DSB调制系统的设计课程设计Word格式.docx
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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的。
为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号波长相比拟，而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，只是天线过长而难以实现。
但若通过调制，把基带信号的频谱搬至较高的载波频率上，是已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。
第二，把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。
第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。
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。
解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。
解调的方法可分为两类：
相干解调和非相干解调（包络检波）。
相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，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。
本次课程设计主要利用相干解调的方法用以实现。
1.2双边带调制系统
1.2.1幅度调制及DSB调制及解调的原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。
其中，设正弦载波为式（1-1）
（1-1）
式（1-1）中，
为载波幅度；
为载波角频率；
为初始相位（假定
为0）。
根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示为式（1-2）
（1-2）
式（1-2）中m（t）为基带调制信号。
设调制信号的频谱为，则由式（1-2）的已调信号的频谱为式（1-3）
（1-3）
由以上表示式可见，在波形上，幅度已调信号随基带信号的规律呈正比地变化；
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。
在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。
如果将载波抑制，只需在将直流
去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。
DSB调制器模型如图1所示。
图1.1DSB调制器模型
其时域表达式为式（1-4）
（1-4）
式中假设m（t）的平均值为0，则DSB的频谱为式（1-5）
（1-5）
其典型的波形和频谱如下图1.2
图1.2理论上DSB信号的波形及频谱
解调是调制的逆过程，DSB中采用相干解调，也叫做同步检波。
它的过程为把在载频位置的已调信号的谱搬回原始基带的位置，因此同样可以采用相乘器与载波相乘来实现。
相干解调器的模型如下图1.3所示
图1.3DSB相干解调模型
设图1.3的输入为DSB信号为式（1-6）
（1-6）
乘法器输出为式（1-7）
（1-7）
通过低通滤波器后为式（1-8）
（1-8）
当
常数时，解调输出信号为式（1-9）
（1-9）
1.2.2DSB的误码率性能
由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能主要用解调器的抗噪声性能来衡量。
为了对不同调制方式下各种解调器性能进行度量，通常采用信噪比增益G（又称调制制度增益）来表示解调器的抗噪声性能。
有加性噪声时解调器的数学模型如图1.4所示
图1.4有加性噪声时解调器的数学模型
图1.4中
为已调信号，
为加性高斯白噪声。
和
首先经过带通滤波器，滤出有用信号，滤除带外的噪声。
经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号为
、噪声为高斯窄带噪声
，显然解调器输入端的噪声带宽与已调信号的带宽是相同的。
最后经解调器解调输出的有用信号为
，噪声为
。
设解调器输入信号为式（1-10）
（1-10）
与相干载波
相乘后，得式（1-11）
（1-11）
经低通滤波器后，输出信号为式（1-12）
（1-12）
因此，解调器输出端的有用信号功率为式（1-13）
（1-13）
解调DSB信号时，接收机中的带通滤波器的中心频率
与调制载频
相同，因此解调器输出端的窄带噪声
可表示为式（1-14）
（1-14）
它与相干载波相乘后，得式（1-15）和（1-16）
（1-15）
（1-16）
经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为式（1-17）
（1-17）
故输出噪声功率为式（1-18）
（1-18）
这里，
为DSB信号的带通滤波器的带宽。
解调器输入信号平均功率为式（1-19）
（1-19）
可得解调器的输入信噪比为式（1-20）
（1-20）
同时可得解调器的输出信噪比为式（1-21）
（1-21）
因此制度增益为式（1-22）
（1-22）
由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。
也就是说DSB信号的解调器使信噪比改善了一倍。
这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量
被消除的缘故。
二、MATLAB软件简介
2.1MATLAB的基本信息
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
2.2MATLAB的组成部分
（1）开发环境（developmentEnvironment）：
一组图形化用户接口工具和组件的集成：
MATLAB桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、工作空间、文件和搜索路径等浏览器;
（2）MATLAB数学函数库：
（MathFunctionLibrary）基本函数：
求和、正弦、余弦和复数运算等；
特殊函数：
矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数和快速付里叶变换等;
（3）MATLAB语言：
（MATLABLanguage）一种高级编程语言，包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编程；
（4）句柄图形：
（HandleGraphics）可以对各种图形对象进行更为细腻的修饰和控制，建立完整的图形界面的应用程序;
（5）应用程序接口：
（AppliedFunctionInterface）MATLAB的应用程序接口允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序与MATLAB连接。
2.3MATLAB的特点
（1）此高级语言可用于技术计算;
（2）此开发环境可对代码、文件和数据进行管理;
（3）交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题;
（4）数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等;
（5）二维和三维图形函数可用于可视化数据;
（6）各种工具可用于构建自定义的图形用户界面;
（7）各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成。
2.4MATLAB的优势
（1）友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
（2）简单易用的程序语言
Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
（3）强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。
在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。
MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。
函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
（4）出色的图形处理功能
图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。
同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。
另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
（5）应用广泛的模块集合工具箱
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。
一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。
目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。
（6）实用的程序接口和发布平台
新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。
允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。
另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。
MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。
工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。
（7）应用软件开发（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；
在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；
在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；
在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。
三、DSB调制解调的仿真及结果分析
3.1设计思路及几个常用函数介绍
3.1.1设计思路
本次课程设计主要是DSB调制解调系统的设计，因此分为三个部分：
1.基带信号和噪声相同，载波信号不同的情况；
2.载波信号和噪声相同，基带信号不同的情况；
3.基带信号和载波信号相同，噪声不同的情况；
3.1.2常用函数介绍
1.信号DSB调制采用MATLAB函数modulate实现；
函数格式为Y=MODULATE（X,Fc,Fs,METHOD,OPT）；
X为基带调制信号，Fc为载波频率，Fs为抽样频率，METHOD为调制方式选择，DSB调制时为’am’，OPT在DSB调制时可不选，Fs需满足Fs>
2*Fc+BW，BW为调制信号带宽。
2.DSB信号解调采用MATLAB函数demod实现；
函数使用格式为：
X=DEMOD（Y,Fc,Fs,METHOD,OPT）；
Y为DSB已调信号，Fc为载波频率，Fs为抽样频率，METHOD为解调方式选择，DSB解调时为’am’，OPT在DSB调制时可不选。
3.观察信号频谱需对信号进行傅里叶变换，采用MATLAB函数fft实现；
函数常使用格式为：
Y=FFT（X,N）；
X为时域函数，N为傅里叶变换点数选择，一般取值。
频域变换后，对频域函数取模，格式：
Y1=ABS（Y），再进行频率转换，转换方法：
f=（0:
length（Y）-1）’*Fs/length（Y）
4.分析解调器的抗噪性能时，在输入端加入高斯白噪声，采用MATLAB函数awgn实现；
函数使用格式为：
Y=AWGN（X,SNR），加高斯白噪声于X中，SNR为信噪比，单位为dB，其值在假设X的功率为0dBM的情况下确定。
5.信号的信噪比为信号中有用的信号功率与噪声功率的比值，根据信号功率定义，采用MATLAB函数var实现；
Y=VAR（X），返回向量的方差，则信噪比为:
SNR=VAR（X1）/VAR（X2）。
6.绘制曲线采用MATLAB函数plot实现；
其函数常使用格式：
PLOT（X，Y），X为横轴变量，Y为纵轴变量，坐标范围限定AXIS（[x1x2y1y2]），轴线说明XLABEL（‘‘）和YLABEL（‘‘）。
3.2仿真及结果分析
下面将按三部分的顺序依次进行仿真分析。
基带信号：
x=a*sin（2*pi*300*t）
高斯白噪声：
yn=awgn（y,5）;
yn1=awgn（y,10）;
yn2=awgn（y,15）;
yn3=awgn（y,20）;
yn4=awgn（y,25）;
载波信号：
z=cos（2*pi*Fc*t）;
分为两种情况：
Fc=30KHZ,Fc=35KHZ;
调制信号和已调信号的波形与频谱图对比如下图3.1和图3.2
图3.1Fc=30KHZ时的调制信号和已调信号的波形和频谱
图3.2Fc=35KHZ时的调制信号和已调信号的波形和频谱
由以上两个图可得，因为基带信号相同，所以调制信号的波形和频谱都是相同的，已调信号的波形的频谱都不相同，频谱图中其频率分别在Fc=30khz,Fc=35khz处，即载波的频率。
（2）加噪声和无噪声信号的波形和频谱，解调信号频谱对比图如下图3.3和图3.4
图3.3Fc=30KHZ时加噪声和不加噪声解调信号的波形和频谱，解调信号频谱图
图3.4Fc=35KHZ时加噪声和不加噪声解调信号的波形和频谱，解调信号频谱图
由以上两图可得结论，当载波的频率不相同时，其加噪声解调信号，无噪声解调信号的波形都不一样，解调信号频谱都一样，因为解调过后的信号波形与载波已经没有关系。
（3）输入信噪比和输出信噪比关系图如下图3.5和图3.6
图3.5Fc=30KHZ时输入信噪比与输出信噪比关系图
若取图里面的点（10,20），（40,80），（80,160），因为增益是输出信噪比和输入信噪比的比值，上面三组的比值近似于2，符合理论值。
图3.6Fc=30KHZ时输入信噪比与输出信噪比关系图
若取图里面的点（20,40），（50,100），（80,160），因为增益是输出信噪比和输入信噪比的比值，上面三组的比值近似于2，符合理论值。
（4）载波信号的波形和频谱对比图如下图3.7和图3.8
图3.7Fc=30KHZ时载波信号的波形和频谱图
图3.8Fc=35KHZ时载波信号的波形和频谱图
由以上两图能直接看出其波形都是余弦波，并且由其频谱图直接可以读出它的频率。
2.载波信号和噪声相同，基带信号不同的情况；
（1）正弦波：
x=a*sin（2*pi*300*t）；
（2）方波：
m=a*square（w0*t,50）;
（1）调制信号和已调信号的波形和频谱对比
图3.9基带信号为正弦波的调制信号和已调信号的波形和频谱
图3.10基带信号为方波的调制信号和已调信号的波形和频谱
由以上两图可得，因为基带信号不同，所以调制信号和已调信号都不相同，一个为正弦波，一个为方波，但它们的频率都是一样的，都为300HZ，
（2）加噪声和无噪声解调信号的波形和频谱，解调信号对比
图3.11基带信号为正弦波的加噪声和不加噪声解调信号波形和频谱
图3.12基带信号为方波的加噪声和不加噪声解调信号波形和频谱
当单独分析两个图时，可对比加噪声和不加噪声的图，可得结论，加噪声的图有失真。
当对比两张图时，得出结论，基带信号不同，加噪声后波形都有失真，解调后的信号其频谱与原调制信号的频谱图相同。
（3）输入信噪比和输出信噪比关系图
图3.13基带信号为正弦波的信号的输入信噪比和输出信噪比关系图
图3.14基带信号为方波的信号的输入信噪比和输出信噪比关系图
若取图里面的点（20,40），（50,100），（80,160），因为增益是输出信噪比和输入信噪比的比值，上面三组的比值近似于2，符合理论值。
3.信号相同，噪声不同的情况；
基带信号和载波基带信号：
（1）yn=awgn（y,5）;
（2）yn=awgn（y,15）;
因为只有噪声是不同的，所以，其调制信号和已调信号的波形及频谱都是相同的，如图3.1，图3.3，图3.4
图3.15输入信噪比为5dB时的加噪声和不加噪声的解调信号波形及频谱
图3.16输入信噪比为15dB时的加噪声和不加噪声的解调信号波形及频谱
总结
本次课程设计研究的重点是对基于MATLAB的16QAM正交幅度调制解调系统进行设计与仿真。
本次课程设计所做工作如下：
1.对DSB调制解调系统基本原理进行了较为深入地理解与分析，并且根据其原理编制了仿真程序。
2.较为熟悉地掌握了MATLAB软件在通信系统设计与仿真的基本步骤与方法。
3.利用MATLAB实现了DSB调制与解调系统的设计，实现与仿真，并得到相应的调制解调波形，包括输入信噪比与输出信噪比关系图，载波波形及频谱图，基带信号为方波和正弦波时的波形和频谱图，载波幅值不相等时的波形和频谱图。
4.从仿真过程看，输入信噪比越大，其输出信噪比越大，两者成正比。
参考文献
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《详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真（配视频教程）》。
电子工业出版社，2011.11（89-101）
附录
1.基带信号不同，分别为正弦波和方波，载波和噪声相同时的情况仿真图如图所示
（1）.载波为余弦波，频率为30KHZ;
基带信号为正弦波时的程序如下：
function[
升级会员 