基于Matlab 的线性模拟调制技术研究.docx

基于Matlab 的线性模拟调制技术研究.docx

《基于Matlab 的线性模拟调制技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Matlab 的线性模拟调制技术研究.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于Matlab的线性模拟调制技术研究

*******************

实践教学

*******************

兰州理工大学

计算机与通信学院

2011年秋季学期

移动通信课程设计

题目：

基于Matlab的线性模拟调制技术研究

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

成绩：

摘要

在本课程设计AM、DSB、SSB、VSB线性调制将基带信号调制在不通的载波频率进行电磁波的辐射发射。

我将通过多方搜集资料与分析，来理解线性调制的具体过程和它在MATLAB中的实现方法。

更清晰地认识线性的调制原理，同时加深对MATLAB这款通信仿真软件操作的熟练度，并在使用中去感受计算机仿真的应用与特色在线性调制方式通过时域与频域进行分析。

利用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，分析和解决问题的能力，为我今后的自主学习研究提供具有实用性的经验

关键词：

AM信号，调制，解调，信噪比，MATLAB

前言

调制在通信系统中的作用至关重要。

调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。

广义的调制分为基带调制和带通调制（也称为载波调制）。

在无线通信中和其他的大多数场合，调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。

未受调制的周期信号振荡信号称为载波，他可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。

载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。

解调（也称检波）则是调制的逆过程。

起作用是将已调制信号中的调制信号恢复出来。

载波调制是基带信号对载波信号的调制是为了实现下列一个或多个目标：

第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间中的。

为了获得较高的辐射功率，天线的尺寸必须与发射信号的波长相比拟。

而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，致使天线长度过长而难以实现。

但通过调制，吧基带信号的频率搬至较高的载波频率上，使已调信号的频率与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输新能，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。

如在GSM体制移动通信使用的是900MHz频段，所需天线尺寸为8cm。

第二，把多个基带信号分别搬移到不同的的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道的利用率。

第三，扩展信号带宽，提高系统的干扰、抗衰落能力，还可以实现传输带宽与信噪比之间的互唤。

因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。

采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能。

调制方式有很多。

根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制信号是模拟信号连续波调制。

最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。

常见的调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）、和残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的典型的实例和基础应用。

目录

第一章、调制1

1.1调制概念1

1.2调制的种类1

1.3正弦波幅度调制2

1.4正弦波频率调制3

1.5正弦波相位调制4

1.6脉冲调制4

第二章、线性调制5

2.1、幅度调制（AM）5

2.2、双边带调制（DSB）7

2.3、单边带调制（SSB）8

2.4、残留边带调制（VSB）8

第三章、线性调制的MATLAB的仿真10

3.1AM的程序与仿真10

3.2DSB的程序与仿真12

3.3SSB的程序与仿真15

3.4VSB的程序与仿真18

第四章、总结23

参考文献；25

第一章、调制

1.1调制概念

使消息载体的某些特性随消息变化的过程。

调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。

调制是各种通信系统的重要基础，也广泛用于广播、电视、雷达、测量仪等电子设备。

在通信系统中为了适应不同的信道情况（如数字信道或模拟信道、单路信道或多路信道等）,常常要在发信端对原始信号进行调制,得到便于信道传输的信号，然后在收信端完成调制的逆过程──解调，还原出原始信号。

用来传送消息的信号

叫作载波或受调信号,代表所欲传送消息的信号

叫作调制信号，调制后的信号

u（t）叫作已调信号。

用调制信号

控制载波的某些参数，使之随

而变化，就可实现调制。

受调信号可以是正弦波或脉冲波，所欲传送的消息可以是话音、图像或其他物理量，也可以是数据、电报和编码等信号。

前者是模拟信号，后者是数字信号。

调制是一种非线性过程。

载波被调制后产生新的频率分量，通常它们分布在载频

的两边，占有一定的频带，分别叫做上边带和下边带。

这些新频率分量与调制信号有关，是携带着消息的有用信号。

调制的目的是实现频谱搬移，即把欲传送消息的频谱，变换到载波附近的频带，使消息更便于传输或处理。

调制的主要性能指标是频谱宽度和抗干扰性。

这是一对矛盾。

调制方式不同，这些指标也不一样。

一般说，调制频谱越宽,抗干扰性能越好；反之,抗干扰性能较差。

调制的另一重要性能指标是调制失真。

总的说来，数字调制比模拟调制具有较强的抗调制失真的能力。

1.2调制的种类

　　调制的种类很多，分类方法也不一致。

按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。

用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。

按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制（如对非相干光调制）等。

调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。

正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。

此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。

脉冲调制也可以按类似的方法分类。

此外还有复合调制和多重调制等。

不同的调制方式有不同的特点和性能。

1.3正弦波幅度调制

 　正弦载波幅度随调制信号而变化的调制，简称调幅（AM）。

数字幅度调制也叫作幅度键控（ASK）。

调幅的技术和设备比较简单,频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长中短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。

早期的无线电报机采用火花式放电器产生高频振荡。

传号时火花式发报机发射高频振荡波，空号时发报机没有输出。

这种电报信号的载波不是纯正弦波，它含有很多谐波分量，会对其他信号产生严重干扰。

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，但载频

和相位

保持不变。

单频调制时，调幅信号

可用下式表示：

（1-1）

式中

UC是载波幅度；

是调制信号的角频率，其中F是调制信号频率；

是一个和调制信号幅度

成比例的常数，叫作调幅系数，数值应在0～1之间。

调幅波的瞬时幅度变化曲线叫作包络线。

调幅系数ma不能大于1,否则包络线和调制信号不能保持线性关系，会产生失真。

这种情况叫做过调幅。

式（1-1）的调幅波不是单一的简谐波,它包含

、

和

三个频率分量。

后两个频率分量位于载频

的两边，分别叫作上边频和下边频（图2c）。

这种已调制信号有时叫作标准调幅波。

如果调制信号占有一个频带,最高频率为

则标准调幅波的频谱宽度

位于载频fC两边的频带分别称为上边带和下边带。

调幅波的载频分量与调制信号无关，但边带分量随调制信号变化。

这意味着所欲传送的消息都包含在边带之中，只用一个边带信号就能够传送全部消息。

把载波去掉的调幅信号，叫做抑制载波调幅；把载波和某一个边带一起抑制掉，只剩下一个边带的调幅信号，叫做单边带调幅（SSB）。

单边带调幅节省功率,抗干扰性能较好，而且节省频带，但设备比较复杂（见单边带调制）。

1.4正弦波频率调制

 　正弦载波的瞬时频率随调制信号的瞬时值而变化的调制，简称调频（FM）。

数字频率调制也称移频键控（FSK）。

　　调频是1933年E.H.阿姆斯特朗发明的。

这种调制具有良好的抗干扰性能，广泛用于高质量广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备中。

　　理想的调频是：

载波的瞬时角频率ω与调制信号瞬时值

成线性关系，而幅度

不变。

单频调制时,瞬时角频率ω的表示式是

（1-2）

式中

，是一个和调制信号幅度

成正比的常数,称为最大角频率偏移。

在实用中,调制信号

的最大值通常保持不变,因此最大频移f也不变。

这时

随调制信号频率F而减小。

图5是墹f为定值时调频波的频谱。

F小时，相邻各频率分量的距离较小,但由于

较大,有效的边频分量较多；F较大时，各边频的距离增大，但

却减小，有效的频率分量也较少。

因此调频波的频谱宽度大体上保持不变。

这是调频波的特点。

它的频谱宽度BWf可以用下面的经验公式来计算

（1-3）

式中=

/2

是调制信号的频率。

当

较大时,调频波的带宽约于最大频偏f的两倍。

宽带调频具有较强的抗干扰性能。

1933年阿姆斯特朗证明:

当输入信噪比

/

较大时,调频接收机的输出信噪比

/

与最大频移墹f的平方成正比；增加调频波的带宽可以改善通信系统的质量。

不过这种改善是有限度的，因为带宽过大时，调频接收机的内部噪声

增加，

/

减小;当

/

降低到某一阈值时,

/

反而急剧变坏。

图6是调频接收机输出信噪比

与输入信噪比

/

的关系曲线,在曲线拐点左边，调频的抗干扰性能比调幅还差。

利用预加重和反馈调频接收的方法可以使

/

得到改善。

1.5正弦波相位调制

　正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相（PM）。

数字调相也称移相键控（PSK）。

单频调相时，理想调相波

的表示式是

（1-4）

式中

为载波相位随调制信号而变化的最大相移，称调相指数。

它与调制信号幅

成正比,但与调制角频率

无关。

这是调相和调频的区别。

调相波的频谱与调频波相似，但是当墹

为定值时，其频谱宽度

随

而变化，

大时频谱宽，

小时频谱窄。

因此频带不能充分利用。

数字调相具有优越的抗干扰性能，而且频带窄，是一种比较理想的调制方式，在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。

1.6脉冲调制

受调波为脉冲序列的调制。

脉冲调制可分为脉冲调幅（PAM）、脉冲调相（PPM）、脉冲调宽（PWM）等方式。

是一些脉冲调制信号的波形。

通常把模拟-数字信号转换也看做是脉冲调制,这种调制有脉码调制（PCM）、差值脉码调制（DPCM）、增量调制（墹M）等。

脉冲调幅实质上就是信号采样。

常用于模-数转换电路、信号转换电路和各种电子仪器。

脉冲调制信号的频谱较宽,但除了脉冲调幅之外,都具有较好的抗干扰性能,特别是脉码调制的性能最好,是一种理想的调制方法。

数字电话、遥测、遥控以及迅速发展的综合通信网，大多采用这种调制。

第二章、线性调制

调制就是使基带信号（调制信号）控制载波的某个（或几个）参数，使这一（或几个）参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。

调制后所得到的信号称为已调信号或频带信号。

调制的类型根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。

线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。

线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。

2.1、幅度调制（AM）

幅度调制（AM）是指用调制信号去控制高频载波的幅度，使其随调制信号呈线性变化的过程。

AM信号的数学模型如图3-1所示。

图2-1AM信号的数学模型

为了分析问题的方便，令

=0，

2.1.1AM信号的时域和频域表达式

=[

+m

]cos

（2-1）

=

[

]+

（2-2）

图3-2所示为AM的波形和相应的频谱图。

图2-2条幅过程的波形及频谱

2.1.2AM信号的带宽

          （2-3）

式中，

为调制信号的最高频率。

2.1.3AM信号的功率

与调制效率

=

=

                    （2-4）

式中，

=

 为不携带信息的载波功率；

为携带信息的边带功率。

                            （2-5）

AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。

AM调制的最大缺点是调制效率低。

2.2、双边带调制（DSB）

如果将在AM信号中载波抑制，只需在图3-1中将直流

去掉，即可输出抑制载波双边带信号。

2.2.1DSB信号的时域和频域表达式

                            （2-6）

                    （2-7）

其波形和频谱如图2-3所示。

图2-3DSB调制过程的波形及频谱

2.2.2DSB信号的带宽

                             （2-8）

2.2.3DSB信号的功率及调制效率

由于不再包含载波成分，因此，DSB信号的功率就等于边带功率，是调制信号功率的一半，即

                 （2-9）

显然，DSB信号的调制效率为100%。

2.3、单边带调制（SSB）

  产生SSB信号最基本的方法有滤波法和相移法。

2.3.1SSB信号的时域表达式

               （2-10）

式中，“－”表示上边带信号，“＋”表示下边带信号；

是

的希尔伯特变换。

2.3.2SSB信号的带宽、功率和调制效率

                              （2-11）

由于SSB信号仅包含一个边带，因此其功率为DSB信号的一半，即

                         （2-12）

显然，SSB信号的调制效率也为100%。

2.4、残留边带调制（VSB）

    单边带传输信号具有节约一半频谱和节省功率的优点。

但是付出的代价是设备制作非常困难。

为了解决这个问题，可以采用残留边带调制（VSB）。

VSB是介于SSB和DSB之间的一个折中方案。

在这种调制中，一个边带绝大部分顺利通过，而另一个边带残留一小部分，如图3-4所示。

图2-4DSB、SSB和VSB信号的频谱

如何选择残留边带滤波器的滤波特性使残留边带信号解调后不产生失真呢？

为了在接收端不失真地恢复原基带信号，要求残留边带滤波器传输特性必须满足下述条件

            （2-13）

式中，

是基带信号的最高截止角频率。

第三章、线性调制的MATLAB的仿真

3.1AM的程序与仿真

%幅度调制AM信号输出和功率谱程序清单

dt=0.001;%时间采样频谱

fmax=1;%信源最高频谱

fc=10;%载波中心频率

T=5;%信号时长

N=T/dt;

t=[0:

N-1]*dt;

mt=sqrt

（2）*cos（2*pi*fmax*t）;%信源

A=2;

s_am=（A+mt）.*cos（2*pi*fc*t）;

[f,Xf]=FFT_SHIFT（t,s_am）;%调制信号频谱

PSD=（abs（Xf）.^2）/T;%调制信号功率谱密度

figure

（1）

subplot（211）;

plot（t,s_am）;holdon;%画出AM信号波形

plot（t,A+mt,'r--'）;%表示AM包络

title（'AM调制信号及其包络'）;

xlabel（'t'）;

subplot（212）;%画出功率谱图形

plot（f,PSD）;

axis（[-2*fc2*fc01.5*max（PSD）]）;

title（'AM信号功率谱'）;

xlabel（'f'）;

%调用函数

function[f,sf]=FFT_SHIFT（t,st）

%ThisfunctionisFFTtocalculateasignal’sFouriertransform

%Input:

t:

samplingtime,st:

signaldata.Timelengthmustgreaterthean2

%output:

f:

samplingfrequency,sf:

frequen

%outputisthefrequencyandthesignalspectrum

dt=t

（2）-t

（1）;

T=t（end）;

df=1/T;

N=length（t）;

f=[-N/2:

N/2-1]*df;

sf=fft（st）;

sf=T/N*fftshift（sf）;

图3-1AM调制信号及其包络和频谱

3.2DSB的程序与仿真

%幅度调制DSB信号输出和功率谱程序清单

dt=0.001;%时间采样频谱

fmax=1;%信源最高频谱

fc=10;%载波中心频率

T=5;%信号时长

t=0:

dt:

T;

mt=sqrt

（2）*cos（2*pi*fmax*t）;%信源

s_dsb=mt.*cos（2*pi*fc*t）;

[f,sf]=FFT_SHIFT（t,s_dsb）;%调制信号频谱

PSD=（abs（sf）.^2）/T;%调制信号功率谱密度

figure

（1）

subplot（211）

plot（t,s_dsb）;holdon;%画出DSB信号波形

plot（t,mt,'r--'）;%标示mt波形

title（'DSB调制信号及其包络'）;

xlabel（'t'）;

subplot（212）

plot（f,PSD）;

axis（[-2*fc2*fc0max（PSD）]）;

title（'DSB信号功率谱'）;

xlabel（'f'）;

%调用函数

function[f,sf]=FFT_SHIFT（t,st）

%ThisfunctionisFFTtocalculateasignal’sFouriertransform

%Input:

t:

samplingtime,st:

signaldata.Timelengthmustgreaterthean2

%output:

f:

samplingfrequency,sf:

frequen

%outputisthefrequencyandthesignalspectrum

dt=t

（2）-t

（1）;

T=t（end）;

df=1/T;

N=length（t）;

f=[-N/2:

N/2-1]*df;

sf=fft（st）;

sf=T/N*fftshift（sf）;

图3-2DSB调制信号及其包络和频谱

3.3SSB的程序与仿真

%幅度调制SSB信号输出和功率谱程序清单

dt=0.001;%时间采样频谱

fmax=1;%信源最高频谱

fc=10;%载波中心频率

T=5;

t=0:

dt:

T;

mt=sqrt

（2）*cos（2*pi*fmax*t）;%信源

s_ssb=real（hilbert（mt）.*exp（j*2*pi*fc*t））;

[f,sf]=FFT_SHIFT（t,s_ssb）;%单边带信号频谱

PSD=（abs（sf）.^2）/T;%单便带信号功率谱

figure

（1）

subplot（211）

plot（t,s_ssb）;holdon;%画出SSB信号波形

plot（t,mt,'r--'）;%标示mt的包络

title（'SSB调制信号'）;

xlabel（'t'）;

subplot（212）

plot（f,PSD）;

axis（[-2*fc2*fc0max（PSD）]）;

title（'SSB信号功率谱'）;

xlabel（'f'）;

%调用函数

function[f,sf]=FFT_SHIFT（t,st）

%ThisfunctionisFFTtocalculateasignal’sFouriertransform

%Input:

t:

samplingtime,st:

signaldata.Timelengthmustgreaterthean2

%output:

f:

samplingfrequency,sf:

frequen

%outputisthefrequencyandthesignalspectrum

dt=t

（2）-t

（1）;

T=t（end）;

df=1/T;

N=length（t）;

f=[-N/2:

N/2-1]*df;

sf=fft（st）;

sf=T/N*fftshift（sf）;

图3-2SSB调制信号及其包络和频谱

3.4VSB的程序与仿真

%幅度调制VSB信号输出和功率谱程序清单

%Signal

dt=0.001;

fmax=5;

fc=20;

T=5;

N=T/dt;

t=[0:

N-1]*dt;

mt=sqrt

（2）*（cos（2*pi*fmax*t）+sin（2*pi*0.5*fmax*t））;

%VSBmodulation

s_vsb=mt.*cos（2*pi*fc*t）;

B1=0.2*fmax;

B2=1.2*fmax;

[f,sf]=FFT_SHIFT（t,s_vsb）;

[t,s_vsb]=vsbmd（f,sf,B1,B2,fc）;

%PowerSpectrumDensity

[f,sf]=FFT_SHIFT（t,s_vsb）;

PSD=（abs（sf）.^2）/T;

%PlotVSBandPSD

figure

（1）

subplot（211）

plot（t,s_vsb）;holdon;

plot（t,mt,'r--'）;

title（'VSB调制信号'）;

xlabel（'t'）;

subplot（212）

plot（f,PSD）;

axis（[-2*fc2*fc0max（PSD）]）;

title（'VSB信号功率谱'）;

xlabel（'f'）;

%调用函数

function[t,st]=vsbmd（f,sf,B1,B2,fc）

%Thisfunctionisaresidualbandpassfilter

%Inputsf:

samplefrequency,sf:

frequencyspectrumdata

%B1:

residualbandwidth,B2:

highestfreqofthebasebandsignal

%Outputst:

sampletime,st:

signaldata

df=f

（2）-f

（1）;

T=1/df;

hf=zeros（1,length（f））;

bf1=[floor（（fc-B1）/df）:

floor（（fc+B1）/df）];

bf2=[floor（（fc-B1）/df）+1:

floor（（fc+B2）/df）];

f1=bf1+floor（length（f）/2）;

f2=bf2+floor（length（f）/2）;

stepf=1/length（f1）;

hf（f1）=0:

stepf:

1-stepf;

hf（f2）=1;

f3=-bf1+floor（length（f）/2）;

f4=-bf2+floor（length（f）/2）;