当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

基于MATLAB模拟调制系统的仿真


1 线性模拟调制
1.1 模拟调制原理
模拟调制是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波,而载波是一个确知的周期性 波形。模拟调制可分为线性调制和非线性调制,本文主要研究线性调制。 线性调制的原理模型如图 1.1 所示。设 c(t)=Acos2 ? f o t ,调制信号为 m(t),已调信号为 s(t)。

s (t )
m

(t) H(t) s(t)

'

A os wo t c 图 1.1 线性调制的远离模型 调制信号 m(t)和载波在乘法器中相乘的结果为: s ' (t ) ? m(t ) A coswo t ,然后通过一个传 输函数为 H(f)的带通滤波器,得出已调信号为。 从图 1.1 中可得已调信号的时域和频域表达式为:

?s(t ) ? [m(t ) cos wo t ] * h(t ) ? ? 1 ?s( f ) ? [ M ( f ? f o) ? M ( f ? f o)]H ( f ) 2 ?
式(1-1)中,M(f)为调制信号 m(t)的频谱。

(1-1)

由于调制信号 m(t)和乘法器输出信号之间是线性关系,所以成为线性调制。带通滤波器 H(f)可以有不同的设计,从而得到不同的调制种类。

1.2 双边带调制 DSB 的基本原理
在幅度调制的一般模型中,若假设滤波器为全通网络,调制信号 m(t)中无直流分量,则 输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号,或称抑制载波双边带(DSB)调制信号, 简称双边带(DSB)信号。 设正弦型载波 c(t)=Acos( t) ,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: (t)=Am(t)cos(
1

t)

(1-2)

其中,m(t)为基带调制信号。 设调制信号 m(t)的频谱为 M( ),则由公式 2-2 不难得到已调信号
A sm (ω ) ? 2 [ M (ω ?ωc ) ? M (ω ?ω c )]

(t)的频谱: (1-3)

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(t)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:

s
式中:

AM

(t ) ? ( A0 ? m(t )) cos(?c t )

(1-4)

为外加的直流分量;m(t)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:

s

(? ) ? ? m

1 [ ? ( ? ? ) ? ? ( ? ? )] ? [ M (? ? ? c) ? M (? ? ? c)] ? ? A0 c c 2

(1-5)

AM 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 调制器模型如下图所示。

图 1.2 AM 调制器模型 AM 信号的时域和频域表达式分别为

s AM (t ) ? [ Ao ? m(t )]cos wc (t ) ? Ao cos wc (t ) ? m(t ) cos wc (t )
1 s AM (t ) ? ? Ao [? ( w ? wc) ? ? ( w ? wc)] ? [ M ( w ? wc) ? M ( w ? wc)] 2
均值为 0,即 m (t ) ? 0 。


(1-6)

(1-7)

式中, Ao 为外加的直流分量;m(t)可以是确知信号也可以是随机信号,但通常认为其平 由频谱可以看出,AM 信号的频谱由载波分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的 频谱结构与原调制信号的频谱结构相同,下边带是上边带的镜像。因此,AM 信号是带有载波 分量的双边带信号,他的带宽是基带信号带宽 f H 的 2 倍,即

B

AM

?2

f

2

H

(1-8) AM 调制典型波形和频谱如图 1-1 所示:

图 1.3AM 调制典型波形和频谱 如果在 AM 调制模型中将直流 A 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(DSB—SC),简称双边带信号。 其时域表达式为

s


DSB

(t ) ? m(t ) cos(?c t )

(1-9)

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±ω 处的函数δ ,

s

m

1 (? ) ? [ M (? ? ? c ) ? M (? ? ? c )] 2

(1-10)

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。但由于 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 信号借条是需采用相干解调,也称同步检波(比包络检波器 复杂得多) 。
3

其典型波形和频谱如图 1-2 所示:
co s? 0 t O t -? c O M(? )

?c

?

m(t) O t -? H O

?H
S DSB (? )

?

sDSB (t) O 载波反相点 t -? c O

2? H

?c

?

图 1.4 DSB 调制典型波形和频谱

1.3 DSB 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 2.5 所示:
n (t) sm (t) 带通 滤波器 sm (t) n i (t) co s?ct 低通 滤波器 mo (t) n o (t)



图 1.5

DSB 相干解调性能分析模型

设解调器输入信号为:

(t)= m(t)cos(
4

t)

(1-11)

与相干载波 cos(

t)相乘后,得
m(t ) cos 2 (? c t ) ?

1 1 m(t ) cos(? c t ) ? m(t ) cos( 2? c t ) 2 2 经低通滤波器后,输出信号为: 1 m0 (t ) ? 2 m(t ) 因此,解调器输出端的有用信号功率为: 1 2 2 s0 ? m0 (t ) ? 4 m (t ) 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

(1-12)

(1-13)

(1-14) 相同,此解调器

输入端的窄带噪声:

n (t) ? n (t) cos(? t) ? n (t) sin(? t)
i c c s c

(1-15)

它与相干载波 cos(

t)相乘后,得:
c

n (t ) cos(?
i

t) ?

1 1 (t ) ? [nc (t ) cos( 2? c t ) ? ns (t ) sin( 2? c t )] n c 2 2

(1-16)

经低通滤波器后,解调器最终输出噪声为: 1 n0 (t ) ? 2 nc (t ) 故输出噪声功率为:
1 2 1 1 nc (t ) ? N i ? n0 B 4 4 4 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 2 s i ? 2 m (t ) 可得解调器的输入信噪比:

(1-17)

N

0

2 ? n0 (t ) ?

(1-18)

(1-19)

S N
解调器的输出信噪比:

i i

1 2 m (t ) ? 2 n0 B
m 2 (t ) n0 B

(1-20)

S N
因此制度增益为:

0 0

?

(1-21)

G

DSB

?

S N S N
0 i

0 i

(1-22)

也就是说,DSB 信号的解调器使信噪比改善一倍。

5

2 DSB 双边带信号的模拟与仿真
2.1 DSB 调制解调分析的 MATLAB 实现
信 号 DSB 调 制 采 用 MATLAB 函 数 modulate 实 现 , 其 函 数 格 式 为 : Y =

MODULATE(X,Fc,Fs,METHOD,OPT) X 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 =

DEMOD(Y,Fc,Fs,METHOD,OPT) Y 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,N),X 为时域函数, N 为傅里叶变换点数选择,一般取值 2'。频域变换后,对频域函数取模,格式:Y1=ABS(Y), 再进行频率转换, 转换方法: f=(0:length(Y)-1)’ *Fs/length(Y) 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(X,SNR), 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(X) ,返回向量的方差,则信噪比 为:SNR=VAR(X1)/VAR(X2)。绘制曲线采用 MATLAB 函数 plot 实现,其函数常使用格式:PLOT (X,Y) ,X 为横轴变量,Y 为纵轴变量,坐标范围限定 AXIS([x1 x2 y1 y2]),轴线说明 XLABEL(‘ ‘)和 YLABEL(‘ ‘)。

程序设计流程图见附录。

2.2 仿真程序
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、频谱以及解调器输入输出信噪比的关系。 编程如下: Fs=100000; Fc=30000; N=1000; %抽样频率 %载波频率 %FFT 长度 %截止时间和步长 %基带调制信号 %抑制双边带振幅调制

n=0:N-1; t=n/Fs; x= sin(2*pi*300*t);

y=modulate(x,Fc,Fs,'am');

6

yn=awgn(y,4); yn1=awgn(y,10); yn2=awgn(y,15); yn3=awgn(y,20); yn4=awgn(y,25); y1=demod(y,Fc,Fs,'am');

%加入高斯白噪声

%无噪声已调信号解调

yyn=demod(yn,30000,Fs,'am'); %加噪声已调信号解调 yyn1=demod(yn1,30000,Fs,'am'); yyn2=demod(yn2,30000,Fs,'am'); yyn3=demod(yn3,30000,Fs,'am'); yyn4=demod(yn4,30000,Fs,'am'); dy1=yn-y; snr1=var(y)/var(dy1); dy2=yyn-y1; snr2=var(y1)/var(dy2); dy11=yn1-y; snr11=var(y)/var(dy11); dy21=yyn1-y1; snr21=var(y1)/var(dy21); dy12=yn2-y; snr12=var(y)/var(dy12); dy22=yyn2-y1; snr22=var(y1)/var(dy22); dy13=yn3-y; snr13=var(y)/var(dy13); dy23=yyn3-y1; snr23=var(y1)/var(dy23); dy14=yn4-y; snr14=var(y)/var(dy14); dy24=yyn4-y1; snr24=var(y1)/var(dy24); in=[snr1,snr11,snr12,snr13,snr14];
7

%高斯白噪声 %输入信噪比 %解调后噪声 %输出信噪比

out=[snr2,snr21,snr22,snr23,snr24]; ff1=fft(x,N); mag1=abs(ff1); %傅里叶变换 %取模

f1=(0:length(ff1)-1)'*Fs/length(ff1); %频率转换 ff2=fft(y,N); mag2=abs(ff2); f2=(0:length(ff2)-1)'*Fs/length(ff2); ff3=fft(y1,N); mag3=abs(ff3); f3=(0:length(ff3)-1)'*Fs/length(ff3); figure(1); subplot(221) plot(t,x) xlabel('调制信号波形') subplot(222) plot(f1,mag1) axis([0 1000 0 1000]) xlabel('调制信号频谱') subplot(223) plot(t,y) xlabel('已调信号波形') subplot(224) plot(f2,mag2) axis([0 40000 0 500]) xlabel('已调信号频谱') figure(2); subplot(311) plot(t,yyn) xlabel('加噪声解调信号波形') subplot(313) plot(f3,mag3) axis([0 1000 0 600]) xlabel('解调信号频谱') subplot(312)
8

%绘制曲线

plot(t,y1) xlabel('无噪声解调信号波形') figure(3); plot(in,out,'*') hold on plot(in,out) xlabel('输入信噪比') ylabel('输出信噪比')

2.3 仿真结果及分析
调用程序 调制信号、已调信号的波形、频谱如图 3.1 所示:

图 2.1 调制信号、已调信号的波形、频谱
9

解调信号的波形、频谱如图 3.2 所示:

图 2.2 解调信号的波形、频谱 通过 MATLAB 对 DSB 调制和解调系统的模拟仿真,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ω ,载波频率ω c ,调制后信号频率搬移至ω ±ω c 处。 DSB 信号的包络与调制信号的波形的变化规律完全相符。因而不能直接采用包络检波恢 复原始信号,只能采用同步解调。 DSB 信号的频谱是基带信号的线性搬移,由上下两个边带分量构成,上下两个边带分量 包含相同的有用信息且关于载频左右对称,DSB 信号的带宽是基带信号最高截止频率的两倍。

10

输入输出信噪比关系曲线如图 2.3 所示:

图 2.3 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;这是因为采用相干解调,使输入噪声中的一个正交分量被消除的缘故。因此,不 同的调制信号对系统性能有一定的影响。

11

4 总结
通过此次通信系统综合训练课程设计, 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。 通过这次课程设计,我明白了:许多细小的环节是注意不到的,而这诸多环节往往影响 你整个系统的正常运转;这可真应验了“细节决定一切”这句话。这一切告诉我做任何事情必 须从全局出发,并且要注意其中的任何一个细节。

12

参考文献
[1].葛哲学等 .MATLAB 时频分析技术及其应用[M].人民邮电出版社.2007 年 [2].葛哲学.精通 MATLAB[M].电子工业出版社.2008 年 [3].樊昌信等.通信原理[M].国防工业出版社.2007 年 [4].陈怀琛. 数字信号处理教程:MATLAB 释义与实现[M].2008 年 [5].李建新 . 现代通信系统分析与仿真—— MATLAB 通信工具箱 [M]. 西安电子科技大学出版 社.2000 [6].刘敏.MATLAB 通信仿真与应用[M].国防工业出版社. [7].曹志刚等著.现代通信原理[M].清华大学出版社.2001.5 [8].吴伟陵等著.移动通信原理[M].电子工业出版社.2005

13

附录

开始

输入 DSB 调制信号

加入白噪声

显示加入白噪声前后的已调信号波形及频谱图

对已调信号解调

显示解调后,加入白噪声前后的解调信号波形及频谱 图

显示输入输出信噪比关系图

结束 程序设计流程图

14


相关文章:
基于MATLAB模拟调制系统的仿真
5 2 DSB 双边带信号的模拟仿真 2.1 DSB 调制解调分析的 MATLAB 实现信 号 DSB 调制采用 MATLAB 函数 modulate 实现,其函数格式为: Y = MODULATE(X,Fc,...
基于MATLAB的模拟调制系统仿真与测试(AM调制)
闽江学院《通信原理设计报告》 题学专组组 目:基于 MATLAB模拟调制系统仿真与测试 院:计算机科学系 业:12 通信工程 长:曾锴(3121102220) 员:薛兰兰(...
利用MATLAB仿真模拟调制系统
利用MATLAB 仿真模拟调制系统 MATLAB 的名称源自 Matrix Laboratory,专门以矩阵形式处理 数据,是目前国际上流行的进行科学研究、工程计算的软件,广泛地 应用于科学计算...
AM模拟调制系统的设计与仿真
最后利用 Matlab 软件仿 真模拟幅度调制系统,实现 AM 调制和相干解调,给出了...此次设计主要进行模拟调至系统的模拟和仿真,最常用和最重要的模拟调制方式是用正...
基于Matlab的模拟通信系统的仿真设计
由于 MATLAB 具有的强大功能 所以详细介绍了 MATLAB 通信系统工具箱,并给出了基于 MATLAB 的通信系统 的调制与解调的实现,运用 MATLAB 仿真软件进行仿真。 第一章...
基于Matlab的AM调制系统仿真
6 基于 matlab 的 AM—DSB 调制系统仿真 (2)将所需类型数字滤波器的边界频率转换成相应的模拟滤波器的边界频 率,转换公式为Ω =2/T tan(0.5ω ) (3)将...
基于Matlab的AM调制系统仿真
基于Matlab的AM调制系统仿真_信息与通信_工程科技_专业资料。高频电子线路--基于...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。 MATLAB 是美国 ...
模拟角度调制系统仿真
模拟角度调制系统仿真_电脑基础知识_IT/计算机_专业资料。附件 1:课程设计报告书...基于MATLAB模拟调制系统... 20页 2下载券 基于MATLAB模拟调制系统... 暂无评价...
模拟调制设计 开题报告
基于 MATLAB模拟线性通信系统可视化设计 [J].河北 软件职业技术学院学报 .2010 本文是采用 MATLAB 语言对模拟通信系统中的线性调制系统进行了仿真,实现了各 种...
模拟调制技术性能比较
模拟调制技术性能比较_信息与通信_工程科技_专业资料。课 题: 模拟调制技术性能...关键字:线性调制 AM调制 DSB调制 SSB调制 MATLAB仿真 一、通信系统仿真设计的...
更多相关标签:
模拟调制系统仿真 | 模拟角度调制系统仿真 | qpsk调制matlab仿真 | 调制 matlab仿真 | 数字调制系统仿真实验 | 2ask系统仿真调制解调 | 4psk调制解调系统仿真 | matlab 模拟调制 |