章 線性幅度調(diào)制的原理 2.1振幅調(diào)制產(chǎn)生原理調(diào)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(diào)制，就是由調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，直至隨調(diào)制信號做線性變化。在線性調(diào)制系列中，最先應用的一種幅度調(diào)制是全調(diào)幅或常規(guī)調(diào)幅，簡稱為調(diào)幅（AM）。為了提高傳輸?shù)男?，還有載波受到抑制的雙邊帶調(diào)幅波（DSB）和單邊帶調(diào)幅波（SSB）。在頻域中已調(diào)波頻譜是基帶調(diào)制信號頻譜的線性位移；在時域中，已調(diào)波包絡與調(diào)制信號波形呈線性關系。2.2 幾種調(diào)幅電路方案分析2.2.1標準調(diào)幅波（AM）調(diào)制原理 調(diào)制信號是只來來自信源的調(diào)制信號（基帶信號），這些信號可以是模擬的，亦可以是數(shù)字的。為首調(diào)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(chǎn)生即可，然后經(jīng)過高頻功率放大器進行放大，作為調(diào)幅波的載波，調(diào)制信號由低頻信號源直接產(chǎn)生，二者經(jīng)過乘法器后即可產(chǎn)生雙邊帶的調(diào)幅波。 設載波信號的表達式，調(diào)制信號的表達式為 ，則調(diào)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(diào)幅波示意圖2.2.2 標準調(diào)幅波（AM）解調(diào)原理 調(diào)制過程的逆過程叫做解調(diào)。AM信號的解調(diào)是把接收到的已調(diào)信號還原為調(diào)制信號。 AM信號的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡檢波解調(diào)。1）相干解調(diào)由AM信號的頻譜可知，如果將已調(diào)信號的頻譜搬回到原點位置，即可得到原始的調(diào)制信號頻譜，從而恢復出原始信號。解調(diào)中的頻譜搬移同樣可用調(diào)制時的相乘運算來實現(xiàn)。相干解調(diào)的原理框圖圖2.2.2（1） 相干解調(diào)原理圖將已調(diào)信號乘上一個與調(diào)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(diào)制信號相干解調(diào)的關鍵是必須產(chǎn)生一個與調(diào)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(diào)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(lián)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(diào)制的優(yōu)點是可用包絡檢波法解調(diào)，不需要本地同步載波信號，設備簡單。AM調(diào)制的最大缺點是調(diào)制效率低。2.2.3 雙邊帶調(diào)幅（DSB）調(diào)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(diào)制模型中將直流分量去掉，即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波（DSB）DSB的時域和頻域表達式為（4） （5）可見DSB信號實質(zhì)上就是基帶信號與載波直接相乘。下面是DSB的調(diào)制模型： 圖2.2.3 DSB調(diào)制模型器圖2.2.4 雙邊帶調(diào)幅（DSB）解調(diào)原理 DSB信號只能運用相干解調(diào)，其模型與AM信號相干解調(diào)時完全相同。此時，乘法器輸出 (6)經(jīng)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(diào)制的好處是，節(jié)省了載波發(fā)射功率，調(diào)制效率高；調(diào)制電路簡單，僅用一個乘法器就可實現(xiàn)。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(diào)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(diào)制信號，需采用相干解調(diào)(同步檢波)。另外，在調(diào)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(diào)制信號的最高頻率。 2.2.5 單邊帶調(diào)幅（SSB）調(diào)制原理 產(chǎn)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(xiàn)單邊帶調(diào)制的原理圖如圖所示 圖2.2.5(1) SSB信號的濾波法產(chǎn)生顯然，SSB信號的頻譜可表示為(9)用濾波法實現(xiàn)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(diào)制信號都具有豐富的低頻成分，經(jīng)過調(diào)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(xiàn)。為此，實際中往往采用多級調(diào)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(xiàn)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(jù)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(zhì)上是一個寬帶相移網(wǎng)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(wǎng)絡的制作，該網(wǎng)絡要對調(diào)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(diào)幅（SSB）解調(diào)原理 從SSB信號調(diào)制原理圖中不難看出，SSB信號的包絡不再與調(diào)制信號成正比，因此SSB信號的解調(diào)也不能采用簡單的包絡檢波，需采用相干解調(diào)，如圖所示。圖2.2.6 SSB信號的相干解調(diào)此時，乘法器輸出 (11) 綜上所述，單邊帶幅度調(diào)制的好處是，節(jié)省了載波發(fā)射功率，調(diào)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(xiàn)難度大。第三章 線性幅度調(diào)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(shù)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(shù)的仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，意味著所處理的數(shù)據(jù)，首先要經(jīng)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(shù)據(jù)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(diào)幅波（AM）的編譯仿真與分析編寫AM波的調(diào)制解調(diào)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(diào)制信號及包絡)xlabel(t);rt=s_am.*cos(2*pi*fc*t);%相干解調(diào)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(diào)后的信號與輸入信號)xlabel(t)subplot(3,1,2)f,sf=T2F(t,s_am);%調(diào)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(diào)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(diào)制解調(diào)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(diào)制信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。此調(diào)制方式占用頻帶較寬，已調(diào)信號的頻帶寬度是調(diào)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(diào)幅幅度方式效率較低，但調(diào)制和解調(diào)過程簡單，較易實現(xiàn)。3.3 雙邊帶調(diào)制（DSB）的編譯仿真與分析編寫DSB調(diào)制解調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)制解調(diào)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(diào)幅波經(jīng)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(diào)制電壓零交點處要突變180度。3.4 單邊帶調(diào)制（SSB）的編譯仿真與分析編寫SSB調(diào)制解調(diào)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(diào)制信號)xlabel(t);rt=s_ssb.*cos(2*pi*fc*t);%相干解調(diào)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(diào)制解調(diào)波分析：從圖中可以看出，SSB的振幅與調(diào)制信號的幅度成正比，它的頻率隨調(diào)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(diào)制信號的包絡形狀相同。單邊帶調(diào)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(diào)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(diào)，DSB信號抑制了AM信號中的載波分量，因此調(diào)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(diào)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(diào)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(jīng)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(xiàn)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(diào)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