基于Matlab 的线性模拟调制技术研究

*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2011年秋季学期 移动通信 课程设计题 目：基于Matlab 的线性模拟调制技术研究专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘 要在本课程设计AM、DSB、SSB、VSB线性调制将基带信号调制在不通的载波频率进行电磁波的辐射发射。我将通过多方搜集资料与分析，来理解线性调制的具体过程和它在MATLAB中的实现方法。更清晰地认识线性的调制原理，同时加深对MATLAB这款通信仿真软件操作的熟练度，并在使用中去感受计算机仿真的应用与特色在线性调制方式通过时域与频域进行分析。利用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，分析和解决问题的能力，为我今后的自主学习研究提供具有实用性的经验关键词：AM信号，调制，解调，信噪比，MATLAB前 言调制在通信系统中的作用至关重要。调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称为载波调制）。在无线通信中和其他的大多数场合，调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期信号振荡信号称为载波，他可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调（也称检波）则是调制的逆过程。起作用是将已调制信号中的调制信号恢复出来。载波调制是基带信号对载波信号的调制是为了实现下列一个或多个目标：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间中的。为了获得较高的辐射功率，天线的尺寸必须与发射信号的波长相比拟。而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，致使天线长度过长而难以实现。但通过调制，吧基带信号的频率搬至较高的载波频率上，使已调信号的频率与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输新能，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。如在GSM体制移动通信使用的是900MHz频段，所需天线尺寸为8cm。第二，把多个基带信号分别搬移到不同的的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道的利用率。第三，扩展信号带宽，提高系统的干扰、抗衰落能力，还可以实现传输带宽与信噪比之间的互唤。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能。调制方式有很多。根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制信号是模拟信号连续波调制。最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。常见的调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）、和残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的典型的实例和基础应用。目录第一章、调制11.1调制概念11.2调制的种类11.3正弦波幅度调制21.4正弦波频率调制31.5正弦波相位调制41.6脉冲调制4第二章、线性调制52.1、幅度调制（AM）52.2、双边带调制（DSB）72.3、单边带调制（SSB）82.4、残留边带调制（VSB）8第三章、线性调制的MATLAB的仿真103.1 AM的程序与仿真103.2 DSB的程序与仿真123.3 SSB的程序与仿真153.4 VSB的程序与仿真18第四章、总结23参考文献；2525第一章、调制1.1调制概念使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。调制是各种通信系统的重要基础，也广泛用于广播、电视、雷达、测量仪等电子设备。在通信系统中为了适应不同的信道情况（如数字信道或模拟信道、单路信道或多路信道等）,常常要在发信端对原始信号进行调制,得到便于信道传输的信号，然后在收信端完成调制的逆过程解调，还原出原始信号。用来传送消息的信号叫作载波或受调信号,代表所欲传送消息的信号叫作调制信号，调制后的信号u(t)叫作已调信号。用调制信号控制载波的某些参数，使之随而变化，就可实现调制。 受调信号可以是正弦波或脉冲波，所欲传送的消息可以是话音、图像或其他物理量，也可以是数据、电报和编码等信号。前者是模拟信号，后者是数字信号。 调制是一种非线性过程。载波被调制后产生新的频率分量，通常它们分布在载频的两边，占有一定的频带，分别叫做上边带和下边带。这些新频率分量与调制信号有关，是携带着消息的有用信号。调制的目的是实现频谱搬移，即把欲传送消息的频谱，变换到载波附近的频带，使消息更便于传输或处理。 调制的主要性能指标是频谱宽度和抗干扰性。这是一对矛盾。调制方式不同，这些指标也不一样。一般说，调制频谱越宽,抗干扰性能越好；反之,抗干扰性能较差。调制的另一重要性能指标是调制失真。总的说来，数字调制比模拟调制具有较强的抗调制失真的能力。1.2调制的种类调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制(如对非相干光调制)等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。 1.3正弦波幅度调制正弦载波幅度随调制信号而变化的调制，简称调幅(AM)。数字幅度调制也叫作幅度键控(ASK)。调幅的技术和设备比较简单,频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长中短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。 早期的无线电报机采用火花式放电器产生高频振荡。传号时火花式发报机发射高频振荡波，空号时发报机没有输出。这种电报信号的载波不是纯正弦波，它含有很多谐波分量，会对其他信号产生严重干扰。 理想的模拟正弦波调幅是：载波幅度与调制信号瞬时值成线性关系，但载频和相位保持不变。单频调制时，调幅信号可用下式表示： (1-1)式中UC是载波幅度；,是调制信号的角频率，其中F是调制信号频率；是一个和调制信号幅度成比例的常数，叫作调幅系数，数值应在01之间。调幅波的瞬时幅度变化曲线叫作包络线。调幅系数ma不能大于1,否则包络线和调制信号不能保持线性关系，会产生失真。这种情况叫做过调幅。 式(1-1)的调幅波不是单一的简谐波,它包含、和三个频率分量。后两个频率分量位于载频的两边，分别叫作上边频和下边频(图2c)。这种已调制信号有时叫作标准调幅波。如果调制信号占有一个频带,最高频率为,则标准调幅波的频谱宽度,位于载频fC两边的频带分别称为上边带和下边带。调幅波的载频分量与调制信号无关，但边带分量随调制信号变化。这意味着所欲传送的消息都包含在边带之中，只用一个边带信号就能够传送全部消息。把载波去掉的调幅信号，叫做抑制载波调幅；把载波和某一个边带一起抑制掉，只剩下一个边带的调幅信号，叫做单边带调幅(SSB)。单边带调幅节省功率,抗干扰性能较好，而且节省频带，但设备比较复杂（见单边带调制）。1.4正弦波频率调制正弦载波的瞬时频率随调制信号的瞬时值而变化的调制，简称调频(FM)。数字频率调制也称移频键控(FSK)。 调频是1933年E.H.阿姆斯特朗发明的。这种调制具有良好的抗干扰性能，广泛用于高质量广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备中。 理想的调频是：载波的瞬时角频率 与调制信号瞬时值成线性关系，而幅度不变。单频调制时,瞬时角频率 的表示式是 (1-2)式中，是一个和调制信号幅度成正比的常数,称为最大角频率偏移。在实用中,调制信号的最大值通常保持不变,因此最大频移f也不变。这时随调制信号频率F而减小。图5是墹f为定值时调频波的频谱。F小时，相邻各频率分量的距离较小,但由于较大,有效的边频分量较多；F较大时，各边频的距离增大，但却减小，有效的频率分量也较少。因此调频波的频谱宽度大体上保持不变。这是调频波的特点。它的频谱宽度BWf可以用下面的经验公式来计算 （1-3）式中=/2,是调制信号的频率。当较大时,调频波的带宽约于最大频偏f的两倍。宽带调频具有较强的抗干扰性能。1933年阿姆斯特朗证明:当输入信噪比/较大时,调频接收机的输出信噪比/与最大频移墹f的平方成正比；增加调频波的带宽可以改善通信系统的质量。不过这种改善是有限度的，因为带宽过大时，调频接收机的内部噪声增加，/减小;当/降低到某一阈值时, /反而急剧变坏。图6是调频接收机输出信噪比与输入信噪比/的关系曲线,在曲线拐点左边，调频的抗干扰性能比调幅还差。利用预加重和反馈调频接收的方法可以使/得到改善。 1.5正弦波相位调制正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相(PM)。数字调相也称移相键控(PSK)。单频调相时，理想调相波的表示式是 （1-4） 式中为载波相位随调制信号而变化的最大相移，称调相指数。它与调制信号幅成正比,但与调制角频率无关。这是调相和调频的区别。调相波的频谱与调频波相似，但是当墹为定值时，其频谱宽度随而变化，大时频谱宽，小时频谱窄。因此频带不能充分利用。数字调相具有优越的抗干扰性能，而且频带窄，是一种比较理想的调制方式，在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。 1.6脉冲调制受调波为脉冲序列的调制。脉冲调制可分为脉冲调幅(PAM)、脉冲调相(PPM)、脉冲调宽 (PWM)等方式。是一些脉冲调制信号的波形。通常把模拟-数字信号转换也看做是脉冲调制,这种调制有脉码调制(PCM)、差值脉码调制(DPCM)、增量调制(墹M)等。脉冲调幅实质上就是信号采样。常用于模-数转换电路、信号转换电路和各种电子仪器。脉冲调制信号的频谱较宽,但除了脉冲调幅之外,都具有较好的抗干扰性能,特别是脉码调制的性能最好,是一种理想的调制方法。数字电话、遥测、遥控以及迅速发展的综合通信网，大多采用这种调制。 第二章、线性调制调制就是使基带信号（调制信号）控制载波的某个（或几个）参数，使这一（或几个）参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。调制后所得到的信号称为已调信号或频带信号。调制的类型根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。2.1、幅度调制（AM）幅度调制（AM）是指用调制信号去控制高频载波的幅度，使其随调制信号呈线性变化的过程。AM信号的数学模型如图3-1所示。图2-1 AM信号的数学模型为了分析问题的方便，令=0，2.1.1 AM信号的时域和频域表达式 =+mcos （2-1）=+ （2-2）图3-2所示为AM的波形和相应的频谱图。图2-2 条幅过程的波形及频谱2.1.2 AM信号的带宽 （2-3）式中，为调制信号的最高频率。2.1.3 AM信号的功率与调制效率= （2-4）式中，=为不携带信息的载波功率；为携带信息的边带功率。（2-5）AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。AM调制的最大缺点是调制效率低。2.2、双边带调制（DSB）如果将在AM信号中载波抑制，只需在图3-1中将直流 去掉，即可输出抑制载波双边带信号。2.2.1 DSB信号的时域和频域表达式（2-6）（2-7）其波形和频谱如图2-3所示。图2-3 DSB调制过程的波形及频谱2.2.2 DSB信号的带宽 （2-8）2.2.3 DSB信号的功率及调制效率由于不再包含载波成分，因此，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信号功率的一半，即 （2-9）显然，DSB信号的调制效率为100%。2.3、单边带调制（SSB） 产生SSB信号最基本的方法有滤波法和相移法。2.3.1 SSB信号的时域表达式 （2-10）式中，“”表示上边带信号，“”表示下边带信号；是的希尔伯特变换。 2.3.2 SSB信号的带宽、功率和调制效率（2-11）由于SSB信号仅包含一个边带，因此其功率为DSB信号的一半，即 （2-12）显然，SSB信号的调制效率也为100%。2.4、残留边带调制（VSB） 单边带传输信号具有节约一半频谱和节省功率的优点。但是付出的代价是设备制作非常困难。为了解决这个问题，可以采用残留边带调制（VSB）。VSB是介于SSB和DSB之间的一个折中方案。在这种调制中，一个边带绝大部分顺利通过，而另一个边带残留一小部分，如图3-4所示。图2-4 DSB、SSB和VSB信号的频谱如何选择残留边带滤波器的滤波特性使残留边带信号解调后不产生失真呢？为了在接收端不失真地恢复原基带信号，要求残留边带滤波器传输特性必须满足下述条件 （2-13）式中，是基带信号的最高截止角频率。 第三章、线性调制的MATLAB的仿真3.1 AM的程序与仿真% 幅度调制 AM 信号输出和功率谱 程序清单dt=0.001; %时间采样频谱fmax=1; %信源最高频谱fc=10; %载波中心频率T=5; %信号时长N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);f,Xf=FFT_SHIFT(t,s_am); %调制信号频谱PSD=(abs(Xf).2)/T; %调制信号功率谱密度figure(1)subplot(211);plot(t,s_am);hold on; %画出AM信号波形plot(t,A+mt,r-); %表示AM包络title(AM调制信号及其包络);xlabel(t);subplot(212); %画出功率谱图形plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(PSD);title(AM信号功率谱);xlabel(f);% 调用函数function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals 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 spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);图3-1 AM调制信号及其包络和频谱3.2 DSB的程序与仿真%幅度调制DSB信号输出和功率谱 程序清单dt=0.001; %时间采样频谱fmax=1; %信源最高频谱fc=10; %载波中心频率T=5; %信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_dsb); %调制信号频谱PSD=(abs(sf).2)/T; %调制信号功率谱密度figure(1)subplot(211)plot(t,s_dsb);hold on; %画出DSB信号波形plot(t,mt,r-); %标示mt波形title(DSB调制信号及其包络);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(DSB信号功率谱);xlabel(f);% 调用函数function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals 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 spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);图3-2 DSB调制信号及其包络和频谱3.3 SSB的程序与仿真%幅度调制SSB信号输出和功率谱 程序清单dt=0.001; %时间采样频谱fmax=1; %信源最高频谱fc=10; %载波中心频率T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_ssb); %单边带信号频谱PSD=(abs(sf).2)/T; %单便带信号功率谱figure(1)subplot(211)plot(t,s_ssb);hold on; %画出SSB信号波形plot(t,mt,r-); %标示mt 的包络title(SSB调制信号);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(SSB信号功率谱);xlabel(f);% 调用函数function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals 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 spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);图3-2 SSB调制信号及其包络和频谱3.4 VSB的程序与仿真%幅度调制 VSB 信号输出和功率谱 程序清单% Signaldt=0.001;fmax=5;fc=20;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 modulations_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 Densityf,sf=FFT_SHIFT(t,s_vsb);PSD=(abs(sf).2)/T;% Plot VSB and PSDfigure(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);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(VSB信号功率谱);xlabel(f);% 调用函数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 datadf=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);% 调用函数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;Sf=fftshift(Sf);st=fmax*ifft(Sf);st=real(st);图3-4 VSB调制信号及其包络和频谱第四章、总结通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目，课本相结合的能力。既让我们懂得了怎么样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎么样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的新知识，于是图书馆和计算机网络成了我们很好的助手，在查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总遇到这样或者那样的问题，这时我们要耐心地解决它，为以后的工作设计积累经验。在实际操作中不断熟练。通过这次的课程设计，我觉得最大的收获就是既了解了噪声对信号传输的影响，又回顾了MATLAB的相关知识。在代码的编制过程中 ,我分了三步走。第一步，了解调制的基本原理，使得我在做的过程中有基本的理论基础；第二步，对信号进行调制，采用的方法是将信号乘以一个相干载波；第三步，进行MATLAB程序的编译及程序的仿真，进行深层次的研究。虽然有函数可以直接实现这个功能，但我们都没有用，而是自己动手设计。我的基本思路是由低通滤波器的频域特性，通过傅里叶逆变换，得到低通滤波器的时域表达式，进而通过频域和时域的对称性，得到解调信号，通过仿真可直观的看出解调信号和原信号的波形。其次，在这次课程设计中，我第一次明白了零点的重要性。尤其是在一个自变量作为分母时，必须加上任意一个无穷小数，使其跨过零点。而且，也正是由于这次课程设计，我学会了如何在WORD里面书写一些数学表达式，比如说平均值之类的表示方法。三周的设计，在时间上来说是很短的，可是它恰好可以让我们更明白，其实知识是要适应社会发展，我们要学会的不仅是现在的知识，更重要的是以后我们在短时间内如何获得我们所要的知识。每次课程设计我们都会用到新软件，平时从未听说过，更不用说是学过了、用过了，可是经过几次课程设计我们更适应应急学习应用软件了，也许时间会让我们忘记我们现在所学的知识，可是我们不会忘记这种学习方法和思想。但是，当我刚拿到课题的时候，确实不知道如何下手，觉得什么都知道，可是又不能将其具体化，但是我坚信，老师既然布置了这项任务，就说明我们一定可以实现它，所以我也非常努力的去做，整整花了个上午的时间去调试代码，终于还是功夫不负有心人。世上很多事情，不是因为难以做到，我们才失去信心；相反，是因为我们失去了信心，事情才显得难以做到。是的，我们得承认，我们还很多很多的东西不知道，但我们可以努力，努力可能得到我们想要的，但是不努力一定得不到；优秀的人到处是，努力的人也随时可以看到，我们可以通过努力使自己变得更优秀。努力是希望的代价，希望是努力的动力。在整整三个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献；1 张辉,曹丽娜.现代通信原理.西安电子科技大学出版社.2006.72 王兴亮.数字通信原理与技术 M.西安：西安电子科技大学出版社，20033 刘颖. 数字通信原理与技术 M.北京：北京邮电大学出版社，20024 郭文斌.通信原理-基于Matlab的计算机仿真 M.北京：北京邮电大学出版社，20065 宋兆基、徐流美.MATLAB6.0在科学计算中的应用 M.北京：清华大学出版社，20056 韦岗.通信系统建模与仿真M.北京：电子工业出版社，20077 王志刚 基于软件无线电技术的信号识别与调制解调系统 郑州信息工程大学 2004，38 李进亮. 移动通信100年，移动通信（在线期刊），移动通信国家工程研究院，2002，2.9 苏小妹 微计算机信息J 航空电子技术 2005（21）125-12610 汪浩 软件无线电调制解调系统的仿真与实现 航空电子技术 2005（36）57-5911 张申 软件无线电中的解调调制技术研究 安徽电子技术 2008（4）9-1112 樊昌信等.通信原理M（第1版至第5版）.北京：国防工业出版社，1980-200513 蓝洋 浅述软件无线电中的解调调制理论 南京大学 2008（27）23-2514 宋辉. 通信信号的特征分析、自动识别与参数提取D. 南京理工大学, 2003.15 胡广书. 现代信号处理M. 北京：清华大学出版社, 2004.16 罗明. 数字通信信号的自动识别与参数估计研究D. 西安电子科技大学, 2005.