抑制載波單邊帶調(diào)幅(SSB)和解調(diào)的實(shí)現(xiàn) 2

任務(wù)書課題名稱抑制載波單邊帶調(diào)幅（SSB）和解調(diào)的實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師（職稱）執(zhí)行時(shí)間2012~2013學(xué)年第1學(xué)期第16周學(xué)生姓名學(xué)號承擔(dān)任務(wù)SSB信號仿真及仿真分析編寫SSB功率譜密度與SSB解調(diào)的程序SSB調(diào)制與解調(diào)原理分析子程序的編寫編寫SSB信號的調(diào)制程序編寫調(diào)制信號及其頻譜程序設(shè)計(jì)目的1.研究模擬連續(xù)信號在SSB線性調(diào)制中的信號波形與頻譜，了解調(diào)制信號是如何搬移到載波附近。2.加深對模擬線性調(diào)制SSB的工作原理的理解。3.了解產(chǎn)生調(diào)幅波（AM）和抑制載波單邊帶波（SSB—AM）的調(diào)制方式，以及兩種波之間的關(guān)系。4.了解用濾波法產(chǎn)生單邊帶SSB—AM的信號的方式和上下邊帶信號的不同。5.了解在相干解調(diào)中存在同步誤差（頻率誤差、相位誤差）對解調(diào)信號的影響從而了解使用同頻同相的相干載波在相干解調(diào)中的重要性。設(shè)計(jì)要求對于信號用matlab產(chǎn)生一個(gè)頻率為1Hz，功率為1的余弦信號f（t），設(shè)載波頻率為10Hz。用抑制載波的單邊帶調(diào)幅實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。要求繪制：信號f（t）及其頻譜；SSB調(diào)制信號及其頻譜；SSB調(diào)制信號的功率譜密度；相干解調(diào)后的信號波形。摘要單邊帶調(diào)制從1933年開始，在短波通信中，大多越洋和洲際都用導(dǎo)頻制單邊帶傳輸。自1954年以來，載頻全抑制單邊帶調(diào)制迅速在軍用和許多專用無線電業(yè)務(wù)中取代調(diào)幅制。在載波、微波多路傳輸和地空的通信中，單邊帶技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，并且已使用在衛(wèi)星至地面的信道和移動通信系統(tǒng)中。單邊帶調(diào)制是將消息的頻譜從基帶移到一個(gè)較高的頻率上，而且在平移后的信號頻譜內(nèi)原有頻率分量的相對關(guān)系保持不變的調(diào)制技術(shù)。單邊帶(SSB)調(diào)制也可看作是調(diào)幅(AM)的一種特殊形式。調(diào)幅信號頻譜由載頻cf和上、下邊帶組成，被傳輸?shù)南趦蓚€(gè)邊帶中，而且每一邊帶包含有完整的被傳輸?shù)南ⅰＲ虼?，只要發(fā)送單邊帶信號，就能不失真地傳輸消息。顯然，把調(diào)幅信號頻譜中的載頻和其中一個(gè)邊帶抑制掉后，余下的就是單邊帶信號的頻譜。本設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實(shí)現(xiàn)SSB解調(diào)，并繪制出解調(diào)前后的時(shí)域和頻域波形，再進(jìn)一步繪制出對SSB信號疊加噪聲進(jìn)行解調(diào)后的時(shí)域和頻域波形，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該解調(diào)過程的正確性及噪聲對信號解調(diào)的影響。在課程設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)開發(fā)平臺為WindowsVista，使用工具軟件為MATLAB7.0。在該平臺運(yùn)行程序完成了對SSB信號的解調(diào)以及對疊加噪聲后解調(diào)結(jié)果的觀察。通過該課程設(shè)計(jì)，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)SSB信號解調(diào)的目的。關(guān)鍵詞：SSB；解調(diào)；MATLAB7.0；噪聲目錄TOC\o"1-2"\h\u16911第一章設(shè)計(jì)目的與意義 4114701、設(shè)計(jì)內(nèi)容 4134352、設(shè)計(jì)目的與意義 57336第二章設(shè)計(jì)原理 586261、單邊帶信號的調(diào)制 5267062、單邊帶信號的解調(diào) 610216第三章詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟 8124641、調(diào)制信號的產(chǎn)生 8312152、畫調(diào)制信號的頻譜 912473、SSB調(diào)制信號的調(diào)制 9152814、SSB調(diào)制信號的功率譜 9115885、SSB信號的解調(diào) 9326746、低通濾波器的設(shè)計(jì) 96069第四章仿真結(jié)果 10216711、MATLAB軟件介紹 10138932、仿真結(jié)果 1141583、仿真分析 1527977第五章心得與體會 167923參考文獻(xiàn) 1721122附錄1 1813665程序源碼 1820112附錄2 2120047答辯記錄及評分表 21第一章設(shè)計(jì)目的與意義1、設(shè)計(jì)內(nèi)容對于信號用matlab產(chǎn)生一個(gè)頻率為1Hz，功率為1的余弦信號f（t），設(shè)載波頻率為10Hz。用抑制載波的單邊帶調(diào)幅實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。要求繪制：（1）信號f（t）及其頻譜；（2）SSB調(diào)制信號及其頻譜；（3）SSB調(diào)制信號的功率譜密度；（4）相干解調(diào)后的信號波形。2、設(shè)計(jì)目的與意義1.研究模擬連續(xù)信號在SSB線性調(diào)制中的信號波形與頻譜，了解調(diào)制信號是如何搬移到載波附近。2.加深對模擬線性調(diào)制SSB的工作原理的理解。3.了解產(chǎn)生調(diào)幅波（AM）和抑制載波單邊帶波（SSB—AM）的調(diào)制方式，以及兩種波之間的關(guān)系。4.了解用濾波法產(chǎn)生單邊帶SSB—AM的信號的方式和上下邊帶信號的不同。5.了解在相干解調(diào)中存在同步誤差（頻率誤差、相位誤差）對解調(diào)信號的影響從而了解使用同頻同相的相干載波在相干解調(diào)中的重要性。第二章設(shè)計(jì)原理1、單邊帶信號的調(diào)制信號的調(diào)制主要是在時(shí)域上乘上一個(gè)頻率較高的載波信號，實(shí)現(xiàn)頻率的搬移，使有用信號容易被傳播。單邊帶調(diào)幅信號可以通過雙邊帶調(diào)幅后經(jīng)過濾波器實(shí)現(xiàn)。雙邊帶調(diào)制信號頻譜中含有攜帶同一信息的上、下兩個(gè)邊帶。因此，我們只需傳送一個(gè)邊帶信號就可以達(dá)到信息傳輸?shù)哪康?，以?jié)省傳輸帶寬、提高信道利用率。這就是單邊帶調(diào)制（SSB—SC）。產(chǎn)生SSB信號有移相法和濾波法。本設(shè)計(jì)采用濾波法，即，將已產(chǎn)生的雙邊帶信號通過一個(gè)帶通濾波器，根據(jù)該濾波器傳遞函數(shù)的不同，可分別得到下邊帶信號和上邊帶信號。SSB信號可表示為：式中：是m（t）的所有頻率成分移相的-π/2信號，稱為的希爾伯特信號。式中符號取“-”產(chǎn)生上邊帶，取“+”產(chǎn)生下邊帶。HSSB(w)coswc(t)圖2.1單邊帶信號的濾波法形成濾波法的原理方框圖如圖所示，圖中為單邊帶濾波器的傳遞函數(shù)，對于保留上邊帶的單邊帶調(diào)制來說，有對于保留下邊帶的單邊帶調(diào)制來說，則取為帶通濾波器，于是單邊帶信號的頻譜為2、單邊帶信號的解調(diào)在單邊帶信號的解調(diào)中，只需要對上、下邊帶的其中一個(gè)邊帶信號進(jìn)行解調(diào)，就能夠恢復(fù)原始信號。這是因?yàn)殡p邊帶調(diào)制中上、下兩個(gè)邊帶是完全對稱的，它們所攜帶的信息相同，完全可以用一個(gè)邊帶來傳輸全部消息。單邊帶解調(diào)通常采用相干解調(diào)的方式，它使用一個(gè)同步解調(diào)器，即由相乘器和低通濾波器組成。在解調(diào)過程中，輸入信號和噪聲可以分別單獨(dú)解調(diào)。相干解調(diào)的原理框圖如圖2-2所示：低通濾波器c(t)圖2-2相干解調(diào)原理框圖此圖表示單邊帶信號首先乘以一個(gè)同頻同相的載波，再經(jīng)過低通濾波器即可還原信號。單邊帶信號的時(shí)域表達(dá)式為表示基帶信號其中取“-”時(shí)為上邊帶，取“+”時(shí)為下邊帶。乘上同頻同相載波后得表示的希爾伯特變換經(jīng)低通濾波器可濾除2的分量，所得解調(diào)輸出為由此便可得到無失真的調(diào)制信號。第三章詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟1、調(diào)制信號的產(chǎn)生由設(shè)計(jì)要求要產(chǎn)生一個(gè)頻率為1Hz，功率為1的余弦信號f(t)。則可以利用matlabe工具箱函數(shù)sin()產(chǎn)生滿足該指標(biāo)的信號，由于matlab在進(jìn)行信號處理的時(shí)候不能處理無限長的信號，所以應(yīng)該把信號離散化，在本設(shè)計(jì)中對信號進(jìn)行采樣的頻率為1000Hz。由于要求信號功率為1，所以信號的最大幅度為V。2、畫調(diào)制信號的頻譜信號的頻譜可以通過求信號的傅里葉變換得到，傅里葉變換又可以用普通傅里葉變換又可以通過快速傅里葉（FFT）得到。在本設(shè)計(jì)中，傅里葉變換通過調(diào)用一個(gè)已經(jīng)編好的利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)的求信號的頻譜函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這樣就增加了程序的重用性，以后只要需要求信號的頻譜的時(shí)候，只需要調(diào)用該函數(shù)，給出函數(shù)的參數(shù)即可。函數(shù)的入口參數(shù)為信號的時(shí)間（信號時(shí)間長度必須大于二）和信號向量，出口參數(shù)為頻率和信號頻譜。3、SSB調(diào)制信號的調(diào)制由于SSB是通過濾波法實(shí)現(xiàn)。通過公式實(shí)現(xiàn)DSB信號，并通過傅立葉變換得其頻譜，然后去除上邊頻分量得到下邊頻分量LSSB，再通過傅立葉反變換即可產(chǎn)生攜帶下邊頻的單邊帶調(diào)幅信號即u信號。4、SSB調(diào)制信號的功率譜通信中，調(diào)制信號通常是平穩(wěn)隨機(jī)過程。其功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)之間是一對付氏變換關(guān)系。這樣就可以先找到信號的自相關(guān)函數(shù)，然后通過付氏變換來實(shí)現(xiàn)信號的功率譜密度。5、SSB信號的解調(diào)本設(shè)計(jì)采用相干解調(diào)的方式對SSB調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)。由前面的分析可知，只需要將SSB調(diào)制信號和一個(gè)同頻同相的本地載波相乘，然后讓信號通過一個(gè)低通濾波器即可得到無失真的調(diào)制信號。6、低通濾波器的設(shè)計(jì)低通濾波器要能夠?yàn)V出調(diào)制信號，所以其截至頻率不能太高，截至頻率太高會讓一些帶外噪聲也進(jìn)入后面的信號處理部分。由題，截至頻率應(yīng)該低于5Hz。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)低通濾波器功能的通用函數(shù)。第四章仿真結(jié)果1、MATLAB軟件介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。2、仿真結(jié)果(1)未調(diào)信號及其頻譜未調(diào)制信號的周期為一秒，則頻率為1HZ；由于正弦信號的功率與幅值有以下關(guān)系：P=1/2Am^2，頻率為1W則可以求出未調(diào)信號幅值大約為；與圖4-1中未調(diào)制信號時(shí)域圖比較，正好與分析相吻合。由正弦信號的頻率特性可知，時(shí)域表達(dá)式在經(jīng)過傅里葉變換后，在頻率處出現(xiàn)沖擊圖4-1未調(diào)信號及其頻譜(2)載波信號信號的調(diào)制主要是在時(shí)域上乘上一個(gè)頻率較高的載波信號，實(shí)現(xiàn)頻率的搬移，所以本設(shè)計(jì)采用了頻率為10HZ，幅值為1的載波信號，如下圖4-2所示圖4-2載波信號(3)利用MATLAB產(chǎn)生SSB調(diào)制信號及其頻譜由抑制載波雙邊帶調(diào)幅調(diào)制出來的信號是上下兩個(gè)邊帶對稱且以正弦信號為包絡(luò)的不等值正弦信號組成的波形，經(jīng)過單邊帶濾波器便得到單邊帶調(diào)制信號。而此圖是經(jīng)過設(shè)計(jì)利用濾波法得到圖4-3的上下邊帶已調(diào)信號時(shí)域圖。調(diào)制過程就是對信號源的信息進(jìn)行處理加到載波上，相當(dāng)于進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上；與圖4-1中調(diào)制信號頻譜圖相吻合，再與圖4-1中的頻譜圖相比較，頻域信號明顯進(jìn)行了頻譜搬移，符合調(diào)制原理。圖4-3已調(diào)信號及其頻譜(4)SSB功率譜密度與解調(diào)信號的產(chǎn)生功率譜密度函數(shù)是表示其頻譜分量的單位帶寬功率的頻率函數(shù)，從圖4-4可以看出，頻域信號的單位帶寬功率能量只要集中在載波頻率附近，也是隨著調(diào)制過程功率譜進(jìn)行著搬移。最后是將已調(diào)信號通過乘以同頻同相的載波，即為相干解調(diào)。由前面的相干解調(diào)原理框圖可知，經(jīng)過濾波器后得到無失真的調(diào)制信號。圖4為調(diào)制信號的時(shí)域圖與圖4-1相比，波形大致相同頻率也為1HZ，幅度也一樣只是在原始信號上產(chǎn)生了些許相移，由于濾波過程中噪聲的干擾信號最終存在一些波動。圖4-4的信號頻譜圖與圖4-1完全相同，從而也進(jìn)一步說明了單邊帶的相干解調(diào)能得到無失真的原始信號。圖4-4功率普密度及解調(diào)后的信號3、仿真分析 從圖4-1中可以看出，未調(diào)信號頻率為1Hz。從頻譜角度上看，在0處出現(xiàn)沖擊，這是由正弦信號的頻率特性確定的。由抑制載波雙邊帶調(diào)幅調(diào)制出來的信號是以正弦信號為包絡(luò)的不等值正弦信號組成的波形，經(jīng)過濾除上邊帶后得到圖4-3的攜帶下邊帶信號的已調(diào)信號，及經(jīng)過濾除下邊帶后得到圖4-3的嚇呆上邊帶信號的已調(diào)信號。調(diào)制過程就是將信號的頻譜進(jìn)行搬移，將其搬運(yùn)到載波附近的頻率點(diǎn)上。下圖是分別對應(yīng)上、下邊帶信號的頻譜圖。與圖4-1中的頻譜圖進(jìn)行比較能清晰地看出，頻域信號已經(jīng)被搬移到載波的附件。圖4-2為載波信號的波形。從圖4-4功率普密度圖中看到，已調(diào)信號的功率主要集中在10Hz附件，主要是因?yàn)樾盘栴l率已經(jīng)被搬運(yùn)到載波附件的原因。經(jīng)過濾波器后，信號的大致形狀已經(jīng)被恢復(fù)，但由于調(diào)制和解調(diào)的過程中信號產(chǎn)生了相移，所以與未調(diào)信號相比，相位發(fā)送了較大的變化。心得與體會通過這次的高頻電子線路課程設(shè)計(jì)，鞏固了很多以前學(xué)過但是已經(jīng)忘了的知識，比如如何利用MATLAB產(chǎn)生一個(gè)自己想要的信號，如何利用MATLAB來進(jìn)行信號的分析與處理等；另外也鞏固了剛剛學(xué)習(xí)的數(shù)字信號處理與通信原理這兩門課程的相關(guān)知識點(diǎn)。如怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，信號的功率譜和信號的頻譜之間的相關(guān)聯(lián)系等等。加深了對單邊帶調(diào)幅的理解，從理論上對單邊帶調(diào)制系統(tǒng)的工作原理有了進(jìn)一步的認(rèn)識，了解了單邊帶信號的調(diào)制與解調(diào)方法。對信號進(jìn)行傅里葉變換及其傅里葉反變換有了更深的認(rèn)識。通過本次課程設(shè)計(jì)也進(jìn)一步熟悉了MATLAB開發(fā)環(huán)境，對MATLAB的一些基本操作和應(yīng)用有了更深入的了解。如：有要求的正弦信號的產(chǎn)生，基本圖形的繪制和各種的函數(shù)的使用等。學(xué)會了如何使用MATLAB對信號進(jìn)行SSB調(diào)制和解調(diào)，了解了低通濾波器的設(shè)計(jì)方法等。此外，我們學(xué)會了如何合理的安排設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間以及合理的利用網(wǎng)絡(luò)資源及圖書館參考資源等普遍實(shí)用的學(xué)習(xí)方法，通過和小組其他成員的探討，拓寬了每個(gè)人的視野，學(xué)習(xí)了別人的好的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方法等。最后，經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)，我們也看到了自己本身存在的一些不足之處。主要是在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中對于一些應(yīng)該掌握的知識點(diǎn)掌握的不夠好，一些設(shè)計(jì)所用到的原理知識不能夠很好的理解。在仿真方面對某些的指令語句不能夠全面的了解以至于繞了很多的彎路。最后進(jìn)行仿真時(shí)常常不能出現(xiàn)圖形或是仿真結(jié)果與我們預(yù)期的出現(xiàn)太大的偏差。出現(xiàn)以上的問題時(shí)我們就著手認(rèn)真看書，熟悉其工作原理。查閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)或是上網(wǎng)查找，向老師尋求幫助等。把理論知識分析好后再對所得的結(jié)果進(jìn)行分析。通過再學(xué)習(xí)，獨(dú)立的解決課程設(shè)計(jì)中所遇到的困難。參考文獻(xiàn)[1]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第三版）[M][2]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計(jì)教程[M].中國水利水電出版社，2005[3]曹志剛、錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].清華大學(xué)出版社，1994[4]余成波.數(shù)字信號處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[S].清華大學(xué)出版社，1995[5]張肅文.高頻電子線路[M].北京高等教育出版社，1984[6]沈偉慈.通信電路[M][M].北京航空航天大學(xué)出版社，1990[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2001附錄1程序源碼t0=1;ts=0.001;fc=10;fs=1/ts;df=0.3;t=[-t0/2:ts:t0/2];m=sqrt(2)*cos(2*pi*t);c=cos(2*pi*fc.*t);%定義載波同相分量b=sin(2*pi*fc.*t);v=m.*c+imag(hilbert(m)).*b;u=m.*c-imag(hilbert(m)).*b;[M,m,dfl]=fftseq(m,ts,df);M=M/fs;[U,u,dfl]=fftseq(u,ts,df);U=U/fs;[V,v,dfl]=fftseq(v,ts,df);V=V/fs;f=[0:dfl:dfl*(length(m)-1)]-fs/2;holdon;figure(1)subplot(1,2,1)plot(t,m(1:length(t)));axis([-1,1,-2,2]);xlabel('時(shí)間');title('未調(diào)信號')subplot(1,2,2);plot(f,abs(fftshift(M)))xlabel('頻率');title('未調(diào)信號的頻譜')holdon;figure(2);plot(t,c(1:length(t)));axis([-0.1,0.1,-2,2])xlabel('時(shí)間');title('載波')figure(3);subplot(2,2,1)plot(t,u(1:length(t)));axis([-0.2,0.2,-1.5,1.5]);xlabel('時(shí)間');title('上邊帶已調(diào)信號')subplot(2,2,2)plot(t,v