1、 陕西理工学院课程设计第 0 页 共 15 页引 言随着通信业务的不断发展，频道拥挤的问题日益突出，占用较窄频带或能在同一频段内容纳更多用户的通信技术日渐受到了人们的重视。本次课设的目的是通过学习和掌握电路设计于仿真软件的基础上，按照要求设计一个普通调幅的调制解调电路并进行仿真，综合应用所学知识，为今后的学习和工作积累经验。此外，该题目涵盖了通信原理 、 电路分析 、 模拟电子 、 通信电子线路等主要课程的知识点，学生通过该题目的设计过程，可以初步掌握各种元器件工作原理和电路设计、开发原理，得到系统的训练，提高解决实际问题的能力。实现 SSB 的调制解调系统的设计与仿真。单边带幅度调制（Sin
2、gle Side Band Amplitude Modulation）只传输频带幅度调制信号的一个边带，使用的带宽只有双边带调制信号的一半，具有更高的频率利用率，成为一种广泛使用的调制方式。本文在介绍单边带调制与解调的方法后，利用 Multisim 对单边带调制与解调系统进行了仿真。1 设计方案1.1 设计原理单边带调制是幅度调制中的一种。幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；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。常见的调幅（AM） 、双边带（DSB） 、残留边带（VSB）等调
3、制就是幅度调制的几种典型的实例。单边带调制（SSB）信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。根据滤除方法的不同，产生 SSB 信号的方法有：滤波法和相移法。1.1.1 滤波法单边带调制就是只传送双边带信号中的一个边带（上边带或下边带） 。产生单边带信号最直接、最常用的是滤波法，就是从双边带信号中滤出一个边带信号，图 1.1 是滤波法模型的示意图。图 1.1 滤波法 SSB 信号调制单边带信号的频谱如图 1.2 所示，图中 HSSB（ ）是单边带滤波器的系统函数，即 的)(tHSB傅里叶变换。若保留上边带，则 HSSB（ ）应具有高通特性如图 1.2（ b）所示:(1.1)单边带信号的频谱如
4、图 1.2（ c）所示:若保留下边带，则应具有低通特性如图 1.2（d）所示:(1.2)单边带信号的频谱如图 1.2（e）所示:陕西理工学院课程设计第 1 页 共 15 页图 1.2 滤波法形成单边带信号频谱图1.1.2 相移法单边带信号的时域表达式为：(1.3)(1.4)这里 是 的希尔伯特变换。从表达式可以得到单边带调制信号相移法的一般模型框图,如图 1.3 所示:图 1.3 SSB 移相法模型希尔伯特变换 H（w）及有关特性为：定义 式中 陕西理工学院课程设计第 2 页 共 15 页显然， 信号通过传递函数为 的滤波器，即可得到 。具有传递函数的滤波器称为希尔伯特滤波器。 传递函数的模和
5、相位特性如图 1.4 所示。从图 1.4 可见，希尔伯特滤波器是一个宽带 90 o移相网络，是正交变换网络。图 1.4 希尔伯特滤波器的传递函数1.2 相干解调解调就是把接收到的SSB信号经过处理，滤掉载波成分，使之还原成发射之前的有用的信息。SSB信号的解调方法主要有两种，一个是相干解调法，另一个是包络检波。相干解调也叫同步检波。解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。调制是把基带信号的谱搬到了载频位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。解调则是调制的反过程，即把在载波位置的已调信号的谱搬回到原始基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘来实现。相干解调器的一般模型如图 1.5 所示:图
6、 1.5 相干解调一般模型相干解调时，为了无失真地恢复原基带星信号，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），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带信号。2 系统设计2.1 Simulink 工作环境在 MATLAB 命令窗口，单击工具栏上的 按钮可进入 Simulik。模块库按功能进行分为以下 8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（
7、接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。Simulink 模型库中的仿真模块组织成三级树结构 Simulink 子模型库中包含了 Continous、Discontinus 等下一级模型库 Continous 模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。图 2.1 为 Simulink 工具模块页面陕西理工学院课程设计第 3 页 共 15 页图 2.1 Simulink 工具页面2.2 SSB 信号调制2.2.1 调制模型构建与参数设置在MATLAB 的集成仿真环境Simulink中建立
8、单边带调制与解调系统模型并实现对它的动态仿真，SSB调制系统模型如图2.2，调制信号m（t）参数设置为，幅值为2，频率为1。载波信号c（t）参数为幅值为2，频率为10。 图2.2 SSB调制边带滤波器参数设置如图2.3所示:陕西理工学院课程设计第 4 页 共 15 页图2.3 边带滤波器参数设置2.2.2 仿真结果与分析调制模块的仿真波形图如图 2.4 所示。第 1 路是调制信号波形，第 2 路是载波信号波形，第 3路是 DSB 调制后信号波形，第 4 路是 SSB 调制后信号波形。 图 2.4 仿真结果图调制模块中各阶段波形的功率谱如图 2.5图 2.8 所示。陕西理工学院课程设计第 5 页
9、 共 15 页图 2.5 输入信号功率谱图 2.6 载波信号功率谱图 2.7 DSB 信号功率谱陕西理工学院课程设计第 6 页 共 15 页图 2.8 SSB 调制信号功率谱分析可知，调制信号频率为载波的频率为 10。调制信号先与载波相乘得双边带信号，再通过带通滤波器得上边带信号。调制过程中信号功率谱的形状不变，只是频率的搬移，符合线性调制的原理。2.3 SSB 相干解调2.3.1 解调模型构建与参数设置相干系统模型如图 2.9:图 2.9 相干解调低通滤波器参数设置如图2.10所示:图 2.10 相干解调低通滤波器参数设置2.3.2 仿真结果及分析SSB 相干解调仿真波形如图 2.11 所示
10、。第 1 路是输入信号波形，第 2 路是已调信号波形，第3 路是通过相乘器后波形，第 4 路是解调后的波形图。陕西理工学院课程设计第 7 页 共 15 页图 2.11 SSB相干解调信号波形分析可知，解调后的波形和原输入信号波形一样，符合设计要求。相干解调模块中各过程信号功率谱如图 2.12图 2.14 所示。图 2.12 输入信号功率谱图 2.13 SSB已调信号功率谱陕西理工学院课程设计第 8 页 共 15 页图 2.14 相干解调信号功率谱调制实现了功率谱的搬移，解调后的信号功率谱和原信号功率谱一样，实现了设计要求。2.4 加入高斯噪声的调制与解调2.4.1 模型构建高 斯 噪 声 是
11、指 它 的 概 率 密 度 函 数 服 从 高 斯 分 布 （ 即 正 态 分 布 ） 的 一 类 噪 声 。 在理想信道调制与解调的基础上，在调制信号上加入高斯噪声，把 Simulink 噪声源下的高斯噪声模块（Gaussian Noise Generator）加入到模型中。图 2.15 中加了两个高斯噪声模块，为比较高斯噪声均值不同或方差不同时对信道的影响，将两个高斯噪声模块参数设置不同，以作比较。加入高斯噪声后调制与解调系统模型如图2.15所示:图 2.15 加入噪声后系统模型2.4.2 仿真结果及分析（1）波形失真与高斯噪声均值的关系各低通滤波器均设置为频带边缘频率为 10，仿真结果如
12、图 2.16 所示: 陕西理工学院课程设计第 9 页 共 15 页图 2.16 方差相同、不同均值对信号影响第 1 路为相干解调信号波形（理想通道下） ，第 2 路为加入均值为 0.5 方差为 0 的高斯噪声时解调信号波形，第 3 路为均值为 1 方差为 0 的高斯噪声时解调信号波形。由仿真结果分析得分析得，加入高斯噪声方差相同，均值越大，解调后失真越大。图 2.17-2.19 为相干解调模块中加入不同高斯噪声后各过程信号功率谱。图 2.17 理想信道下输出信号功率谱图 2.18 噪声均值为0.5方差为0输出信号功率谱陕西理工学院课程设计第 10 页 共 15 页图 2.19 噪声均值为1方差
13、为0输出信号功率谱由仿真结果得，高斯噪声均值为 0.5，方差为 0 时，波形相对原波形失真较小。在功率谱上产生了一个比原信号功率小得多的分量。高斯噪声均值为 1，方差为 0 时，波形较大。在功率谱上产生了一个较大的分量。当高斯噪声均值大于 2 时，波形几乎完全失真，在功率谱上产生了一个比原信号功率大的分量。分析可知，高斯噪声的均值越大，输出信号失真越大。（2）波形失真与高斯噪声方差的关系不同方差下仿真结果如图2.20所示，第一路为理想信道下输出信号波形。第2路为加入噪声均值为0，方差为0.1时输出噪声波形。第3路为加入噪声均值为0方差为1时输出噪声波形。图 2.20 均值相同不同方差噪声对信号
14、影响图2.21-2.22为相干解调模块中加入不同高斯噪声后各过程信号功率谱陕西理工学院课程设计第 11 页 共 15 页图 2.21 噪声均值为0 方差为0.1时输出信号功率谱图 2.22 噪声均值为0方差为1时输出信号功率谱高斯噪声均值为 0，方差为 0.1 时，输出信号波形相对原波形失真较小。功率谱如图 26 所示，在功率谱上产生了一些比原信号功率小得多的分量。高斯噪声均值为 0，方差为 1 时输出信号波形失真增大。其功率谱如图 27 所示，在功率谱上产生了一些比较大的功率分量。当噪声方差大于 2时，波形输出信号波形几乎完全失真，在功率谱上产生了很多比原信号功率大的杂波分量。分析可知，高斯
15、噪声的方差越大，输出信号失真越大。（3）滤波器参数对信道的影响当滤波器边缘频率设置不同值时，加入高斯噪声参数相同，在此条件下比较边缘频率设置值对滤波性能影响，仿真结果如图 2.23 所示:陕西理工学院课程设计第 12 页 共 15 页图 2.23 不同滤波器参数参数对信道影响第 1 路为理想信道下信号输出波形，第 2 路为高斯噪声均值为 1，方差为 0.1，滤波器边缘频率为 10 时信输出信号波形，第 3 路为高斯噪声均值为 1，方差为 0.1，滤波器边缘频率为 8 时信输出信号波形，可见，滤波器边缘频率设置越小，即滤除高频成分越多，则滤波效果越好。两种设置下输出信号功率谱如图 2.24 所示
16、:图 2.24 滤波器边缘频率为 10 时输出信号功率谱图 2.25 滤波器边缘频率为 8 时输出信号功率谱由图知，滤波器边缘频率为 10 时，在功率谱上产生了一个较大的分量，当滤波器边缘频率设置减小时，频谱上分量减小。当边缘频率值为 7 时，频谱分量几乎消失。当边缘频率值为 5 时，波形几乎能完全无失真解调出来。2.5 不同噪声对信道影响不同噪声对信道影响不同，图 2.26 为加入高斯噪声和均衡噪声的比较。陕西理工学院课程设计第 13 页 共 15 页图 2.26 不同噪声对信道影响第 1 路为理想通道下输出信号波形；第 2 路为加入高斯噪声时输出信号波形，高斯噪声均值或方差越大，输出信号失
17、真越厉害；第 3 路为加入均衡噪声后信号输出波形，噪声上届值越大，波形失真越大；第 4 路为加入瑞利噪声后输出信号波形，sigma 值越大，输出信号波形失真越大。3 总结本课程设计是实现 SSB 的调制与相干解调，以及在不同噪声下对信道的影响。信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程，即是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。信号的接收端就是通过解调来还原已调制信号从而读取发送端发送的信息。因此信号的解调对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制与解调方式往往决定了一个通信系统的性能。单边带 SS
18、B 信号的解调采用相干解调法，这种方式被广泛应用在载波通信和短波无线电话通信中。Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接
19、明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。陕西理工学院课程设计第 14 页 共 15 页致谢通过此次的课程设计，让我学到很多书本上学不到的东西，增强了我的实践动手能力。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。对通信工程专业来说，通信原理是一门核心课程，是学好本专业的基础，它虽然是一门理论课，但其实践性很强。通过本次课程设计，让我深层次地了解如何在 MATLAB/Simulink 中通信系统建模与仿真实例分析。从一个小模块设计到具有一定功能的完整模块设计，从单个小问题的判断调试到整体化模块的分析思维，本次课程设计不但使我对通信原理了解得更透彻，也使我
20、认识到理论当与实际相联系时才能使它的指导性充分地体现出来。此次的课程设计，虽说时间不长，可是它却让我们明白，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。我们不仅学到了很多的的东西，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。最后，在本次课程设计中，得到了老师和很多同学的帮助。在此衷心地感谢各位老师在本次课程设计中
21、指导以及各位同学给予我的帮助！ 参考文献1李敏.MATLAB 数字信号处理工具箱的开发和应用 J信息与电脑,2010,6(24):P6723-6724.2楼顺天.基于MATLAB的系统分析与设计 M.西安：西安电子科技大学出版.2001.P91-85.3曹志刚.现代通信原理M.北京：清华大学出版社.2006.P25-80.4刘卫国.MATLAB程序设计教程 M.北京:中国水利水电出版社.2008.P67-134.5梁虹,梁洁,陈跃斌.信号与系统分析及MATLAB 实现M.西安：电子工业出版.2002.P23-54.6陈希林,肖明清.一种 LabWindows/CVI 与 MATLAB 混合编程的实现方法J.微计算机信息.2005(1):P43-45.7刘艳. 调制解调的仿真分析J.电子世界.2014(03):P88-106.8陈华鸿. 移频键控( FSK)及其最新应用J.现代计算机 .2000(09):P34-87.
