DSB系统设计与仿真.docx

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DSB系统设计与仿真

本科生毕业设计

论文题目

：

DSB模拟系统的设计与仿真

姓名

：

郭群

学号

：

1020420120

班级

：

10204201班

年级

：

2010级

专业

：

通信工程

学院

：

信息工程学院

指导教师

：

李里亚（讲师）

完成时间

：

2014年6月12日

作者声明

本人以信誉郑重声明：

所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。

文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。

特此声明。

毕业设计（论文）作者（签字）：

签字日期：

年月日

本人声明：

该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。

学位论文指导教师签名：

年月日

DSB模拟系统的设计与仿真

郭群

TheDesignandSimulationofthe

DSBanalogsystem

Guoqun

2014年6月12日

摘要

模拟通信系统具有直观，容易实现等优点，在早期的通信系统中得到了广泛的应用，例如早期的电话系统就是模拟通信系统。

抑制双边带调幅（DSB-SC）作为最经典的模拟通信系统之一，具有调制效率高,抗噪性能好等优点，得到了广泛的研究与应用。

MATLAB仿真软件具有编程效率高，使用方便等优点广泛应用与电子通信，航空航天等科学领域，而SIMUINK作为一种可视化的仿真工具直观以及便捷等优点。

本次仿真就是基于这两种仿真平台对DSB通信系统进行仿真建模，在对一个系统进行仿真建模时需要我们对原理部分熟练掌握，在建模过程中达到学以致用的目的，因此仿真建模对于教学研究具有积极作用。

本次设计首先在简要概述DSB通信系统原理的基础上，建立了基于MATLAB与SIMULINK的仿真建模，其中主要包括调制部分，信道与解调部分的仿真建模。

整个通信系统中以正弦信号为基带信号，经过加性高斯白噪声信道后通过巴特沃斯低通滤波器以及相干解调方式解调得到解调信号；在SIMULINK对整个DSB系统进行建模的基础上再对该系统的各个部分进行了MATLAB仿真建模。

在仿真后的数据分析中得到了与理论分析一致的结果，从而也验证了此次仿真建模的成功。

关键词：

模拟通信系统；仿真建模；DSB；MATLAB；SIMULINK

ABSTRACT

Theanalogcommunicationsystemhaslotsofadvantagessuchasintuitive,easytorealizeandithasbeenwidelyusedinthecommunicationsystemintheearly,forinstancethetelephonesystemearlyisancompleteanalogcommunicationsystem.Thedoublesidebandsuppressedcarrieramplitudemodulation（DSB-SC）isoneofthemostclassicanalogcommunicationsystem.Ithastheadvantagesofhighmodulationefficiency,goodanti-noiseperformance,andhasbeengettheextensiveresearchandapplication.MATLABsimulationsoftwarehashighprogrammingefficiency,convenientandwidelyusedinelectroniccommunications,aerospaceandotherfieldsofscience,andSIMUINKasthesimulationtool,hasthecharacteristicsofvisualintuitionandconvenience.ThissimulationisbasedonthistwokindsofsimulationplatformforDSBcommunicationsystem.Inthissimulationmodelingofasystemweneedtomastertheprinciplepart,theobjectivetolearninordertopracticeinthemodelingprocess,sothesimulationmodelingactasapositiveroleinteachingandresearch.

ThisdesignbasedontheprincipleofabriefoverviewoftheDSBcommunicationsystem,establishesthesimulationmodelingbasedonMATLABandSIMULINK,includingmodulation,anddemodulationofthesimulationmodelingchannel.Makethesinewavesignalsasthebasebandsignalsinthiscommunicationsystem,theadditiveGausswhitenoisechannelbyhamminglowpassfilterandcoherentdemodulationmethodbedemodulatedsignal.FistofallwemaketheentiretysimulationbasedonSIMULINK,andthendesigneachpartbasedonMATLAB.Intheanalysisofsimulationdatawecanobtainedtheresultsconsistentwiththetheoreticalanalysis,whichalsoverifiedthesimulationmodelingsuccess.

Keywords:

analogcommunicationsystem;simulationandmodeling;DSB;MATLAB;SIMULINK;

II.主要研究目的和内容1

1.3DSB信号的抗噪声性能分析11

参考文献30

绪论

I.课题研究的意义

在通信技术中DSB系统是模拟通信系统中最有代表性的通信系统，我们通过研究DSB系统能够从中得出一般的规律，从而指导人们去研究和开发其它的通信系统。

MATLAB软件是一种高效的并且容易掌握的仿真软件，通过这个软件的仿真我们可以加深对DSB通信系统的理解。

在常规双边带通信系统中为了简化系统，减少成本加入了载波，但是因为载波分量不携带任何有关信源的信息，信息完全由边带传送，因此载波分量耗费了相当多的功率，从而导致系统的利用率很低，以及资源的浪费。

为了解决这个问题人们开发出了DSB通信系统，它的特点是已调信号中不含载波分量，利用率为100%。

本课题在简单分析DSB原理的基础上，以抑制载波双边带为例，分析了基于MATLAB平台的DSB系统仿真方案。

我们知道DSB通信系统是一个很简单的系统，所涉及到的技术层面的东西并不复杂，因此为了能够更加了解这个系统我们可以对它进行仿真，课本上的原理是认识部分，仿真部分是对所学知识的实践。

MATLAB仿真就是一款很好的实践性工具,可以说MATLAB在教学过程中是对所学内容的运用，达到学以致用目的。

II.主要研究目的和内容

本次设计在简要概述DSB系统原理的基础上，首先对系统整体作SIMULINK仿真建模，再使用MATLAB对系统各部分进行仿真。

本次设计主要内容分四大部分。

第一部分阐述DSB通信系统的原理，在引出DSB系统之前简要介绍了通信系统的基本概念包括通信系统的基本分类，然后对模拟以及数字通信系统的介绍分析，提出了分析通信系统的性能指标以及分析方法。

在此基础上提出了DSB调制解调系统，着重阐述了DSB通信系统的原理，信源信号的产生，调制技术，频谱分析，信道中的高斯白噪声干扰，以及系统的解调。

最后重点分析了DSB通信系统的性能。

第二部分是本课题的重点，利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对DSB通信系统进行仿真研究，首先在SIMULINK平台中对DSB系统进行整体仿真，对该系统有个整体了解后，在对DSB通信系统中的个部分研究，即对系统各部分分别进行仿真即信源的产生，调制过程的仿真，信道中高斯白噪声的产生，滤波器的设计，以及最后的解调仿真。

第三部分对该系统进行了频域分析，从频域方面了解，调制，解调的本质。

第四部分是数据分析部分，数据分析部分是定量的对所研究课题的分析，能够产生更为直观更有说服力的证据，也是分析所研究课题优缺点的有效方法。

本文的数据分析主要是分析DSB通信系统的有效性与可靠性即抗噪声性能以及调制带宽。

III.研究方法以及研究手段

随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用正在发生着无法替代的作用。

数学仿真软件MATLAB的出现标志着仿真技术在通信领域的应用中达到了一个新的水平。

MATLAB是由美国的MathWorks公司推出的一种科学计算和工程仿真软件，将高性能的科学计算，结果可视化和编程集中在一个易于操作的环境中。

目前，在世界范围内被科研工作者，工程技术人员和院校师生广泛应用，已经成为国际控制世界公认的标准计算机软件。

本次课题研究仿真就是利用MATLAB实现对DSB通信系统的仿真研究，在仿真中我们要对DSB系统的信噪比以及传送功率等参数进行比较，得出DSB系统的性能，同时通过波形仿真观察DSB通信系统的波形以及它的频谱。

1.DSB通信系统概述

1.1通信系统的基本概念

通信，顾名思义，就是沟通消息。

实现通信的系称为通信系统，它将信息从发信者通过信道传送到收信者。

通信系统的基本结构可以简单地表示为三个单元：

发送器，信道与接收器，如图1.1所示。

图1-1通信系统的基本框图

发信者发出所要传输的信息，它是信息的源头，也称为信源，接收者是信息传送的终点，也称为信宿，即信息的“归宿”。

它们位于通信系统的两端，有时也称为终端。

信道是介于发信者与收信者之间的某种能够传递信息的物理媒质。

信源给出的信息通常无法直接通过信道，因而发送方需要借助一种称为发送器的装置（或称为发送设备）来把信息送入信道。

相应地，接收方必须采用接收器（或称为接受设备）从信道中提取信息。

1.1.1通信系统的基本分类

通信系统按信道中传输的信号类型分为模拟通信系统和数字通信系统。

信道中传输的基带信号为模拟信号时,这种系统称为模拟通信系统;传输的基带信号为数字信号的通信系统称为数字通信系统。

这里重点介绍一下模拟与数字通信系统。

首先介绍两个重要概念—数字信源和模拟信源。

（1）数字信源：

消息只有有限中取值。

如：

从键盘中输入的信息。

（2）模拟信源：

信息有无限多中取值的连续量。

如：

从话筒中输入的语音源。

模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿及噪声源组成。

如图1-2所示。

图1-2模拟通信系统结构

从图中可以看出模拟通信系统的结构比较简单，其核心是调制与解调单元，在发送端，消息信号发送前可以进行一些简单的处理，主要是幅度调整与低通滤波。

模拟通信的优点是直观且容易实现，但保密性差，抗干扰能力弱。

由于模拟通信在信道传输的信号频谱比较窄，因此可通过多路复用使信道的利用率提高。

数字通信系统是指在信道上把数字信号从信源传送到信宿的一种通信方式。

它与模拟通信系统相比，其优点为：

抗干扰能力强，没有噪声积累；可以进行远距离传输并能保证质量等但是为了取得这些优点数字通信系统付出的是比模拟通信系统复杂得多得系统结构，如图1-3所示为一个数字通信系统结构。

图1-3数字通信系统结构

上图所展现得是一个较为完善的现代数字通信系统的结构和它的各种功能单元。

一个具体的数字通信系统不一定包含该结构的所有单元。

图中虚线框的灰色（阴影）单元是可以选择的，但是实线框的白色（无阴影）单元基本上是所有系统都必需的。

图中的上半部分为发送端，下半部分为接收端，中间是信道。

容易看出，收发两端的结构基本对称，相应的单元彼此互逆。

1.1.2调制方式

传统上，将基带信号变换成为适当的频带信号的过程称为调制。

调制通常使借助与正弦载波来完成，所形成的频带信号的形式为

（1-1）

其中，

是幅度部分，

是相位部分，

是载波频率。

依据基带信号对应于

于

的不同，调制分为不同的制式，不同的调制制式形成的传输信号具有不同的带宽与抗噪声性能。

由信号与系统的知识可知调制是通过调节频带信号的幅度，以及相位把基带信号的频谱搬移到载波频率上去，而载波频率的选取要适合当前的信道要求，如图1-4与图1-5所示为基带信号与调制后的频带信号的频谱图。

图1-4基带信号的频谱图图1-5频带信号的频谱图

这里要指出几个基本概念—调制信号，载波和已调信号。

（1）调制信号：

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。

（2）载波：

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

（3）已调信号：

载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。

由式（1-1）可知如果要使频带信号

随着调制信号（信源）的变化而产生变化的频带信号的话可以使

以及

随着调制信号的变化而变化，由此可以将调制分为幅度调制和角度调制，其中角度调制又根据调制信号与相位与频率的关系分为相位调制与频率调制。

幅度调制——调制信号

的幅度

部分随着调制信号的变化而变化即消息内含于已调信号的幅值中。

例如，调幅（AM,DSB,SSB以及VSB），脉冲幅度调制（PAM），幅移键控调制（ASK）等。

频率调制——调制信号

的频率部分即

部分随着调制信号的变化而变化即消息信号与已调信号的频率部分成正比，使信息内含于频率中。

例如，调频（FM），脉冲频率调制（PFM），频移键控（FSK）等。

相位调制——调制信号

的相位部分

随着信号的变化而变化即消息信号与已调信号的相位部分成正比，使信息内含与相位中。

例如，调相（PM），脉冲位置调制（PPM），相移键控（PSK）等

1.1.3解调方式

解调是调制的逆过程，接收端的解调单元从收到的频带信号中还原出基带信号的消息信号，解调过程中要尽量抑制信道引入的噪声与畸变。

解调根据其工作方式可以分为相干解调（同步解调）和非相干解调（包络检波法）。

它们的去别是是否需要引入本地载波，相干解调需要引入与载波同频同相的本地载波而非相干解调则不需要。

非相干解调中调制信号只要经过包络检波器就能得到解调后的基带信号。

包络检波器常用的晶体二极管电路图如图1-6所示

图1-6包络检波电路图

其产生的包络包络检波波形如图1-7所示

图1-7包络检波波形

相干解调比非相干解调复杂得多，首先它要先产生一个与本地载波同频同相得本地载波实现频谱的下搬移，再通过一个低通滤波器之后才能得到基带信号。

其系统框图如图1-8所示。

图1-8相干解调系统框图

其中

是输入信号，

是本地载波在后面的分析中可以得到本地载波必须与载波同频同相，频谱下搬移信号

经过低通滤波器滤除高频分量后得到解调后的信号

。

2.角度解调

角度解调同样有非相干解调和相干解调两种方式。

非相干解调的原理是使用鉴频器将频率变化转换成电压变化，鉴频器有很多种类，而最常见的使用最广泛的是振幅鉴频器。

振幅鉴频器的原理是将变化的频率转换成幅度变化，再使用包络检波方式实现解调。

相干解调方式只适用于窄带调角信号中，由于窄带调角信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如下图所示

图1-9窄带调频信号的相干解调

1.1.4通信系统的基本性能指标

通信的根本任务是传送消息，因此，传送消息的有效性和可靠性是通信系统的基本性能指标。

有效性——指在给定的时间内能传输的信息内容的多少。

可靠性——指接收到的信息的准确程度。

这两个性能指标既相互矛盾又相互联系，并可以相互转换。

这两个性能指标在数字通信系统和模拟通信系统中的衡量方法是不同的。

数字通信系统的有效性通常用它提供的传输速率（单位为bps）来衡量。

一定速率的数字消息信号采用不同的传输方式时，所需要的信道带宽是不同的。

因此，当信道带宽一定时，通信系统能提供的速率越高，则有效性越好。

所以，在讨论系统的有效性是也应该将信道上的资源带宽考虑进去，于是有效性还可以进一步用频带利用率在衡量。

频带利用率的物理意义是平均每赫兹所能提供的传输速率，单位为bps/Hz。

其公式为

=传输速率/占用频带宽度。

数字通信系统的可靠性用平均比特差错概率来衡量，即误比特率（BER），其物理意义是传输中的错误比特数目占总比特数目的比率，即

BER=错误比特数目/传输的总比特数目

显然，BER越低，通信系统的可靠性越好。

模拟通信系统的有效性是用传输带宽来衡量的，同样的模拟消息信号采用不同的传输方式所需要的信道带宽是不同的，因此，传输同样带宽的消息信号所占用的信道带宽越少，则通信系统的有效性越高。

模拟通信系统的可靠性用接收端输出信号的性噪比（SNR）来衡量，SNR是信号与噪声功率的比值即SNR=信号功率/噪声功率，它反映了消息经传输后的“保真”程度。

1.2DSB通信系统

1.2.1DSB通信系统的产生

从式（1-1）可知最简单的幅度调制应该就是使

随着基带信号的变化而变化的幅度调制，这就是一致双边带调幅，其表达式为：

（1-2）

DSB信号的波形如下图所示

图1-10DSB信号的波形图

经分析可知DSB信号由于没有纯载波分量所以其调制效率为100%远远比传统调幅方式（AM信号）高。

从其表达式可以简单的得到DSB系统的调制方式，其模型如下图所示：

1-11DSB信号的调制

1.2.2DSB信号的频域分析

由式（1-2）经过傅里叶变换可以很容易得到其频域表达式

（1-3）

其基带信号以及频带信号频谱图如下图所示：

图1-12DSB信号的基带以及频带信号频谱图

图中的上半部分是基带信号

，易知带宽为其最高频率即

Hz，下半部分是频带信号的频谱图，从图中可以看出DSB频带信号的频谱图就是其基带信号的频谱图搬移到载波频率

处即基带信号的调制也就是频谱搬移的过程，亦可知其带宽是基带信号带宽的2倍即基带信号的带宽是B则频带信号的带宽

（1-4）

1.2.3DSB信号的功率

由信号与系统的知识可知信号

的功率为

（1-5）

这里引入归一化功率令R=1，求得DSB信号的功率

其中第二项为0，于是

（1-6）

1.2.4DSB信号的解调

由DSB信号表达式（1-2）以及其波形图（1-10）可知其包络已经不再与基带信号波形一致因此只有使用相干解调方式，其解调模型如下图所示：

LPF

图1-13DSB信号的相干解调模型

上图中的乘法器与低通滤波器级联构成相干解调器。

其中

是接收信号的本地载波。

经过低通滤波器（LPF）后滤去了高频分量后得到输出信号

如果本地载波做的好于载波完全同频同相即

以及

都为零则输出端可以得到无损的调制信号

。

1.3DSB信号的抗噪声性能分析

在1.1节中已经介绍过模拟通信系统的性能指标有两个即可靠性和有效性。

其中有效性用传输带宽来衡量，可靠性用性噪比来衡量。

在分析DSB信号的频谱图时得出了频带信号的带宽是基带信号的两倍即

=2B，B是基带信号的带宽。

性噪比分析：

输入信噪比定义

=解调器输入有用信号平均功率/解调器输入噪声平均功率

输出信噪比定义

=解调器输出有用信号功率/解调器输出信号品均功率

解调增益定义

根据分析得DSB系统的性能参数分别为

（1-6）

（1-7）

（1-8）

2.DSB通信系统的MATLAB仿真

MATLAB是一款功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件它具有数值分析，矩阵运算，数字信号处理，仿真建模，系统控制和优化等功能，被誉为“巨人肩膀上的工具”，它将高性能的科学计算，结果可视化和编程集中在一个易于操作的环境中。

目前，在世界范围内被科研工作者，工程技术人员和院校师生广泛应用，已经成为国际控制世界公认的标准计算机软件。

而SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真软件，在SIMULINK中，仿真模型表现为若干个仿真模块的集合以及这些模块之间的连接关系，这就使得仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷。

2.1本文在MATLAB中用到的重要函数介绍

MATLAB中的函数设计是为了实现特定的功能，这种函数有系统自带的也可以自己根据需要创建自定义函数。

本文主要用到的是系统自带函数，首先简单介绍下本次仿真用到的一些重点函数及其用法。

（1）FFT函数：

该函数实现对函数的快速傅里叶变换求得函数的频域表达式，其定义如下：

Y=fft（X） 

Y=fft（X,n） 

Y=fft（X,[],dim）

Y=fft（X,n,dim） 

（2）fftshift函数：

该函数是移动零频点到频谱中间，重新排列fft的输出结果，即如果期望绘制的幅频图的频率范围为0~fs，则无需运行fftshift变换，

如果期望绘制的幅频图的频率范围为-fs/2~fs/2，则需要运行fftshift变换。

使用方法，该函数一般是在使用fft函数之后在用fftshift函数对fft的结果运算，其语法为：

Y=fftshift（X）

Y=fftshift（X,dim）

（3）subplot函数：

subplot是将多个图画到一个平面上的函数。

使用方法为subplot（m,n,p），m表示是图排成m行，n表示图排成n列，也就是整个figure中有n个图是排成一行的，一共m行，如果m=2就是表示2行图。

p表示图所在的位置，p=1表示从左到右从上到