SSB單邊帶調制與解調解析

1、陜西理工學院課程設計引言隨著通信業(yè)務的不斷發(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容納更 多用戶的通信技術日漸受到了人們的重視。本次課設的目的是通過學習和掌握電路設計于仿真軟件 的基礎上，按照要求設計一個普通調幅的調制解調電路并進行仿真，綜合應用所學知識，為今后的 學習和工作積累經(jīng)驗。此外，該題目涵蓋了通信原理、電路分析、模擬電子、通信電子線路等主要課程的知識點，學生通過該題目的設計過程，可以初步掌握各種元器件工作原理和電路 設計、開發(fā)原理，得到系統(tǒng)的訓練，提高解決實際問題的能力。實現(xiàn)SSB的調制解調系統(tǒng)的設計與仿真。單邊帶幅度調制(Single Side Band Ampl

2、itude Modulation )只傳輸頻帶幅度調制信號的一個邊 帶，使用的帶寬只有雙邊帶調制信號的一半，具有更高的頻率利用率，成為一種廣泛使用的調制方 式。本文在介紹單邊帶調制與解調的方法后，利用 Multisim對單邊帶調制與解調系統(tǒng)進行了仿真。1設計方案設計原理單邊帶調制是幅度調制中的一種。幅度調制是由調制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調制 信號作線性變化的過程。在波形上，幅度已調信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律而呈正比地變化；在頻 譜結構上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內的簡單搬移。常見的調幅(AM、雙邊帶(DSB、殘留邊帶(VSB)等調制就是幅度調制的幾種典型的實例。單邊帶調制(S

3、SB)信號是將雙邊帶信號中的一個邊帶濾掉而形成的。根據(jù)濾除方法的不同，產(chǎn)生SSB信號的方法有：濾波法和相移法。濾波法單邊帶調制就是只傳送雙邊帶信號中的一個邊帶(上邊帶或下邊帶)。產(chǎn)生單邊帶信號最直接、最常用的是濾波法，就是從雙邊帶信號中濾出一個邊帶信號，圖 1.1是濾波法模型的示意圖。m (t)Sdsb (t)冬)+ 啊 I載流亡圖1.1濾波法SSB信號調制單邊帶信號的頻譜如圖1.2所示，圖中Hsb(co)是單邊帶濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，即H sSB(t)的傅里葉變換。若保留上邊帶，則HSsb ( w )應具有tWj通特性如圖 1.2 (b)所不 :(1.1)單邊帶信號的頻譜如圖1.2 (c)所示：

4、若保留下邊帶，則應具有低通特性如圖1.2 (d)所示：(1.2)單邊帶信號的頻譜如圖1.2 (e)所示：第1頁共15頁陜西理工學院課程設計八圖1.2濾波法形成單邊帶信號頻譜圖I1.1.2 相移法單邊帶信號的時域表達式為:憶的 缶=5f 缶 sin/f上(1.3)(1.4)這里,第1是/伯的希爾伯特變換。從表達式可以得到單邊帶調制信號相移法的一般模型框圖圖1.3所示：希爾伯特變換H (w)及有關特性為：定義 :； - 戶=w卜7貝 $區(qū)同式中第2頁共15頁陜西理工學院課程設計顯然，/缶信號通過傳遞函數(shù)為 -JS以G）的濾波器，即可得到丁。具有傳遞函數(shù) 陽*-j飛酬吟的濾波器稱為希爾伯特濾波器。的

5、：6傳遞函數(shù)的模和相位特性如圖1.4所示。從圖1.4可見，希爾伯特濾波器是一個寬帶90 0移相網(wǎng)絡，是正交變換網(wǎng)絡。圖1.4 希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)1.2相干解調解調就是把接收到的SSB言號經(jīng)過處理，濾掉載波成分，使之還原成發(fā)射之前的有用的信息。SSB信號的解調方法主要有兩種，一個是相干解調法，另一個是包絡檢波。相干解調也叫同步檢波。解調與調制的實質一樣，均是頻譜搬移。調制是把基帶信號的譜搬到 了載頻位置，這一過程可以通過一個相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。解調則是調制的反過程，即把在載 波位置的已調信號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現(xiàn)。相干解調 器的一般模型如圖1.5所

6、示：LPFy圖1.5相干解調一般模型相干解調時，為了無失真地恢復原基帶星信號，接收端必須提供一個與接收的已調載波嚴格同 步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調信號相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低 頻分量，即可得到原始的基帶信號。2系統(tǒng)設計Simulink工作環(huán)境在MATLAB命令窗口，單擊工具欄上的1熱按鈕可進入Simulik 。模塊庫按功能進行分為以下8類子庫：Continuous （連續(xù)模塊）Discrete （離散模塊）Function&Tables （函數(shù)和平臺模塊）Math （數(shù)學模塊）Nonlinear （非線性模塊）Signals&Systems （信號和系統(tǒng)模塊）S

7、inks （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構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 2.1為Simulink工具模塊頁面第3頁共15頁陜西理工學院課程設計_/，1 hrTTliMIi -匚y F y 口 |j u - 11 T mji a, - s - - s - IH 4 q 工 h aa d.d *-

8、el T ( t士 gvI. 1 1 嗎二 I . E. h i二.-8_qji 仁 Ifl 丸 qj,H ji T . Bjg,b- -d.-d- -d. X ur *婦d=VXlX止El匕aF ar .七三3r TTX EZH口口口1 圖2.1 Simulink 工具頁面SSB信號調制調制模型構建與參數(shù)設置在MATLAB的集成仿真環(huán)境Simulink中建立單邊帶調制與解調系統(tǒng)模型并實現(xiàn)對它的動態(tài)仿真，SS萌制系統(tǒng)*II型如圖2.2 ,調制信號m (t)參數(shù)設置為，幅值為 2,頻率為1。載波信號c (t)參數(shù) 為幅值為2,頻率為10。圖2.2 SSB調制邊帶濾波器參數(shù)設置如圖2.3所示:第4

9、頁共15頁陜西理工學院課程設計口士言:三匚 method : 5utt=rrcrthFilt*r typ*: LandpAiS*.= i* -*. = *- -pM.二匚匚三7匚三二總，三白fn.-:r圖2.3邊帶濾波器參數(shù)設置2.2.2仿真結果與分析調制模塊的仿真波形圖如圖2.4所示。第1路是調制信號波形，第 2路是載波信號波形，第 3路是DSB制后信號波形，第 4路是SSB調制后信號波形。圖2.4仿真結果圖調制模塊中各階段波形的功率譜如圖2.5圖2.8所示。第5頁共15頁陜西理工學院課程設計圖2.5輸入信號功率譜Time history圖2.6載波信號功率譜圖2.7 DSB信號功率譜第6頁

10、共15頁陜西理工學院課程設計圖2.8 SSB調制信號功率譜分析可知，調制信號頻率為載波的頻率為10。調制信號先與載波相乘得雙邊帶信號，再通過帶通濾波器得上邊帶信號。調制過程中信號功率譜的形狀不變，只是頻率的搬移，符合線性調制的原 理。SSB相干解調解調模型構建與參數(shù)設置相干系統(tǒng)模型如圖 2.9:二口工 r 導匚口白史翁。二Se = cfalDensity tFScicfaJ二總E臨圖2.9相干解調低通濾波器參數(shù)設置如圖2.10所示:F五圖2.10相干解調低通濾波器參數(shù)設置仿真結果及分析SSB相干解調仿真波形如圖2.11所示。第1路是輸入信號波形，第2路是已調信號波形，第路是通過相乘器后波形，第

11、 4路是解調后的波形圖。第7頁共15頁陜西理工學院課程設計圖2.11 SSB相干解調信號波形分析可知，解調后的波形和原輸入信號波形一樣，符合設計要求。相干解調模塊中各過程信號功率譜如圖2.12圖2.14所示。圖2.12輸入信號功率譜圖2.13 SSB已調信號功率譜第8頁共15頁陜西理工學院課程設計圖2.14相干解調信號功率譜調制實現(xiàn)了功率譜的搬移，解調后的信號功率譜和原信號功率譜一樣，實現(xiàn)了設計要求。加入高斯噪聲的調制與解調模型構建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。在理想信道調制與解調的基礎上，在調制信號上加入高斯噪聲，把 Simulink噪聲源下的高斯噪聲模塊

12、(Gaussian Noise Generator )加入到模型中。圖 2.15中加了兩個高斯噪聲模塊，為比較高斯噪聲均值不同或 方差不同時對信道的影響，將兩個高斯噪聲模塊參數(shù)設置不同，以作比較。加入高斯噪聲后調制與解調系統(tǒng)模型如圖2.15所示：“ta二 t sLisiarr N&is#力 = r=:rst：r2Densitj-1圖2.15加入噪聲后系統(tǒng)模型仿真結果及分析(1)波形失真與高斯噪聲均值的關系各低通濾波器均設置為頻帶邊緣頻率為10,仿真結果如圖2.16所示:第9頁共15頁陜西理工學院課程設計圖2.16方差相同、不同均值對信號影響第1路為相干解調信號波形（理想通道下），第2路為加入均

13、值為0.5方差為0的高斯噪聲時解調信號波形，第3路為均值為1方差為0的高斯噪聲時解調信號波形。由仿真結果分析得分析得， 加入高斯噪聲方差相同，均值越大，解調后失真越大。圖2.17-2.19為相干解調模塊中加入不同高斯噪聲后各過程信號功率譜。圖2.17理想信道下輸出信號功率譜Q-2圖2.18噪聲均值為0.5方差為0輸出信號功率譜第10頁共15頁陜西理工學院課程設計Powe廛限2弱汨gnsity51015202530 Fraouenc kads?s&ci .圖2.19噪聲均值為1方差為0輸出信號功率譜由仿真結果得，高斯噪聲均值為0.5 ,方差為0時，波形相對原波形失真較小。在功率譜上產(chǎn)生了一個比原

14、信號功率小得多的分量。高斯噪聲均值為1,方差為0時，波形較大。在功率譜上產(chǎn)生了一個較大的分量。當高斯噪聲均值大于2時，波形幾乎完全失真，在功率譜上產(chǎn)生了一個比原信號功率大的分量。分析可知，高斯噪聲的均值越大，輸出信號失真越大。(2)波形失真與高斯噪聲方差的關系不同方差下仿真結果如圖 2.20所示，第一路為理想信道下輸出信號波形。第2路為加入噪聲均值為0,方差為0.1時輸出噪聲波形。第3路為加入噪聲均值為0方差為1時輸出噪聲波形。02468101214161820圖2.20均值相同不同方差噪聲對信號影響圖2.21-2.22為相干解調模塊中加入不同高斯噪聲后各過程信號功率譜第11頁共15頁陜西理工

15、學院課程設計圖2.21噪聲均值為0方差為0.1時輸出信號功率譜Power Spectral Density1015202530Frequency (radsJsec)圖2.22噪聲均值為0方差為1時輸出信號功率譜高斯噪聲均值為0,方差為0.1時，輸出信號波形相對原波形失真較小。功率譜如圖26所示，在功率譜上產(chǎn)生了一些比原信號功率小彳#多的分量。高斯噪聲均值為0,方差為1時輸出信號波形失真增大。其功率譜如圖27所示，在功率譜上產(chǎn)生了一些比較大的功率分量。當噪聲方差大于2時,波形輸出信號波形幾乎完全失真，在功率譜上產(chǎn)生了很多比原信號功率大的雜波分量。分析可知， 高斯噪聲的方差越大，輸出信號失真越大

16、。(3)濾波器參數(shù)對信道的影響當濾波器邊緣頻率設置不同值時，加入高斯噪聲參數(shù)相同，在此條件下比較邊緣頻率設置值對濾波性能影響，仿真結果如圖2.23所示：第12頁共15頁陜西理工學院課程設計圖2.23不同濾波器參數(shù)參數(shù)對信道影響第1路為理想信道下信號輸出波形，第 2路為高斯噪聲均值為1,方差為0.1 ,濾波器邊緣頻率 為10時信輸出信號波形，第 3路為高斯噪聲均值為 1 ,方差為0.1 ,濾波器邊緣頻率為 8時信輸出 信號波形，可見，濾波器邊緣頻率設置越小，即濾除高頻成分越多，則濾波效果越好。兩種設置下 輸出信號功率譜如圖 2.24所示：51015202530圖2.24濾波器邊緣頻率為10時輸出

17、信號功率譜圖2.25濾波器邊緣頻率為8時輸出信號功率譜由圖知，濾波器邊緣頻率為10時，在功率譜上產(chǎn)生了一個較大的分量，當濾波器邊緣頻率設置減小時，頻譜上分量減小。當邊緣頻率值為7時，頻譜分量幾乎消失。當邊緣頻率值為5時，波形幾乎能完全無失真解調出來。不同噪聲對信道影響不同噪聲對信道影響不同，圖 2.26為加入高斯噪聲和均衡噪聲的比較。第13頁共15頁陜西理工學院課程設計圖2.26不同噪聲對信道影響第1路為理想通道下輸出信號波形；第 2路為加入高斯噪聲時輸出信號波形，高斯噪聲均值或 方差越大，輸出信號失真越厲害；第 3路為加入均衡噪聲后信號輸出波形，噪聲上屆值越大，波形 失真越大；第4路為加入瑞

18、利噪聲后輸出信號波形， sigma值越大，輸出信號波形失真越大。3總結本課程設計是實現(xiàn) SSB的調制與相干解調，以及在不同噪聲下對信道的影響。信號的調制與解 調在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。調制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到 載頻位置。解調是調制的逆過程，即是將已調制的信號還原成原始基帶信號的過程。信號的接收端 就是通過解調來還原已調制信號從而讀取發(fā)送端發(fā)送的信息。因此信號的解調對系統(tǒng)的傳輸有效性 和傳輸可靠性有著很大的影響。調制與解調方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。單邊帶SSB信號的解調采用相干解調法，這種方式被廣泛應用在載波通信和短波無線電話通信中。Simulink是

19、MATLA沖的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB勺框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和 仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI),這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，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)的仿真結果。第14頁共15頁陜西理工學院課程設計致謝通過此次的課程設計，讓我學到很多書本上學不到的東西，增強了我的實踐動手能力。最大的收獲就是既了解了噪聲對信號傳輸?shù)挠绊?，又回顧了MATLAB勺相關知識。對通信工程專業(yè)來說，通信原理是一門核心課程，是學好本專業(yè)的基礎，它雖然是一門理論課，但其實踐性很強。通過本次 課程設計，讓我深層次地了解如何在MATLAB/Simulink中通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析。從一個小模塊設計到具有一定功能的完整模塊設計，從單個小問題的判斷調試到整體化模塊的分析思維，本 次課程設計不但使我對通信原理了解得更透徹，也使我認識到理論當與實際相聯(lián)系時才能使它的指 導性充分地體現(xiàn)出來。此次的課程設計，雖說時間不長，可是它卻讓我們