DSB信号调制与解调的编程及实现

四川师范大学成都学院高级语言程序课程设计DSB信号调制与解调的编程与实现学生#毛 月学 号2012101195所在学院通信工程学院专业名称移动通信班 级2012级移动通信1班指导教师倪 磊成 绩四川师范大学成都学院二一四年十二月.课程设计任务书学生#毛月学生学号2012101195学生专业通信工程学生班级移动通信一班指导教师倪磊职称讲师发题日期2014年10月1 5日完成日期2014年12月19日设计题目DSB信号调制与解调的编程与实现设计目的：此次设计的目的是实现DSB调制与解调.通过查找多方资料来理解DSB的调制与解调过程与在MATLAB中的实现方法.通过这次课程设计,使同学认识和理解通信系统,掌握信号是怎样经过发端处理、被送入信道、然后在接收端还原.具体任务与要求：第一章：课程设计目的第二章：对于DSB的介绍,如DSB的一些种类；调制解调的一些方法,；带信号的特点.第三章：DSB设计原理.包括调解原理；解调的实现.第四章：写出相关的程序语句.对图进行分析.第五章：总结课程设计进度安排：序号内容安排时间1选题2014.102查找资料完成课程设计2014.113编写程序与实现2014.114提交初稿2014.125提交终稿2014.12课程设计参考文献：1 葛哲学等编 .MATLAB时频分析技术与其应用.人民邮电.2007年2 葛哲学编.精通MATLAB.电子工业.2008年3樊昌信等编.通信原理.国防工业.2007年4陈怀琛编. 数字信号处理教程:MATLAB释义与实现.2008年指导教师签字院长审核签字DSB信号调制与解调的编程与实现内容摘要：调制在通信系统中有十分重要的作用.通过调制,不仅可以进行频谱搬移,把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号,而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响,调制方式往往决定了一个通信系统的性能.本课题利用MATLAB软件对DSB调制解调系统进行模拟仿真,分别利用300HZ正弦波和矩形波,对30KHZ正弦波进行调制,观察调制信号、已调信号和解调信号的波形和频谱分布,并在解调时引入高斯白噪声,对解调前后信号进行信噪比的对比分析,估计DSB调制解调系统的性能.关键词：DSB 调制 解调 MATLABThe Realization of DoubleSide Band Modulation andDemodulationAbstract：Modulation in munication systems have an important role. Through the modulation, not only can move the spectrum, the modulated signal spectrum move to the desired position, which will convert into a modulated signal suitable for transmission of modulated signals, and that its transmission system, the effectiveness and reliability of transmission has a great impact, the modulation method is often decided on a munication system performance. This topic using MATLAB software DSB modulation and demodulation system simulation, use, respectively, 300HZ sine wave and rectangular wave, sine wave modulation of the 30KHZ observed modulated signal modulated signal and demodulate the signal waveform and spectrum distribution, and in the solution white Gaussian noise introduced when adjusted for demodulating the signal-noise ratio before and after the parative analysis, it is estimated DSB modulation and demodulation performance of the system.Keywords：Double sidebandModulation Demodulation MATLAB目录前言11 DSB调制与解调原理11.1 DSB调制原理11.2 DSB解调原理与抗噪性能31.3高斯白噪声信道特性分析52 DSB调制解调分析的MATLAB实现52.1 MATLAB编程分析52.2 正弦波调制与结果分析62.3 高斯白噪声解调结果分析113结束语12附录13附录1：正弦波调制的MATLAB源程序13参考文献16.DSB信号调制与解调的编程与实现前言本次课程设计是对通信原理课程理论和实验的综合和总结.这次是DSB调制与解调.将通过多方搜索资料与分析,来理解DSB的调制与解调过程和它在MATLAB中的实现方法.通过这次课程设计,认识和理解通信系统,掌握信号是怎样经过发端处理、被送入信道、然后在接收端还原.掌握通信原理的基本知识,运用所学的通信仿真的方法实现某种传输系统.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MATLAB的应该用得方式与特色.利用自主的设计过程来锻炼独立思考,分析和解决问题的能力,为今后的自主学习研究提供具有实用性的经验.1DSB调制与解调原理1.1DSB调制原理DSB调制属于幅度调制.幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅,使其按调制信号的规律而变化的过程.设正弦型载波c=Acos,式中：A为载波幅度,为载波角频率.根据调制定义,幅度调制信号已调信号一般可表示为：=Amcos1-1其中,m为基带调制信号.设调制信号m的频谱为M,则由公式1-1不难得到已调信号的频谱：=M+M1-2由以上表示式可见,在波形上,幅度已调信号随基带信号的规律呈正比地变化；在频谱结构上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移.标准振幅就是常规双边带调制,简称调幅AM.假设调制信号m的平均值为0,将其叠加一个直流偏量后与载波相乘,即可形成调幅信号.其时域表达式为:t=mcos1-3式中：为外加的直流分量；m可以是确知信号,也可以是随机信号.若为确知信号,则AM信号的频谱为=+M+M 1-4AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成.AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分.只有边带功率才与调制信号有关,也就是说,载波分量并不携带信息.因此,AM信号的功率利用率比较低.AM调制典型波形和频谱如图1-1所示：图1-1 AM调制典型波形和频谱如果在AM调制模型中将直流去掉,即可得到一种高调制效率的调制方式抑制载波双边带信号,简称双边带信号.其时域表达式为=mcos.式中,假设的平均值为0.DSB的频谱与AM的谱相近,只是没有了在处的函数,即=M+M1-5其典型波形和频谱如图1-2所示：图1-2 DSB调制典型波形和频谱与AM信号比较,因为不存在载波分量,DSB信号的调制效率是100,即全部效率都用于信息传输.1.2DSB解调原理与抗噪性能解调是调制的逆过程,其作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号即调制信号.解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调包络检波.相干解调,也称同步检波,为了无失真地恢复原基带信号,接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步同频同相的本地载波称为相干载波,它与接受的已调信号相乘后,经低通滤波器取出低频分量,即可得到原始的基带调制信号.包络检波器就是直接从已调波的幅度中提取原调制信号,通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成.由于DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致,因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号.DSB信号解调时需采用相干解调.DSB相干解调性能分析模型如图1-3所示：图1-3 DSB相干解调性能分析模型设解调器输入信号为= mcos,与相干载波cos相乘后,得mt=m+mcos1-6经低通滤波器后,输出信号为:=m1-7因此,解调器输出端的有用信号功率为=1-8解调DSB信号时,接收机中的带通滤波器的中心频率与调制频率相同,因此解调器输入端的窄带噪声=cos-sin,它与相干载波cos相乘后,得 cos=+cos-sin1-9经低通滤波器后,解调器最终输出噪声为=1-10故输出噪声功率为=B1-11式中,B=2,为DSB的带通滤波器的带宽,为噪声单边功率谱密度.解调器输入信号平均功率为=1-12可得解调器的输入信噪比=,解调器的输出信噪比=因此制度增益为=2,也就是说,DSB信号的解调器使信噪比改善一倍.1.3高斯白噪声信道特性分析在实际信号传输过程中,通信系统不可避免的会遇到噪声,例如自然界中的各种电磁波噪声和设备本身产生的热噪声、散粒噪声等,它们很难被预测.而且大部分噪声为随机的高斯白噪声,所以在设计时引入噪声,才能够真正模拟实际#号传输所遇到的问题,进而思考怎样才能在接受端更好地恢复基带信号.信道加性噪声主要取决于起伏噪声,而起伏噪声又可视为高斯白噪声,因此我在此环节将对双边带信号添加高斯白噪声来观察噪声对解调的影响情况. 为了具体而全面地了解噪声的影响问题,我将分别引入大噪声信噪比为20dB与小噪声信噪比为2dB作用于双边带信号,再分别对它们进行解调,观察解调后的信号受到了怎样的影响. 正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为 wq=+ 1-13故其有用信号功率为1-14噪声功率为s=1-15信噪比S /N 满足公式=1-16则可得到公式= 1-17我们可以通过这个公式方便的设置高斯白噪声的方差.2 DSB调制解调分析的MATLAB实现2.1 MATLAB编程分析信号DSB调制采用MATLAB函数modulate实现,其函数格式为：Y = MODULATEX为基带调制信号,Fc为载波频率,Fs为抽样频率,METHOD为调制方式选择,DSB调制时为am,OPT在DSB调制时可不选,Fs需满足Fs 2*Fc + BW,BW为调制信号带宽.DSB信号解调采用MATLAB函数demod实现,其函数使用格式为：X = DEMODY为DSB已调信号,Fc为载波频率,Fs为抽样频率,METHOD为解调方式选择,DSB解调时为am,OPT在DSB调制时可不选.观察信号频谱需对信号进行傅里叶变换,采用MATLAB函数fft实现,其函数常使用格式为：Y=FFT,X为时域函数,N为傅里叶变换点数选择,一般取值.频域变换后,对频域函数取模,格式：Y1=ABS,再进行频率转换,转换方法：f=0:length-1*Fs/length分析解调器的抗噪性能时,在输入端加入高斯白噪声,采用MATLAB函数awgn实现,其函数使用格式为：Y =AWGN,加高斯白噪声于X中,SNR为信噪比,单位为dB,其值在假设X的功率为0dBM的情况下确定.信号的信噪比为信号中有用的信号功率与噪声功率的比值,根据信号功率定义,采用MATLAB函数var实现,其函数常使用格式为：Y =VAR,返回向量的方差,则信噪比为:SNR=VAR/VAR.绘制曲线采用MATLAB函数plot实现,其函数常使用格式：PLOTX,Y,X为横轴变量,Y为纵轴变量,坐标范围限定AXIS,轴线说明XLABEL和YLABEL.2.2 正弦波调制与结果分析用频率300HZ正弦波调制频率30KHZ的正弦波,采用同步解调,观察调制信号、已调信号、解调信号的波形、频谱以与解调器输入输出信噪比的关系.MATLAB源程序参照附录1.以下是DSB信号调制与解调在MATLAB中的实现结果：在MATLAB中实现DSB解调的仿真就是基于以上的程序和参数设定,运行调用了plot函数的M文件,可以分别得出解调前后的频域与时域对比图,比较结果如图所示：图2-1调制信号、已调信号的波形、频谱图解调信号的波形、频谱如图2-2所示：图2-2解调信号的波形、频谱图由图2-2可以看出,解调信号能够基本还原原始基带信号,只有少许失真,可见解调过程较为成功.对于失真接问题接下来将会进行具体分析.为了更好分析解调的结果,还必须将时域图与频域图进行比较,通过观察频域图能够更为直观的了解信号的频率分布,借此来讨论滤波器的作用特性.观察各波形和频谱,在波形上,已调信号的幅度随基带信号的规律呈正比地变化；在频谱结构上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移,若调制信号频率为,载波频率,调制后信号频率搬移至处.由于在理论上,解调过程可以完全恢复基带信号,但实际中仍然会产生少许失真,故失真的原因可以从参数的设置上入手找寻.在解调过程中,相乘器是严格按照数学关系运算的,不会产生误差,失真的产生因该在低通滤波器环节.为了探究低通滤波器的设置对解调的影响,将滤波器的频率f分别设为50Hz和700Hz进行比较,根据结果来判断原因.首先选f=700Hz,实际得出的结果如图2-3和图2-4：图2-3 f=700时调制信号、已调信号的波形、频谱图解调信号的波形、频谱如图2-4所示：图2-4 f=700时解调信号的波形、频谱图从时域比较图中可以明显看出解调信号严重失真,还保留着载波信号的频率变化；而频谱图中,解调信号频谱与基带信号频谱存在巨大差异.接下来将截止频率f设为50Hz,观察在f较低的情况下的解调输出结果.此时,fl远远小于2fc,不存在无法滤除高频分量的问题,不会产生上一种情况的错误.通过分析这种情况下的结果可以得出低截止频率对解调的影响.在f=400Hz时得出的时域和频域解调结果对比如图2-5和2-6所示：图2-5 f=50时调制信号、已调信号的波形、频谱图解调信号的波形、频谱如图2-6所示：图2-6 f=50时解调信号的波形、频谱图由时域比较图中可以清晰地看出解调信号能够保持平滑的余弦波形,但幅度小了将近一倍,且两端的幅度明显小于中间.由此可以估计出一种可能性：基带信号的一部分丢失了,解调信号只是原基带信号的一部分.因此才会造成幅度下降的结果.频谱对比图很好地验证了这种可能性.观察发现解调信号的频谱被滤去频率大于400Hz的部分之后,虽然保持了原基带信号的主体部分,但两边的分量已经全部滤除.这就是问题所在.两边的分量也占据了一定的比重,滤除的越多,原基带信号损失的部分也越多,就如时域图中所示.幅度减小的原因就在于此.通过在f=50Hz时对解调信号频域和时域的观察,可以得出结论：f较低时,在滤去高频2 分量的同时,也会连带去除基带信号中的一部分.因此为了保全基带信号的完整性,f不宜过低.综上所述,截止频率f过高时会导致高频2 分量无法滤除；而f较低,又会使得基带信号有部分被滤去.经过调整分析,认为f应该在能够滤去2 分量的情况下,尽可能高一点.这样就能保证基带信号被滤去的部分减到最少.所以开始所设的f=500Hz是一个较为合适的值,解调结果也很接近基带信号.2.3 高斯白噪声解调结果分析为了便于比较,先显示了下边带信号加入两种噪声后的波形图,再将叠加大噪声后的解调信号以与叠加小噪声后的解调信号放在一起,分别比较.图2-7不同信噪比的噪声图2-8不同信噪比解调波形可以清晰地看出,加大噪声后,解调信号的波形杂乱无章,起伏远大于加小噪声时的波形. 造成此现象的原因是当信噪比较小时,噪声的功率在解调信号中所占比重较大,所以会造成杂波较多的情况；而信噪比很大时,噪声的功率在解调信号中所占比重就很小了,噪声部分造成的杂乱波形相对就不是很明显,甚至可以忽略.综上所述,叠加噪声会造成解调信号的失真,信噪比越小,失真程度越大.所以当信噪比低于一定大小时,会给解调信号带来严重的失真,导致接收端无法正确地接收有用信号.所以在解调的实际应用中,应该尽量减少噪声的产生.图2-9输入输出信噪比关系曲线通过在已调信号中加入高斯白噪声,通过解调器解调,根据对输入输出信噪比关系曲线绘制观察,在理想情况下,输出信噪比为输入信噪比的二倍,即DSB信号的解调器使信噪比改善一倍；不同的调制信号对系统性能有一定的影响.3结束语通过此次MATLAB课程设计,我掌握了运用MATLAB进行信号处理和分析的基本内容和方法,加强了我对MATLAB软件的应用能力.提高自己的基础理论知识、基本动手能力,提高人才培养的基本素质,并帮助我们掌握基本的文献检索和文献阅读的方法,同时提高我们正确地撰写论文的基本能力.在课程设计过程中,着重研究了DSB信号调制与解调原理和MATLAB模拟实现,熟悉了信号波形、频谱的和系统性能的分析方法,了解了数字滤波器的设计与使用方法,综合提高了自己的专业技能.附录附录1：正弦波调制的MATLAB源程序Fs=100000; %抽样频率 Fc=30000; %载波频率N=1000; %FFT长度n=0:N-1;t=n/Fs; %截止时间和步长x=a*sin; %基带调制信号 y=modulate; %抑制双边带振幅调制yn=awgn; %加入高斯白噪声yn1=awgn;yn2=awgn;yn3=awgn;yn4=awgn;y1=demod; %无噪声已调信号解调yyn=demod; %加噪声已调信号解调yyn1=demod;yyn2=demod;yyn3=demod;yyn4=demod;dy1=yn-y; %高斯白噪声snr1=var/var; %输入信噪比dy2=yyn-y1; %解调后噪声snr2=var/var; %输出信噪比 dy11=yn1-y; snr11=var/var; dy21=yyn1-y1; snr21=var/var; dy12=yn2-y; snr12=var/var; dy22=yyn2-y1; snr22=var/var; dy13=yn3-y; snr13=var/var; dy23=yyn3-y1; snr23=var/var; dy14=yn4-y; snr14=var/var; dy24=yyn4-y1; snr24=var/var; in=snr1,snr11,snr12,snr13,snr14; out=snr2,snr21,snr22,snr23,snr24;ff1=fft; %傅里叶变换mag1=abs; %取模f1=0:length-1*Fs/length; %频率转换ff2=fft;mag2=abs;f2=0:length-1*Fs/length;ff3=fft;mag3=abs;f3=0:length-1*Fs/length;figure;subplot %绘制曲线plotxlabelsubplotplotaxisxlabelsubplotplotxlabelsubplotplotaxisxlabelfigure;subplotplotxlabelsubplotplotaxisxlabelsubplotplotxlabelfigure;plothold onplotxlabelylabel参考文献1 葛哲学等编 .MATLAB时频分析技术与其应用.人民邮电.2007年2 葛哲学编.精通MATLAB.电子工业.2008年3 樊昌信等编.通信原理.国防工业.2007年4 陈怀琛编. 数字信号处理教程:MATLAB释义与实现.2008年成绩评定表学生#毛月学生学号2012101195学生专业通信工程学生班级移动通信一班指导教师倪磊职称讲师设计题目DSB信号调制与解调的编程与实现评语评定成绩等级分数指导教师签字： 年 月 日说明：分数采用百分制,相应的等级为：优：90100：良：8089；中：7079；与格：6069；不与格：60分以下.