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模拟线性调制系统


课 程 设 计 报 告

课程设计名称: 系 :

通信系统原理 三 系 刘亮 13 通信工程 2 班 20130306221

学 生 姓 名 : 班 学 成 级: 号: 绩:


指 导 教 师:



开 课 时 间:2015-2016 学年 一 学期

一、 设计任务书............................................................................................................................. 3 二、 课程设计选题......................................................................................................................... 5 三、具体要求................................................................................................................................... 5 四、进度安排及成绩评定............................................................................................................... 6 五、课程设计内容........................................................................................................................... 6 5.1 普通调幅(AM)................................................................................................................ 6 5.1.1 AM 信号调制 .......................................................................................................... 6 5.1.2 AM 信号波形特点 .................................................................................................. 7 5.1.3 AM 信号解调 .......................................................................................................... 7 5.2 双边带调制(DSB) .......................................................................................................... 8 5.2.1 DSB 信号调制 ........................................................................................................ 8 5.2.2 DSB 信号解调: .................................................................................................... 8 5.2.3 DSB 信号的特点: ................................................................................................ 9 5.3 单边带调制(SSB) .......................................................................................................... 9 5.3.1 SSB 信号调制: .................................................................................................... 9 5.3.2 SSB 信号解调: .................................................................................................. 10 5.4 普通调频(FM).............................................................................................................. 11 5.4.1 FM 信号的调制 .................................................................................................... 11 5.4.2 FM 信号解调: .................................................................................................... 11 5.5.MATLAB 仿真及程序调制 ............................................................................................... 12 5.5.1 AM 波形仿真 ........................................................................................................ 12 5.5.2 DSB 波形仿真 ...................................................................................................... 13 5.5.3 SSB 波形仿真 ...................................................................................................... 14 5.5.4 FM 波形仿真 ........................................................................................................ 15 六、 运行程序过程中产生的问题及采取的措施 ....................................................................... 16 七、总结和展望............................................................................................................................. 17 八、 参考文献 17

一、 设计任务书
1、模拟调制系统的设计与性能分析 2、信源编码系统的设计;

题 目

3、二进制数字调制与解调系统的设计 4、数字基带传输系统设计 5、基于 MATLAB 的语音信号采集与处理 本课程是为电子信息工程专业本科生开设的必修课,结合学生的专业方向的理论课

课 程 设 计 目 的

程,充分发挥学生的主动性,使学生掌握应用 MATLAB 或者 SYSTEMVIEW 等仿真软 件建立通信系统,巩固理论课程内容,规范文档的建立,培养学生的创新能力,并能够 运用其所学知识进行综合的设计。 通信原理的课程设计是对通信系统仿真软件、课程学习的综合检验,配合理论课的 教学,让学生亲自参加设计、仿真、验证通信系统的一般原理、调制解调原理、信号传 输及受噪声影响等方面的知识点。

选题一:模拟调制系统的设计与性能分析
(1)AM 信号的调制解调与性能分析; (2)DSB 信号的调制解调与性能分析; (3)SSB 信号的调制解调与性能分析; (4)FM 信号的调制解调与性能分析。 课 程 设 计 的 主 要 内 容 和 要 求

选题二:信源编码系统的设计;
(1)PCM 编码的压缩和扩张原理; (2)A 压缩律和μ 压缩律; (3)增量调制; (4)PCM的8位编码C1C2C3C4C5C6C7C8。

选题三:二进制数字调制与解调系统的设计
(1)设计一个2ASK数字调制器; (2)设计一个2FSK数字调制器; (3)设计一个2PSK数字调制器; (4)设计一个2DPSK数字调制器。 选题四:数字基带传输系统设计 (1)数字基带传输系统,理想信道和非理想信道的系统设计; (2)设计基带信号的常见波形; (3)设计基带信号的常用码型; (4)眼图。

选题五:基于 MATLAB 的语音信号采集与处理 (1)语音信号的采集与分析。 (2)滤波器的设置,对噪声的滤除。 (3)语音信号的还原。

课 程 设 度 计 安 的 排 工 作 进

17周的时间安排: 星期一 图书馆查阅资料,确定选题和软件,思考总体设计方案 星期二 熟悉软件的编程环境,总体设计方案的确定与设计 星期三 各部分的具体实现, 星期四 程序调试并程序注释 星期五 整理完成设计报告,答辩,打印并上交 1、考核:总成绩由平时成绩(课堂出勤)、设计成绩(课堂表现)和设计报告成 绩三部分组成。 2、方法: 学生需提交以下材料: ( 1)《课程设计报告》纸质稿; ( 2)《课程设计报告》电子稿; ( 3) 相关的程序包 教师需提交以下材料: 课堂考勤、课堂检查任务完成情况与答辩记录作为平时成绩(课堂出勤)、设

成 绩 评 定 办 法

计成绩(课堂表现)的评定依据。 3、评定: 各部分所占的比例如下: (1)平时成绩(课堂考勤):15%; 无故旷课一次,平时成绩减半;无故旷课两次平时成绩为 0 分,无故旷课三次总成 绩为 0 分。迟到早退 15 分钟按旷课处理; (2)设计成绩(课堂表现):25%; (3)设计报告成绩:按照提交报告的质量给出相应的成绩。 《课程设计报告》纸质稿:格式规范 5%+内容完整 5%+行文清晰 5%+逻辑连贯 5%+ 独立完成 10%; 《课程设计报告》电子稿15%; 相关的程序包 :程序完整 10%+可运行出结果 ,且结果合理 5%。 注意:利用 MATLAB、SystemView、C 等语言进行,软件不限。

1.《通信原理》樊昌信 曹丽娜

国防工业出版社

主 要 参 考 书

2.《现代通信系统分析与仿真—matlab 通信工具箱》李建新等西安电子科技大学出版社 3.《数字信号处理教程——matlab 释义与实现》陈怀琛 电子工业出版社 4.《现代通信系统——使用 matlab》约翰-G-普罗克斯 西安交通大学出版社 5.《MATLAB 通信工程仿真》张德丰 机械工业出版社 6.《MATLAB/SIMULINK 通信系统建模与仿真实例分析》邵玉斌 清华大学出版社

教 研 室 意 见 系 ( 部 ) 意 见

教研室主任(签字): 年 月 日

系主任(签字): 年 月 日

二、 课程设计选题
选题一:模拟调制系统的设计与性能分析
(1)AM 信号的调制解调与性能分析; (2)DSB 信号的调制解调与性能分析; (3)SSB 信号的调制解调与性能分析; (4)FM 信号的调制解调与性能分析。

三、具体要求
a. 设计具体部分:仿真出 AM 信号的波形、分析其频谱、带宽、平均功率,计算调制 效率、解调方法,性能评价; b. 仿真出 DSB 信号的波形、 分析其频谱、带宽、平均功率,计算调制效率、解调方法, 性能评价; c. 仿真出 SSB 信号的波形、 分析其频谱、带宽、平均功率,计算调制效率、解调方法, 性能评价; d. 仿真出 FM 信号的波形、分析其频谱、带宽、平均功率,计算调制效率、解调方法, 性能评价;

四、进度安排及成绩评定
课程设计从第17周开始: 星期一 图书馆查阅资料,确定选题和软件,思考总体设计方案 星期二 熟悉软件的编程环境,总体设计方案的确定与设计 星期三 各部分的具体实现, 星期四 程序调试并程序注释 星期五 整理完成设计报告,答辩,打印并上交 成绩评定根据课程设计任务书中的成 绩 评 定 办 法 执 行 。

五、课程设计内容
课程设计题目:模拟调制系统的设计与性能分析 5.1 普通调幅(AM)
5.1.1 AM 信号调制
设调制信号 m(t)叠加直流分量 A 后与载波相乘, 滤波器为全通滤波器, 就形成了 AM (调 幅)信号。 AM 调制器模型如下图所示。

图 2.1 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 )

(5-1)

1 s AM (t ) ? ? Ao [? ( w ? wc) ? ? ( w ? wc)] ? [ M ( w ? wc) ? M ( w ? wc)] 2


(5-2)

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,但通常认为其平均 值为 0,即 m (t ) ? 0 。 AM 信号的典型波形和频谱分别如下图 5.2 所示,图中假定调制信号 m(t)的上限频率为

w

H

。显然,调制信号 m(t)的带宽为 B m ? f H 。

图 5.2 AM 信号的典型波形和频谱图 由图 5.2 可见,AM 信号波形的包络与输入基带信号 m(t)成正比,故用包络检波的方法 很容易恢复原始调制信号。 但为了保证包络检波时不发生失真,必须满足 Ao ? m ( t ) max ,否 则将出现过调幅现象而带来失真。

5.1.2 AM 信号波形特点
由它的频谱图可知,AM 信号的频谱

s

AM

(t ) 是由载频分量和上、下两个边带组成(通常

称频谱中画斜线的部分为上边带,不画斜线的部分为下边带)。上边带的频谱与原调制信号 的频谱结构相同,下边带是上边带的镜像。显然,无论是上边带还是下边带,都含有原调制 信号的完整信息。故 AM 信号是带有载波的双边带信号,它的带宽为基带信号带宽的两倍, 即 B AM ? 2 B m ? 2 f H 式中, B m ? f H 为调制信号 m(t)的带宽, f 频率。 调制效率最大为三分之一,为载波功率/平均功率。平均功率为 s_am 的均方值。
H

为调制信号的最高

5.1.3 AM 信号解调
调制过程的逆过程叫做解调。 AM 信号的解调是把接收到的已调信号 号 。 AM 信号的解调方法有两种:相干解调和包络检波解调。 还原为调制信

5.2 双边带调制(DSB)
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。

5.2.1 DSB 信号调制
DSB 调制器模型如图 5.3 所示。可见 DSB 信号实质上就是基带信号与载波直接相乘,其 时域和频域表示式分别为

图 5.3 DSB 调制模型器图

s DSB (t ) ? m(t ) cos wc
s DSB (t ) ? 1 [ M ( w ? wc) ? M ( w ? wc)] 2

(5-3) (5-4)

可见 ,DSB 信号的包络不再与 m(t)成正比,故不能进行包络检波,需采用相干解调; 除不再含有载频分量离散谱外,DSB 信号的频谱与 AM 信号的完全相同,仍由上下对称的两 个边带组成。故 DSB 信号是不带载波的双边带信号,它的带宽与 AM 信号相同,也为基带信 号带宽的两倍, 即

BDSB ? B AM ? 2 B m ? 2 f H
式中, B m ? f H 为调制信号带宽, f
H

(5-5)

为调制信号的最高频率。

5.2.2 DSB 信号解调:
DSB 信号只能运用相干解调,其模型与 AM 信号相干解调时完全相同,如图 5.3 所示。 此时,乘法器输出

s DSB (t ) * cos wc t ? m(t ) cos 2 wc ?
经低通滤波器滤除高次项,得

1 1 m(t ) ? m(t ) cos 2 wc t 2 2

(5-6)

mo (t ) ?

1 m(t ) 2

(5-7)

即无失真地恢复出原始电信号。 抑制载波的双边带幅度调制的好处是, 节省了载波发射 功率, 调制效率高; 调制电路简单, 仅用一个乘法器就可实现。 缺点是占用频带宽度比较宽, 为基带信号的 2 倍。

5.2.3 DSB 信号的特点:
1、由时间波形可知,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,需采用相干解调(同步检波)。 2、在调制信号 m(t)的过零点处,高频载波相位有 180°的突变。 3、由频谱图可知,DSB 信号节省了载波功率,功率利用率提高了,但它的频带宽度仍 是调制信号带宽的两倍,与 AM 信号带宽相同。调制效率为 100%,由于 DSB 信号的上、下两 个边带是完全对称的,它们都携带了调制信号的全部信息,因此仅传输其中一个边带即可, 这就是单边带调制能解决的问题

5.3 单边带调制(SSB)
由于 DSB 信号的上、下两个边带是完全对称的,皆携带了调制信号的全部信息,因此, 从信息传输的角度来考虑,仅传输其中一个边带就够了。这就又演变出另一种新的调制方 式――单边带调制(SSB)。

5.3.1 SSB 信号调制:
产生 SSB 信号的方法很多,其中最基本的方法有滤波法和相移法。 (1)用滤波法形成 SSB 信号 用滤波法实现单边带调制的原理图如图所示,图中的 H SSB ( w) 为单边带滤波器。产生 SSB 信号最直观方法的是,将 H SSB ( w) 设计成具有理想高通特性 H H (w) 或理想低通特性

H L ( w) 的单边带滤波器,从而只让所需的一个边带通过,而滤除另一个边带。产生上边带
信号时 H SSB ( w) 即为 H H (w) ,产生下边带信号时 H SSB ( w) 即为 H L ( w) 。显然,SSB 信号 的频谱可表示为

1 (2-8) S SSB ( w) ? S DSB ( w) H SSB ( w) ? [ M ( w ? wc) ? M ( w ? wc)] H SSB ( w) 2

图 5.4 SSB 信号的滤波法产生 用滤波法实现 SSB 信号,原理框图简洁、直观,但存在的一个重要问题是单边带滤波器 不易制作。这是因为,理想特性的滤波器是不可能做到的,实际滤波器从通带到阻带总有一 个过渡带。 滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关, 过渡带的归一化值愈小, 分割上、下边带就愈难实现。而一般调制信号都具有丰富的低频成分,经过调制后得到的 DSB 信号的上、下边带之间的间隔很窄,要想通过一个边带而滤除另一个,要求单边带滤波 器在 附近具有陡峭的截止特性――即很小的过渡带,这就使得滤波器的设计与制作很困 难,有时甚至难以实现。为此,实际中往往采用多级调制的办法,目的在于降低每一级的过 渡带归一化值,减小实现难度。 可以证明,SSB 信号的时域表示式为

1 1 ? S SSB (t ) ? m(t ) cos wc t ? m(t ) cos wc t (5-9) 2 2
表示把 的所有频率成分
? m(t )

式中,“-”对应上边带信号,“+”对应下边带信号; 均相移称 m(t ) 是

?

?

2

的希尔伯特变换。

根据上式可得到用相移法形成 SSB 信号,如图 5.5 所示。图中, H k (w) 为希尔伯特滤 波器,它实质上是一个宽带相移网络,对 m(t ) 中的任意频率分量均相移。

图 5.5 相移法形成 SSB 信号的模型 相移法形成 SSB 信号的困难在于宽带相移网络的制作, 该网络要对调制信号的所有频率分量 严格相移 ,这一点即使近似达到也是困难的。

5.3.2 SSB 信号解调:
从 SSB 信号调制原理图中不难看出,SSB 信号的包络不再与调制信号 SSB 信号的解调也不能采用简单的包络检波,需采用相干解调。 成正比,因此

此时,乘法器输出

? (2-10) 1 ( t ) ? * cos t ? [ m ( t ) cos ? m (t ) sin wc t ] cos wc t sp S SSB wc wc 2 经低通滤波后的解调输出为 1 1 1 ? ? m(t ) ? m(t ) cos 2 wc t ? m(t ) sin 2 wc1 t (t ) ? m(t ) 4 4 4
mo 4

(5-11)

综上所述,单边带幅度调制的好处是,节省了载波发射功率,调制效率高;频带宽度只 有双边带的一半,频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大 SSB 信号的实现比 AM、DSB 要复杂,但 SSB 调制方式在传输信息时,不仅可节省发射功 率,而且它所占用的频带宽度为,比 AM、DSB 减少了一半,调制效率为 100%。HSSBfB=SSB 调制已成为短波通信中一种重要的调制方式。SSB 信号的解调和 DSB 一样,不能采用简单的 包络检波,因为 SSB 信号也是抑制载波的已调信号,其包络不能直接反映调制信号的变化, 所以能需采用相干解调。

5.4 普通调频(FM)
5.4.1 FM 信号的调制
在调制时, 调制信号的频率去控制载波的频率的变化, 载波的瞬时频偏随调制信号 m(t ) 成正比例变化,即

d? (t ) ? Kfm(t ) dt
式中, Kf 为调频灵敏度( rad 这时相位偏移为

(5-12)

(s ? V )

)。

? (t ) ? Kf ? m(? )d?
则可得到调频信号为

(5-13)

? sFM (t ) ? A cos ? ??ct ? Kf ? m(? )d? ?
5.4.2 FM 信号解调:

(5-14)

调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅仅适用于窄带调频信号, 且需同步信号,故应用范围受限;而非相干解调不需同步信号,且对于 NBFM 信号和 WBFM 信号均适用,因此是 FM 系统的主要解调方式。在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方

法进行解调。

图 5.7 FM 解调模型 非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成,其方框图如图 2.7 所示。限幅器 输入为已调频信号和噪声, 限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变; 带通滤波 器的作用是用来限制带外噪声, 使调频信号顺利通过。 鉴频器中的微分器把调频信号变成调 幅调频波,然后由包络检波器检出包络,最后通过低通滤波器取出调制信号。 设输入调频信号为

微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为

Sd (t ) ?

dSi (t ) dSFM (t ) ? dt dt
t

? ? ?? c ? Kfm(t )? sin(? ct ? Kf ? m(? )d? )
??

(5-15)

包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为

So(t ) ? Kd ??c ? Km f (t )? ? Kd?c ? KdKm f (t )
5.5.MATLAB 仿真及程序调制
5.5.1 AM 波形仿真
dt=0.001; fm=1; fc=10; T=6; t=0:dt:T %时间采样频谱 %基带频率 %载波频率 %信号时长 %帧中的采样时刻 %基带信号

(5-16)

mt=2*cos(2*pi*fm*t); A=2;

s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); %AM 信号 subplot(2,1,1) plot(t,s_am); title('AM 调制信号') xlabel('t') ylabel('s-am') subplot(2,1,2);F=fft(s_am); %傅里叶变换 plot(abs(F)),grid; %频谱信号 title('AM 调制信号频谱'); xlabel('w') ylabel('s-am(w)') axis([0,100,0,8000]);

5.5.2 DSB 波形仿真
dt=0.001; fm=1; fc=10; T=6; t=0:dt:T; %时间采样频谱 %基带频率 %载波频率 %信号时长 %帧中的采样时刻 %基带信号 %DSB 信号

mt=2*cos(2*pi*fm*t);

s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); subplot(2,1,1) plot(t,s_dsb); title('DSB 调制信号'); xlabel('t');

ylabel('s-dsb') subplot(2,1,2);F=fft(s_dsb); plot(abs(F)),grid; %频谱信号 title('DSB 调制信号频谱'); xlabel('w') ylabel('s-dsb(w)') axis([0,200,0,3000]); %傅里叶变换

5.5.3 SSB 波形仿真
dt=0.001; fm=1; fc=10; T=6; t=0:dt:T; %时间采样频谱 %基带频率 %载波频率 %信号时长 %帧中的采样时刻 %基带信号 %SSB 信号

mt=2*cos(2*pi*fm*t);

s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t)); figure(1) subplot(2,1,1) plot(t,s_ssb); title('SSB 调制信号'); xlabel('t'); ylabel('s-ssb') subplot(2,1,2);F=fft(s_ssb); plot(abs(F)),grid; %频谱信号 title('SSB 调制信号频谱'); %傅里叶变换

xlabel('t') ylabel('s-ssb(w)') axis([0,200,0,8000]);

5.5.4 FM 波形仿真
dt=0.001; t=0:dt:T; fm=1; A=2; %时间采样频谱 %帧中的采样时刻 %基带频率

mt=A*cos(2*pi*fm*t); %基带信号 mti=1/2/pi/fm*sin(2*pi*fm*t); FMt=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*Kf*mti); figure(1); subplot(2,1,1); plot(t,FMt); xlabel('t'); ylabel('FM') title('FM 调制信号'); subplot(2,1,2);F=fft(FMt); plot(abs(F)),grid; %频谱信号 title('FM 调制信号频谱'); xlabel('w') ylabel('FM(w)') axis([0,200,0,2500]); %傅里叶变换 %FM 信号

六、运行程序过程中产生的问题及采取的措施
在 MATLAB 仿真中我最常犯的错误还是粗心导致代码错误,每当我运行时总会发现代码 字母的先后顺序会颠倒,警醒我不能过分追求速度,。同时为了明白希尔伯特变换和傅里叶 变换如何调用我也去网上搜索资料, 从而完成波形和频谱的实现。 频谱起初也因为我个人参 数的设置二没有显现,直到我一步步修改方才显示出来。

七、总结和展望
经过一周充实而又忙碌的课程设计, 我对通信原理这门课程又有了新的认识, 做这个课 程实际开始的时候,由于时间的推移而导致的知识遗忘,使我有点无从下手。所以我重新学 习了一下相关理论知识。虽然花的时间并不算长,但是我明白这是必需的,无论是这次的通 信原理课程设计还是以后的其他工作, 都是一个温故而知新的过程。 只有不断保持一个旺盛 的学习劲头才是一个人成长的不竭动力。 在这次课程设计中,我看到课题时内心有点开心,毕竟实验中我们做过,可以较快的上 手并完成这个设计, 然而在做的时候却发现自己独立做时要考虑各种参数的设置, 我尝试的 调制不同的基带频率和载波频率去观察各种波形, 最终不得不选择实验中所确定, 因为清晰, 美观。 而不是杂成一团。 在设计中遇到的困难我也积极的与同学讨论和上网查阅资料来解决 希尔伯特变换和傅里叶变换改如何实现。 最后终于在自己与同学的不断努力下完成了这个课 程设计。

我对 MATLAB 的相关知识及其应用也有一定的了解,初步了解学习了 MATLAB 编程语言, 从而达到了各类调制解调系统的仿真实现。 这次设计中接触了很多新的知识, 扩展了我的知 识面,更加锻炼了我的动手能力,使我受益匪浅。 本次的课程设计到此暂时结束了,感谢 吴琼老师与同学们的帮助,我受益匪浅。

八、参考文献
[1]. 樊昌信,曹丽娜.《通信原理》.国防工业出版社,2014; [2]. 李建新,刘乃安.《现代通信系统分析与仿真—Matlab 通信工具箱》.西安电子科 技大学出版社,2000; [3]. 陈怀琛.《数字信号处理教程——matlab 释义与实现》.电子工业出版社,2010; [4]. 约翰-G-普罗克斯. 《现代通信系统——使用 matlab》 .西安交通大学出版社,2001; [5]. 张德丰.《MATLAB 通信工程仿真》.机械工业出版社,2010;


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