通信原理課程設(shè)計(jì)2級SSB調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、1 引言隨著通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，頻道擁擠的問題日益突出，占用較窄頻帶或能在同一頻段內(nèi)容納更多用戶的通信技術(shù)日漸受到了人們的重視。單邊帶幅度調(diào)制（single side band amplitude modulation）只傳輸頻帶幅度調(diào)制信號(hào)的一個(gè)邊帶，使用的帶寬只有雙邊帶調(diào)制信號(hào)的一半，具有更高的頻率利用率，成為一種廣泛使用的調(diào)制方式。本文在介紹單邊帶幅度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生方法后，利用matlab的集成仿真環(huán)境simulink對單邊帶幅度調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要將信號(hào)調(diào)制到較高頻率的載波上進(jìn)行傳輸，但一般設(shè)備很難一次性調(diào)制成功，所以這時(shí)需要將信號(hào)分兩級調(diào)制。simulink2是

2、matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。2 設(shè)計(jì)原理2.1 2級單邊帶調(diào)制原理單邊帶調(diào)制1是幅度調(diào)制中

3、的一種。幅度調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號(hào)作線性變化的過程。在波形上，幅度已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而呈正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移。常見的調(diào)幅（am）、雙邊帶（dsb）、殘留邊帶（vsb）等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾種典型的實(shí)例。（1） 單邊帶調(diào)制單邊帶調(diào)制（ssb）信號(hào)是將雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶濾掉而形成的。根據(jù)濾除方法的不同，產(chǎn)生ssb信號(hào)的方法有：濾波法和相移法。濾波法單邊帶調(diào)制就是只傳送雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶（上邊帶或下邊帶）。產(chǎn)生單邊帶信號(hào)最直接、最常用的是濾波法，就是從雙邊帶信號(hào)中濾出一個(gè)邊帶信號(hào)，圖1是濾波法模型的示

4、意圖。單邊帶信號(hào)的頻譜如圖2所示，該圖能說明濾波法的基本原理，圖中hssb（）是單邊帶濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，即的傅里葉變換。圖2.1濾波法模型    若保留上邊帶，則hssb（）應(yīng)具有高通特性如圖2（b）所示。    單邊帶信號(hào)的頻譜如圖2（c）所示。    若保留下邊帶，則應(yīng)具有低通特性如圖2（d）所示。    單邊帶信號(hào)的頻譜如圖2（e）所示。 圖2.2單邊帶信號(hào)頻譜圖相移法單邊帶信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：這里是的希爾伯特變換。從表達(dá)式可以得到單邊帶調(diào)制信號(hào)相移法的一般模

5、型框圖，如圖3所示。    希爾伯特變換h（w）及有關(guān)特性為：    定義         式中                           圖2.3ssb移相法模型顯然， 信號(hào)通過傳遞函數(shù)為的濾波器，即可得到。

6、具有傳遞函數(shù)的濾波器稱為希爾伯特濾波器。 傳遞函數(shù)的模和相位特性如圖4所示。從圖可見，希爾伯特濾波器是一個(gè)寬帶 90o移相網(wǎng)絡(luò)，是正交變換網(wǎng)絡(luò)。圖2.4希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)（2）相干解調(diào)相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號(hào)的譜搬到了載頻位置，這一過程可以通過一個(gè)相乘器與載波相乘來實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把在載波位置的已調(diào)信號(hào)的譜搬回到原始基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào)器的一般模型如圖2.5所示。圖2.5 相干解調(diào)器的一般模型（3）2級單邊帶調(diào)制解調(diào)在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要將信號(hào)調(diào)制到較高頻率的載波上進(jìn)行傳輸，但一般設(shè)備很難

7、一次性調(diào)制成功，所以這時(shí)需要將信號(hào)分兩級調(diào)制。第1級調(diào)制時(shí)，信號(hào)先與頻率相對較低1級載波相乘，再通過帶通濾波器濾除下邊帶頻譜得單邊帶調(diào)制信號(hào)；第2級調(diào)制時(shí)，2級載波頻率相對第1級較高，再通過帶通濾波器后輸出高頻單邊帶信號(hào)。解調(diào)時(shí)，1級解調(diào)時(shí)先與2級載波相乘，再通過低通濾波器，2級解調(diào)時(shí)與1級載波相乘再通過低通濾波器，最后得解調(diào)信號(hào)。2.2 simulink工作環(huán)境（1）模型庫在matlab命令窗口輸入“simulink”并回車，就可進(jìn)入simulink模型庫3，單擊工具欄上的 按鈕也可進(jìn)入simulik，模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：continuous（連續(xù)模塊）discrete（離散模

8、塊）function&tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）math（數(shù)學(xué)模塊）nonlinear（非線性模塊）signals&systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）sinks（接收器模塊）sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫中的模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級樹結(jié)構(gòu)simulink子模型庫中包含了continous、discontinus等下一級模型庫continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。圖2.6 simulink工具箱（2）設(shè)計(jì)仿真模型在matlab子窗口或

9、simulink模型庫的菜單欄依次選擇“file” | “new” | “model”，即可生成空白仿真模型窗口（如圖2.7所示）。圖2.7 新建仿真模型窗口（3）運(yùn)行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇"simulation" | "start" 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim”啟動(dòng)仿真進(jìn)程。比較這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式的優(yōu)點(diǎn)在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號(hào)。命令行方式啟動(dòng)模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。3 設(shè)計(jì)步驟3.1 2級單邊

10、帶調(diào)制（1）模塊及參數(shù)設(shè)置2級單邊帶（ssb）調(diào)制模塊如圖3.1所示。調(diào)制信號(hào)幅度為2，頻率為1（如圖3.2）。1級載波幅度為2，頻率為10（如圖3.3）。2級載波幅度為2，頻率為20（如圖3.4）。1級調(diào)制中濾波器參數(shù)設(shè)置如圖3.5所示。2級調(diào)制中濾波器參數(shù)設(shè)置如圖3.6所示。圖3.1 2級ssb調(diào)制圖3.2 未調(diào)信號(hào)模塊參數(shù)設(shè)置圖3.3 1級載波信號(hào)模塊參數(shù)設(shè)置圖3.4 2級載波信號(hào)模塊參數(shù)設(shè)置圖3.5 1級調(diào)制中濾波器模塊參數(shù)設(shè)置圖3.6 2級調(diào)制中濾波器模塊參數(shù)設(shè)置（2） 仿真結(jié)果及分析調(diào)制模塊的仿真波形圖如圖3.7所示。第1路是調(diào)制信號(hào)波形，第2路是1級載波，第3 路是2級載波，第4

11、路是dsb調(diào)制后信號(hào)波形，第5路是1級ssb調(diào)制后信號(hào)波形，第6路是1級調(diào)制后信號(hào)與2級載波相乘后的波形，第7路是2級ssb調(diào)制后信號(hào)波形。圖3.7 調(diào)制模塊中各階段時(shí)域波形圖調(diào)制模塊中各階段波形的功率譜如圖3.8圖3.14所示。分析可知，調(diào)制信號(hào)頻率為1,1級載波和2級載波的頻率分別為10和20。第1級時(shí)調(diào)制信號(hào)先與1級載波相乘得雙邊帶信號(hào)，再通過帶通濾波器得上邊帶信號(hào)；2級調(diào)制中，上邊帶信號(hào)先與2級載波相乘，再通過帶通濾波器實(shí)現(xiàn)得到更高頻率得上邊帶信號(hào)。調(diào)制過程中信號(hào)功率譜的形狀不變，只是頻率的搬移，符合線性調(diào)制的原理。圖3.8 未調(diào)信號(hào)功率譜圖3.9 1級載波信號(hào)功率譜圖3.10 2級載

12、波信號(hào)功率譜圖3.11 dss調(diào)制信號(hào)功率譜圖3.12 1級ssb調(diào)制信號(hào)功率譜圖3.13 2級dsb調(diào)制信號(hào)功率譜圖3.14 2級ssb調(diào)制信號(hào)功率譜3.2 2級ssb相干解調(diào)（1）相干解調(diào)模塊及參數(shù)設(shè)置2級ssb的相干解調(diào)模塊如圖3.15所示。解調(diào)和調(diào)制一樣也是分兩級實(shí)現(xiàn)的。第1級采用2級載波，第2級采用1級載波。兩級解調(diào)中低通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖3.16和圖3.17所示。圖3.15 2級ssb調(diào)制和解調(diào)圖圖3.16 1級ssb解調(diào)中濾波器模塊參數(shù)設(shè)置圖3.17 2級ssb解調(diào)中濾波器模塊參數(shù)設(shè)置（2）仿真結(jié)果及分析2級ssb相干解調(diào)仿真波形如圖3.18所示。第1路是輸入信號(hào)波形，第2路是已

13、調(diào)信號(hào)波形，第3路是1級解調(diào)后的波形圖，第4路是2級解調(diào)后的波形圖。分析可知，解調(diào)后的波形和原輸入信號(hào)波形一樣，符合設(shè)計(jì)要求。圖3.18 2級ssb調(diào)制解調(diào)各過程時(shí)域波形圖相干解調(diào)模塊中各過程信號(hào)功率譜如圖3.19圖3.22所示。2級解調(diào)后的信號(hào)功率譜和原信號(hào)功率譜一樣，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。圖3.19 未解調(diào)前信號(hào)功率譜圖3.20 圖3.21 1級ssb解調(diào)后信號(hào)功率譜圖3.22 2級ssb解調(diào)后信號(hào)功率譜3.3 加入噪聲的2級ssb調(diào)制解調(diào)高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在調(diào)制信號(hào)上加入高斯噪聲，把simulink噪聲源下的高斯噪聲

14、模塊（gaussian noise generator）加入到模型中。圖3.23中加了兩個(gè)高斯噪聲模塊，參數(shù)設(shè)置不同。圖3.23 加入高斯噪聲的2級ssb調(diào)制解調(diào)模塊圖（1）波形失真與高斯噪聲均值的關(guān)系圖3.24 第1個(gè)高斯噪聲模塊參數(shù)設(shè)置 圖3.25 第2個(gè)高斯噪聲模塊參數(shù)設(shè)置輸入信號(hào)時(shí)域波形如圖3.26中示波器第1路所示，其功率譜如圖3.27所示。高斯噪聲均值為0.1，方差為0時(shí)，輸出信號(hào)時(shí)域波形如圖3.26中示波器第2路所示，可見波形相對原波形失真較小。功率譜如圖3.28所示，在功率譜上產(chǎn)生了一個(gè)比原信號(hào)功率小得多的分量。高斯噪聲均值為3，方差為0時(shí)輸出信號(hào)時(shí)域波形如圖3.26中示波器第

15、3路所示，可見波形完全失真。其功率譜如圖3.29所示，在功率譜上產(chǎn)生了一個(gè)比原信號(hào)功率大的分量。分析可知，高斯噪聲的均值越大，輸出信號(hào)失真越大。圖3.26 高斯噪聲均值不同時(shí)信號(hào)的輸出波形圖3.27 輸入信號(hào)功率譜圖3.28 噪聲均值為0.1時(shí)輸出信號(hào)的功率譜圖3.29 噪聲均值為3時(shí)輸出信號(hào)的功率譜（2）波形失真與高斯噪聲方差的關(guān)系圖3.30 第1個(gè)高斯噪聲模塊參數(shù)設(shè)置 圖3.31 第2個(gè)高斯噪聲模塊參數(shù)設(shè)置輸入信號(hào)時(shí)域波形如圖3.32中示波器第1路所示，其功率譜如圖3.27所示。高斯噪聲均值為0，方差為0.5時(shí)，輸出信號(hào)時(shí)域波形如圖3.32中示波器第2路所示，可見波形相對原波形失真較小。功

16、率譜如圖3.33所示，在功率譜上產(chǎn)生了一些比原信號(hào)功率小得多的分量。高斯噪聲均值為0，方差為10時(shí)輸出信號(hào)時(shí)域波形如圖3.32中示波器第3路所示，可見波形完全失真。其功率譜如圖3.34所示，在功率譜上產(chǎn)生了一些比較大的功率分量。分析可知，高斯噪聲的方差越大，輸出信號(hào)失真越大。圖3.32 高斯噪聲方差不同時(shí)信號(hào)的輸出波形 圖3.33 噪聲方差為0.5時(shí)輸出信號(hào)的功率譜圖3.34 噪聲方差為10時(shí)輸出信號(hào)的功率譜4 結(jié)束語經(jīng)過為期兩周的努力和學(xué)習(xí)，本次課程設(shè)計(jì)已接近尾聲。這次課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到很多書本上學(xué)不到的東西，增強(qiáng)了我的實(shí)踐動(dòng)手能力。對通信工程專業(yè)來說，通信原理是一門核心課程，是學(xué)好本專業(yè)的基礎(chǔ)，它雖然是一門理論課，但其實(shí)踐性很強(qiáng)。通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我深層次地了解如何在matlab/simulink中通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析。從一個(gè)小模塊設(shè)計(jì)到具有一定功能的完整模塊設(shè)計(jì)，從單個(gè)小問題的判斷調(diào)試到整體化模塊的分析思維，本次課程設(shè)計(jì)不但使我對通信原理了解得更透徹，也使我認(rèn)識(shí)到理論當(dāng)與實(shí)際相聯(lián)系時(shí)才能使它的指導(dǎo)性充分地體現(xiàn)出來。最后，在本次課程設(shè)計(jì)中，得到了老師和很多同學(xué)