2 路 FDM 的 AM 与 SSB 调制与相干解调系统仿真摘 要 本课程设计主要运用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台设计一个 2路 FDM 的 AM 与 SSB 调制与相干解调系统，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。在课程设计中，首先根据原理构建调制解调电路，再在Simulink 中调出所需元件组成相应电路框图，再设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，再在信道加入适当方差的噪声，根据显示结果分析所设置的系统性能。关键词 AM；SSB ；2 路 FDM；相干解调；高斯白噪声1 引 言通 信 (Communication)就 是 信 息 的 传 递 ， 是 指 由 一 地 向 另 一 地 进 行 信 息 的 传 输 与交 换 ， 其 目 的 是 传 输 消 息 。 然 而 ， 随 着 社 会 生 产 力 的 发 展 ， 人 们 对 传 递 消 息 的 要 求也 越 来 越 高 。 在 各 种 各 样 的 通 信 方 式 中 ， 利 用 “电 ”来 传 递 消 息 的 通 信 方 法 称 为 电信 (Telecommunication)， 这 种 通 信 具 有 迅 速 、 准 确 、 可 靠 等 特 点 ， 且 几 乎 不 受 时间 、 地 点 、 空 间 、 距 离 的 限 制 ， 因 而 得 到 了 飞 速 发 展 和 广 泛 应 用 。 与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。通信从本质上来讲是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉，当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。课程设计运用了 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台来设计 2 路 FDM 的AM 与 SSB 调制与相干解调系统。AM 调制是一个基带信号加一个直流分量后与载波相乘即可形成调幅信号，SSB 调制是一个基带信号与载波相乘得到 DSB 通过带通滤波器形抑制载波的已调信号，通过混和叠加经过一个带通滤波器再由解调器解调无失真提取相应的基带信号，此解调过程主要是相干解调。1.1 课程设计目的本次课设计的最主要目的是了解幅度调制、解调、相干解调、频分复用与信道加噪声对调制信号的干扰相关的基本原理。在进行了专业基础知识课程教学的基础上，根据相关的原理特性，设计电路框图并分析一个 2 路 FDM 的混合调制与相干解调系统，理论联系实际，有助于加深对系统知识的巩固和理解。利用 MATLAB 7.0 集成环境下的 Simulink 仿真平台设计一个 2 路 FDM 的 AM 与 SSB 调制与相干解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把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。并绘制相关的波形图及频谱图，并且分析信号波形及其频谱特点。1.2 课程设计的要求本课程的设计要求如下：1）学习 MATLAB 的基本知识，熟悉 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台。2）利用通信原理中所学到的相关知识，在 Simulink 仿真平台中设计一个 2 路 FDM 的AM 与 SSB 调制与相干解调系统。并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察调制与解调前后的信号频谱变化。3）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。4）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。5）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 6）在老师的指导下，要求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。1.3 设计平台Simulink 是 MATLAB 最 重 要 的 组 件 之 一 ， 它 提 供 一 个 动 态 系 统 建 模 、 仿 真 和综 合 分 析 的 集 成 环 境 。 在 该 环 境 中 ， 无 需 大 量 书 写 程 序 ， 而 只 需 要 通 过 简 单 直 观 的鼠 标 操 作 ， 就 可 构 造 出 复 杂 的 系 统 。 Simulink 具 有 适 应 面 广 、 结 构 和 流 程 清 晰 及仿 真 精 细 、 贴 近 实 际 、 效 率 高 、 灵 活 等 优 点 ， 并 基 于 以 上 优 点 Simulink 已 被 广 泛应 用 于 控 制 理 论 和 数 字 信 号 处 理 的 复 杂 仿 真 和 设 计 。 同 时 有 大 量 的 第 三 方 软 件 和硬 件 可 应 用 于 或 被 要 求 应 用 于 Simulink。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、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink® 是 用 于 动 态 系 统 和 嵌 入 式 系 统 的 多 领 域 仿 真 和 基 于 模 型 的 设 计 工具 。 对 各 种 时 变 系 统 ， 包 括 通 讯 、 控 制 、 信 号 处 理 、 视 频 处 理 和 图 像 处 理 系 统 ，Simulink 提 供 了 交 互 式 图 形 化 环 境 和 可 定 制 模 块 库 来 对 其 进 行 设 计 、 仿 真 、 执 行 和测 试 。 .构 架 在 Simulink 基 础 之 上 的 其 他 产 品 扩 展 了 Simulink 多 领 域 建 模 功 能 ， 也 提供 了 用 于 设 计 、 执 行 、 验 证 和 确 认 任 务 的 相 应 工 具 。 Simulink 与 MATLAB 紧 密 集 成 ， 可 以 直 接 访 问 MATLAB 大 量 的 工 具 来 进 行 算 法 研 发 、 仿 真 的 。2 设计原理2.1 AM 调幅相关原理当调制信号中有直流时，经过调幅器，形成标准的常规双边带调制，简称调幅（AM） ，AM 调制的一般模型如图 2.1 所示：)(tm= )(tsm 直流分量 0mtcos图 2.1 AM 调制框图用加法器得到 ，与载波相乘产生调幅信号 。)(tsm其时域表达式为：频谱表达式：tt0t0cF()C()c HHc c000SAM()sAM(t)(Af (t)c(t)Af (t)c(t)2H(a) (b) (c) (d) (e) (f) A0)()(0ttmttScos)(0ccc MA21图 2.2 调幅 AM 示意图若 为随机信号，则已调信号的频域表示必须用功率谱描述。由波形可以看出，)(tm当满足条件： 时，AM 波的包络与调制信号 的形状完全一样，0max|)(|t )(tm因此，一般用包络检波的方法很容易恢复出原始调制信号；否则，就会出现“过调幅”现象，这时用包络检波方法会发生失真。但是，可以采用其他的调解方法，如同步检波。由频谱可以看出，AM 信号的频谱由载频分量、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，它的带宽是基带信号带宽 的 2 倍。 f解调是调制的逆过程，信号解调的方法包括两种，相干解调（同步检波）与非相干解调（包络检波）。解调与调制的实质一样，均是频谱搬移，可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。本次设计采用相干解调时，为了无失真地恢复基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波（同频同相）本地载波。设解调器的输入信号为 ，)(tsm载波为 ，经过一个乘法器再通过一个低通滤波器得到相应的解调信号，AM 相tcos干解调的一般模型图如 2.3 所示：图 2.3 AM 相干解调框图2.2 单边带 SSB 相关原理单边带（SSB ）信号：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） 。所以，产生单边带信号最直接的方法就是从双边带信号中滤出一个边带信号即可。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，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就可以得到单边带调制（SSB） 。有两种最基本的方法有滤波法和相移法。本次课程设计采用的是滤波法，其 SSB 信号)(tsmtcosLPF )(tm滤波法的原理框图如图 2.4 所示：图 2.4 SSB 信号滤波法图中的 为单边带通滤波器。将 设计成具有理想高通特性 或理想低通特性 的单边带滤波器，从而滤除另一个边带，产生上边带信号时 即为，产生下边带信号时 即为 。若保留上边带，则 应具有高通特性如图 2.5（b）所示：若保留下边带，则应具有低通特性如图 2.5（d）所示：0000c c cccc0ccccSD SB()H SSB()SSSB()H SSB()SSSB()(a)(b )(c)(d )(e)1,()0cSBH图 2.5 单边带 SSB 信号频谱示意图SSB 信号的频谱表示：相移法形成 SSB 信号的时域表示式为：“”对应上边带信号， “+”对应下边带信号； 表示把 的所有频率成分均相移，称 是 的希尔伯特变换。SSB 信号的带宽与功率：SSB 信号的频谱是 DSB 信号频谱的一个边带，是 DSB带宽的一半，与基带信号带宽相同， 为调制信号带宽， 为调制信号的最高频率，其带宽表示为 。 设解调器的输入信号为 ，载波)(tSB为 ，经过一个乘法器再通过一个低通滤波器得到相应的解调信号，SSB 信号相tcos干解调的一般模型图如 2.6 所示：图 2.6 SSB 信号相干解调框图图中输入信号： 经过乘法器：经过低通滤波器 被滤除2.3 线性调制系统的抗噪声性能主要讨论信道存在加性高斯白噪声(AWGN) 时，各种线性调制系统的抗噪声性能，由于加性噪声被认为只对信号的接收产生影响。调制系统的抗噪声性能是利用解调器的抗噪声能力来衡量，通常用“信噪比” 信号与噪声的平均功率之比来衡量去分析解调器的性能。线性调制相干解调的抗噪性能一般模型如图 2.7 所示：ttmttmttS cccm 2sin)(412os1)(4