1、 SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 SSB 调制系统仿真（滤波法）学生姓名： 指导老师：摘 要 SSB 调制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。所以功率利用率和频带利用率都较高，成为一种广泛使用的调制方式，常用于频分多路复用系统中。本课程设计主要利用滤波法进行 SSB 调制系统的设计。单边带调制信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。产生 SSB 信号最直观的方法是滤波法。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。解调采用相干解调，可以用相乘器与载波相乘来实现。在课程设计中，利用MATLAB 集成环境
2、下的 Simulink 仿真平台，程序运行平台为 Windows 98/2000/XP。程序通过调试运行，初步实现了设计目标，在实际应用中，有时需要将信号调制到较高频率的载波上进行传输，但一般设备很难一次性调制成功，所以需要将信号分两级调制。在这里，我们只进行一级调制。关键词 程序设计；SSB 调制；SSB 解调；滤波法； MATLAB；Simulink1 引 言产生 SSB 信号最直观的方法是，产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号，我们把这种方法称为滤波法，它是最简单也是最常用的方法。解调采用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
3、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 1。课程设计要正确构建仿真模型图，根据理论课中学习的原理，正确设置各模块参数，直至能正常运行。将模型中各点信号输入示波器，根据显示结果分析所设计的模型是否正确，并用频谱仪观察分析前后信号频谱的变化。在信号传输信道加上噪声源，模拟信号叠加噪声后的传输：用高斯白噪声模拟非理想信道，并记录示波器和频谱仪的波形，观察分析加噪声前后信号波形的变化。要求在未叠加噪声时，解调无失真，解调后的波SSB 调制系统仿真（滤波法
4、） 第页 共 23 页 形和原输入信号波形一样，解调后的信号功率谱和原信号功率谱一样。在叠加高斯白噪声后，尽可能滤除噪声，并解调叠加入噪声后，解调后的波形相对原波形有失真，解调后的功率谱相对原功率谱也有失真，且分析高斯噪声的均值和方差对解调结果的影响。本课程设计利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台，用滤波法设计 SSB 调制系统仿真模型图并运行，同时将模型中各点信号输入示波器，并用频谱仪对原始信号及最后输出信号运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。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，
5、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、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果 2。1.1 课程设计目的用滤波法，实现 SSB 调制解调仿真。仿真结果要便于对比分析，得出结论。课程设计要正确构建仿真模型图，根据理论
6、课中学习的原理，正确设置各模块参数，直至能正常运行。将模型中各点信号输入示波器，根据显示结果分析所设计的模型是否正确，并用频谱仪观察分析前后信号频谱的变化。在信号传输信道加上噪声源，模拟信号叠加噪声后的传输，并在信道中加入不同噪声，运行后对比分析：用高斯白噪声模拟非理想信道，并记录示波器和频谱仪的波形，观察分析加噪声前后信号波形的变化。在未叠加噪声时，解调无失真，在叠加高斯白噪声后，尽可能滤除噪声，并解调。若仿真正确。未加入噪声时，解调后的波形要和原输入信号波形一样，解调后的信号功率谱要和原信号功率谱一样。叠加入噪声后，能观察出，解调后的波形相对原波形有失真，解调后的功率谱相对原功率谱也有失真
7、，而且高斯噪声的均值和方差均会影响解调结果。1.2 课程设计的步骤（1）分析课题，查找有关 SSB 调整解调的相关资料，弄清楚原理，掌握滤波法，相干解调；SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 （2）熟悉 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台，掌握自己需要用到的仿真模块和器件，例如高斯白噪声，频谱仪等；（3）先设计调制部分，将基带信号与调整信号相乘形成双边带信号，然后通过滤波器形成单边带信号。并用示波器和频谱仪观察分析，得出结论，验证是否仿真成功；（4）再设计解调部分，用相干解调法，将调整信号与相干载波相乘，并通过低通滤波器，得到解调信号；并用示波器和频谱仪观察分
8、析，得出结论，验证是否仿真成功；（5）然后再在信道中加入高斯白噪声，改变其均值和方差，运行后对比分析，得出结论；（6）独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。2 基本原理2.1 幅度调制原理单边带调制是幅度调制的一种。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（精确到常数因子） 。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线
9、性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程 3。2.2 单边带调制原理单边带调制（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。本课程设计采用滤波法。1.单边带调制信号的产生及频域表示产生 SSB 信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。我们把这种方法称为滤波法，它是最简单也是最常用的方法，其原理框图如图 2-1 所示。 SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 m(t) sDSB(t) sSSB(t)载波 c(t)图 2-1 利用
10、滤波法产生单边带信号滤除下边带，保留上边带（USB） ，H（w）具有理想高通特性,其频谱图如图 2-2 所示：1 |w|wc(2.2-1)=wHUSB）（）（0 |w|wc 滤除上边带，保留下边带（LSB） ，H（w）具有理想低通特性,其频谱图如图 2-3 所示：1 |w|wc(2.2-2)=wHLSB）（）（0 |w|wc SDSB(w) SDSB(w) -wc 0 wc w -wc 0 wc wHUSB(w) HLSB(w)-wc 0 wc w -wc 0 wc w SUSB(w) SLSB(w)H(w)SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 -wc 0 wc w -wc 0
11、wc w 图 2-2 滤波法形成上边带信号的频谱图 图 2-3 滤波法形成下边带信号的频谱图2.相干解调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 2-4 所示。sm(t) sP(t) sd(t) c(t)=cos wct 图 2-4 相干解调一般模型相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接受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）
12、 ，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调制信号 1。相干解调器适用于所有所有线性调制信号的解调。所以单边带调试可以适用相干解调，本实验使用相干解调。2.3 Simulink 工作环境（1）模型库在 MATLAB 命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入 simulink 模型库，单击工具栏上的 按钮也可进入 Simulink，模块库按功能进行分为以下 8 个子库：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&System
13、s （信号和系统模块）Sinks （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LPFSSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 入仿真模型。图 2-5 Simulink 工具箱（2）设计仿真模型在 MATLAB 子窗口或 Simulink 模型库的菜单栏依次选择“File” | “Ne
14、w” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口（如图 2-6 所示） 。图 2-6 新建仿真模型窗口（3）运行仿真两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：在菜单栏中依次选择“Simulation“ | “Start“ 或在工具栏上单击 。命令行方式：输入 “sim”启动仿真进程。比较这两种不同的运行方式：菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 模块即可在仿真过程中观察输出信号。命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式 4。3 系统设计3.1 单边带调制（1）调制模块和参数设置单边带调
15、制模块如图 3-1。调制信号与载波相乘，形成 DSB 信号，DSB 信号经过低通滤波器，滤除上边带，保留下边带（LSB） ，得到下边带信号；经过高通滤波器，滤除下边带，保留上边带（USB ） ，得到上边带信号。基带信号（调制信号）幅度为 2，频率为2，如图 3-2。载波信号幅度为 2，频率为 10，如图 3-3。滤波器参数设置如图 3-4，图 3-5所示。图 3-1 单边带调制模块SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-2 基带信号参数设置 图 3-3 载波信号参数设置图 3-4 单边带调制中低通滤波器参数设置SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-5
16、单边带调制中高通滤波器参数设置（2）仿真结果及分析调制模块的仿真波形图如图 3-6 所示。图 3-6 调制模块中各阶段时域波形图第 1 路是基带信号波形，第 2 路是载波信号波形，第 3 路是双边带信号波形，第 4 路是通过低通滤波器后的下边带信号波形。SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 调制模块的仿真波形图如图 3-7 所示。第 1 路是通过滤波器后的上边带信号波形，第 2 路是双边带信号波形，第 3 路是载波信号波形，第 4 路是基带信号波形。图 3-7 调制模块中各阶段时域波形图调制模块中各阶段波形的功率谱如图 3-8 至图 3-12 所示。调制信号先与载波相乘得DSB
17、信号，再通过滤波器得下 SSB 信号。分析观察可知，调制过程中信号功率谱的形状不变，只是频率的搬移，符合线性调制的的原理。图 3-8 调制信号功率谱SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-9 载波信号功率谱图 3-10 双边带调制信号功率谱图 3-11 通过低通滤波器后的下边带调制信号功率谱SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-12 通过高通滤波器后的上边带调制信号功率谱3.2 SSB 相干解调（1）相干解调模块及参数设置SSB 的相干解调模块如图 3-13 所示。在 SSB 的相干解调模块中，SSB 调制信号，与相干载波相乘，再经过低通滤波器，得到解
18、调信号。相干载波幅度为 2，频率为 10。下边带信号经过的低通滤波器参数设计如图 3-14，上边带信号经过的低通滤波器参数设计如图 3-15。图 3-13 SSB 调制解调模块SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-14 SSB 相干解调中滤波器参数设置 图 3-15 SSB 相干解调中滤波器参数设置（2）仿真结果及分析SSB 相干解调仿真波形如图 3-16 所示。第 1 路是输入信号波形，第 2 路是调制信号与载波相乘后的信号，第 3 路是单边带信号波形（下边带信号） ，第 4 路是单边带信号与相干载波相乘后的信号，第 5 路是解调后的波形图。解调后的信号功率谱如图 3-
19、19，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。 图 3-16 SSB 调制解调各过程时域波形图SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 SSB 相干解调仿真波形如图 3-17 所示。第 1 路是解调后的波形图，第 2 路是单边带信号与相干载波相乘后的信号，第 3 路是单边带信号波形（上边带信号） ，第 4 路是调制信号与载波相乘后的信号，第 5 路是输入信号波形。解调后的信号功率谱如图 3-20，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。 图 3-17 SSB 调制解调各过程时域波形图相干解调模块中各过程信号功率谱如图 3-18 至图 3.-20 所
20、示。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。图 3-18 未解调前信号功率谱SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-19 SSB 解调后信号功率谱图 3-20 SSB 解调后信号功率谱3.3 加入噪声的 SSB 调制解调由 于 在 上 面 ， 已 分 别 讨 论 过 上 下 边 带 信 号 ， 且 上下边带使用的高斯噪声参数相同，所以这里只讨论下边带信号。高 斯 噪 声 是 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
21、 噪声源下的高斯噪声模块（Gaussian Noise Generator）加入到模型中。加入噪声的 SSB 调制解调模块如图 3-21 所示。示波器 Scope1 中，第 1 路为调制信号波形，第 2 路为调制信号与载波信号相乘后的双边带信号波形，第 3 路为经过低通滤波器形成的单边带信号波形，第 4 路为叠加高斯噪声后的单边带信号波形，第 5 路为经过带通滤波器的信号单边带信号波形，SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 第 6 路为单边带信号与相干载波相乘后的信号波形，第 7 路为解调出的信号。图 3-21 加入噪声的 SSB 调制解调（1）波形失真与高斯噪声均值的关系高斯噪
22、声均值为 0.1，方差为 0 时，SSB 调制解调各过程时域波形如图 3-23。输出信号时域波形如示波器第 7 路所示可见波形相对原波形失真较小，功率谱如图 3-25 所示，相对原信号功率谱失真较小。高斯噪声均值为 5，方差为 1 时，SSB 调制解调各过程时域波形如图 3-27。输出信号时域波形如示波器第 7 路所示，可见波形失真较大。其功率谱如图 3-28，相对原信号功率谱失真较大。分析可知，高斯白噪声的均值越大，输出信号失真越大。图 3-22 高斯噪声参数设置SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-23 SSB 调制解调各过程时域波形图图 3-24 输入信号功率谱图
23、3-25 噪声均值为 0.1，方差为 1 时的输出信号功率谱SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-26 高斯噪声参数设置图 3-27 SSB 调制解调各过程时域波形图图 3-28 输入信号功率谱SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-29 噪声均值为 5，方差为 1 时输出信号的功率谱（2）波形失真与高斯噪声方差的关系高斯噪声均值为 0.1，方差为 0 时，SSB 调制解调各过程时域波形如图 3-23。输出信号时域波形如示波器第 7 路所示，可见波形相对原波形失真较小，功率谱如图 3-25 所示，相对原信号功率谱失真较小。高斯噪声均值为 0.1，方差为
24、 10 时，SSB 调制解调各过程时域波形如图 3-31。输出信号时域波形如示波器第 7 路所示，可见波形相对原波形失真较大。功率谱如图 3-33 所示，相对原信号功率谱失真较大。分析可知，高斯噪声的方差越大，输出信号失真越大。图 3-30 高斯噪声参数设置SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 图 3-31 SSB 调制解调各过程时域波形图图 3-32 输入信号功率谱图 3-33 噪声均值为 0.1，方差为 10 时输出信号的功率谱SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 4 仿真电路分析与总结在仿真过程中遇到了一些问题。不过通过查阅资料，寻求老师和同学的帮助，最终得到
25、解决。由于对 SSB 调整解调原理了解的不够透彻，一开始就遇到了问题，不知道如何通过simulink 正确仿真调制解调过程。后来通过将调制解调过程分为调制模块，解调模块，分别分析仿真，然后再将调制解调模块组合到一起，得到了正确的仿真电路，最后再加入高斯白噪声，得到叠加了噪声的 SSB 调制解调系统仿真电路。在最开始，我本来只仿真了上边带 SSB 调制解调过程，即将双边带信号通过一个高通滤波器。但为了让仿真更精确，便于对比分析，得出结论，最后决定同时仿真上下边带 SSB 调制解调过程，即分为两路，双边带信号在上路通过低通滤波器，得到下边带信号，下路通过高通滤波器，得到上边带信号。最后得到两路的仿
26、真波形和频谱可以相互对比分析。仿真过程中，我将调制信号的频率设为了 10，载波信号的频率设为了 20，由于调制信号的频率太高，与载波信号的频率差距较小，仿真结果不明显，不利于分析比较得出结论。在黄老师的建议下，最终将调制信号的频率改为 2，载波信号的频率改为 10 后，仿真结果容易观察分析。在设置频谱仪的参数时也遇到了一些问题。为了让波形和功率谱更容易观察，必须要调整坐标，但是由于从未在 simulink 中使用过频谱仪，所以对于频谱仪的参数设置不太了解。但是，经过查阅资料，和同学讨论，然后对参数的调试仿真，最后找到了合适参数设置。在分析高斯白噪声对仿真的影响时，也遇到了问题。均值和方差同时对
27、仿真结果有影响，所以最后采用的控制变量法。先保持均值不变，改变方差，观察波形和功率谱的变化，得出结论，然后再保持方差不变，改变均值，观察波形和功率谱的变化，得出结论。未加入噪声时，对示波器和频谱仪分析可知，解调后的波形和原输入信号波形一样，解调后的信号功率谱和原信号功率谱一样，所以符合设计要求，实现了设计要求。叠加入噪声后，能观察到，解调后的波形相对原波形有失真，解调后的功率谱相对原功率谱也有失真，而且高斯噪声的均值和方差均会影响解调结果。分析可知，均值不变，高斯噪声的方差越大，输出信号失真越大；方差不变，高斯噪声的均值越到，输出信号失真越大，所以也符合设计要求。SSB 调制系统仿真（滤波法）
28、 第页 共 23 页 5 结束语两周的课程设计说长不长说短不短，如果好好利用，我们不仅可以巩固学过的知识，也能拓宽自己的视野，提升自己的能力。从一开始的无从下手，到最后的自我提升，无可否认，这是对我们自身能力的重新认识和提升挑战。通信原理是通信、电子、信息领域中最重要的专业基础课之一，通信原理对于我们通信工程的学生来说是一门很重要的科目，不仅仅因为它涵盖了通信工程的许多理论知识，是考研的科目，而且其实践性很强。通信系统作为一个实际系统，是为了满足社会与个人的需求而产生的，目的就是传送消息（例如数据、语音和图像等） 。通信技术的发展，特别是近 30 年来形成了通信原理的主要理论体系，即信息论基础
29、、编码理论、调制与解调理论、同步和信道复用等。本课程教学的重点是介绍数字通信系统中各种通信信号的产生、传输和解调的基本理论和方法，使学生掌握和熟悉通信系统的基本理论和分析方法，为后续课程打下良好的基础。 5 所以通信原理课程设计也对我们受益匪浅通过此次课程设计，让我更深入的了解了模拟信号的调制解调，注意到很多以前没有注意到的细节，学到了很多在书本上所没有学到过的知识。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。当然，在设计过程中或多或少的遇
30、到了一些问题，但在老师和同学的帮助下找出了原因所在。更培养了我利用自己的知识解决问题的能力。让我意识到将理论与实际结合起来的重要性，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，才能将知识为我所用，从而运用到实际生活中，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这次课程设计也我意识到遇到问题不要一味的依赖于老师，还可以通过上网，去图书馆查找资料解决问题，这样不仅提高了自己解决问题的能力，也更容易掌握知识。俗话说柴多火焰高，如果只凭自己的知识，我会浪费许多的时间和精力，可是滴水成海，在同学和老师的帮助下，我不仅把学到的知识运用的课程设计中，还体会到设计成功后带来
31、的成就感。在本次课程设计中，特别感谢黄老师在本次课程设计中对我的细SSB 调制系统仿真（滤波法） 第页 共 23 页 心指导，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，并顺利完成课程设计。参考文献1 樊昌信，曹丽娜. 通信原理. 第 6 版. 北京：国防工业出版社，20122 邵玉斌. Matlab/Simulink 通信系统建模与仿真实例分析 . 北京：清华大学出版社， 20083 周炯槃，庞沁华，续大我，吴伟陵，杨鸿文. 通信原理. 北京：北京邮电大学出版社，20084 张化光，孙秋野 . MATLAB/Simulink 实用教程. 北京：人民邮电出版社，20095 wanstea. 通信原理. 百度百科， http:/
