基于Matlab的AM调制解调.doc
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学号20100602050101
密级公开
本科毕业论文
基于Matlab的AM调制解调
及抗噪性能分析
学院名称：
专业名称：
学生姓名：
指导教师：
讲师
二〇一四年五月
AMModulationDemodulationandAntinoisePerformanceAnalysisBasedonMatlab
College：
y
Subject：
ElectronicSienceandTechnology
Name：
Directedby：
Zhecturer
May2014
郑重声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
摘要
本文主要的研究内容是依照传统模拟调制的规范，给出了AM调制解调的具体流程。
本论文研究的主要内容是了解AM信号的数学模型及调制方式以及其解调的方法；不同的解调方法在不同的信噪比情况下的解调效果,做出比较。
关键词：
Matlab；调制解调；AM；信噪比
ABSTRACT
Themainresearchcontentofthispaperisinaccordancewithtraditionalanalogmodulationstandard,thespecificprocessofAMmodulationanddemodulationisgiven.ThispaperstudiesthemaincontentistounderstandthemathematicalmodelofAMsignal,themodulationmethodandthedemodulationmethodofit,DifferentdemodulationmethodindifferentSNR,makingcomparisonofdemodulationeffect.
Keywords:
matlab；modulatoranddemodulator；am；signal-to-noise-ratio
目录
第1章绪论 1
1.1研究意义 1
1.2研究现状 1
1.3研究内容 2
第2章AM调制解调的原理 3
2.1AM的调制原理 3
2.2AM的解调原理 4
2.2.1AM波的相干解调 5
2.2.2AM波的非相干解调 6
2.3抗噪声性能分析 7
2.3.1相干解调的抗噪声性能 7
2.3.2非相干解调的抗噪声性能 8
第3章AM调制解调系统的仿真与分析 10
3.1Matlab简介 10
3.1.1Matlab的产生与发展 10
3.1.2Matlab的应用及特点 10
3.2AM调制调制的流程分析 11
3.3AM调制的仿真分析 12
3.4AM解调的仿真与分析 20
3.4.1AM的相干解调的仿真与分析 20
3.4.2AM非相干解调的仿真与分析 21
3.5抗噪声性能分析 24
3.5.1相干解调抗噪性能计算结果 24
3.5.2非相干解调的抗噪声性能计算结果 24
总结 26
参考文献 26
致谢 28
第1章绪论
1.1研究意义
调制就是使一个信号（如光、高频电磁振荡等）的某些参数（如振幅、频率等）按照另一个欲传输的信号（如声音、图像等）的特点变化的过程。
解调是调制的逆过程，它的作用是从已调波信号中取出原来的调制信号。
对于幅度调制来说，解调是从它的幅度变化提取调制信号的过程。
对于频率调制来说，解调是从它的频率变化提取调制信号的过程。
科学技术不断的在更新，在信号和模拟通信的中心问题是要把载有消息的信号经系统加工处理后，送入信道进行传送，从而实现消息的相互传递。
消息是声音、图像、文字、数据等多种媒体的集合体。
把消息通过能量转换器件，直接转变过来的电信号称为基带信号。
基带信号有模拟基带信号和数字基带信号。
模拟信号的载波调制电路里面经常要用到调制与解调。
而AM的调制与解调是最基本的，也是经常用到的.随着电脑的发展和普及，调制与解调在电脑通信中也有着十分重要的作用。
AM是调幅（AmplitudeModulation），用AM调制与解调可以在电路里面实现很多功能，制造出很多有用又实惠的电子产品，为我们的生活带来便利[1]。
随着电脑的发展和普及，调制与解调在电脑通信中也有着十分重要的作用应用。
1.2研究现状
用MATLAB仿真工具仿真的AM调制解调与解调器抗干扰性能分析的工作原理和工作过程,完成对调制与解调过程的分析以及相干解调器的抗干扰性能的分析。
通过对波形图的分析给出不同信噪比情况下的解调结果对比。
寻找最佳调试解调途径已相当重要。
其中将数字信息转换成模拟形式称调制，将模拟形式转换回数字信息称为解调。
调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。
也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。
这时候在接收端可以把调制信号解调出来，也就是把高频信号的幅度解读出来就可以得到调制信号了。
早期VHF频段的移动通信电台大都采用调幅方式，由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真，目前已很少采用。
调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅制，对移动信道有较好的适应性，现在世界上几乎所有模拟蜂窝系统都使用频率调制。
1.3研究内容
本文主要的研究内容是了解AM信号的数学模型及调制方式以及其解调的方法在不同的信噪比情况下的解调结果。
先从AM的调制研究，其次研究AM的解调以及一些有关的知识点，得出AM信号的数学模型及其调制与解调的框图和调制解调波形图，然后利用MATLAB编程语言实现对AM信号的调制与解调,给出不同信噪比情况下的解调结果对比。
第2章AM调制解调的原理
2.1AM的调制原理
AM是指对信号进行幅度调制[2]。
一般做法是先在原信号上叠加一个直流信号，以保证信号，然后乘上一个高频的余弦信号，即得到。
在频域上的效果就是将原信号的域谱移动到W处，以适合信道传输的最佳频率范围g（t）的包络线即，用一个简单的包络检测电路就可以接收并还原信号了。
AM调制
信道
信宿信号
AM解调
信源信号
加性噪声
图2.1仿真原理图
调制信号
（2.1）
载波信号
（2.2）
调幅信号的时域表达式
（2.3）
满足条件
（2.4）
幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度,使其按调制信号的规律变化的过程[3]。
幅度调制器的一般模型如图2.2所示。
h（t）
m（t）
图2.2幅度调制模型
在图2.2中，若假设滤波器[4]为全通网络（H（ω）＝1），调制信号mt叠加直流A0后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带（AM）调幅.AM调制器模型如图2.3所示:
m（t）
A0
图2.3AM调制模型
AM信号波形的包络与输入基带信号mt成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。
但为了保证包络检波时不发生失真，须满足，否则将出现过调幅现象而带来失真。
AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。
上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。
显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。
故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽信号带宽的两倍。
从图中可知发送信号m（t）和直流分量叠加后乘以高频载波后即可形成AM调制信号。
具体时域表波形为：
（2.5）=
对应的频谱波形为：
（2.6）
2.2AM的解调原理
解调是调制的逆过程，它的作用是从已调波信号中取原来的调制信号。
对于幅度调制来说，解调是从它的幅度变化提取调制信号的过程。
例如收音机里对调幅波的解调通常是利用二极管的单向导电特性，将幅度高频信号去掉一半，再利用电容器的充放电特性和低通滤波器去高频分量，就可以得到与包络形状相同的音频信号。
对于频率调制来说，解调是从它的频率变化提取调制信号的过程，频率解调要比幅度解调复杂，用普通检波电路时无法解调出调制信号的。
必须采用频率检波方式，如各类鉴频器电路。
2.2.1AM波的相干解调
AM相干解调器的构成原理：
相干解调器的关键是产生相干波[5]。
这里我选取载波本身作为相干波，进而满足同步的要求。
再通过低通滤波器滤除高频部分。
相干载波
（2.7）
与相干载波相乘
（2.8）
Sp（t）再经低通滤波器就得到了解调器的输出。
从理论上来说，各种信号都可以用正交调制的方法来实现，其时域形式都可以表示为：
（2.9）
若调制信号在数字域上实现要对式（2.6）进行数字化：
（2.10）
低通滤波器
图2.4AM解调的数字模型
图2.4显示给出了AM解调的数字模型。
由上图可知，解调端信道输出信号乘以跟发送端同频同相的高频载波后，经过低通滤波器提取低频分量，即可得到原始的基带调制信号。
由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。
解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。
相干解调的关键是是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。
如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。
具体理论推导如下：
送入解调器的AM的表达为：
（2.11）
与同频同相的相干载波：
（2.12）
相乘后得：
（2.13）
经历低通滤波器滤除高频信号后得：
（2.14）
再经过隔直流电容[6]后：
（2.15）
2.2.2AM波的非相干解调
所谓非相干解调是在接收端解调信号是不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信号来恢复原基带信号[7]。
因此，非相干解调一般只适合用幅度调制（AM）系统。
由于包络解调器电路简单，效率高，所以几乎所有的幅度调制（AM）接收机都采用这种电路。
图2.5AM信号的非相干解调原理
当RC满足条件时，包络检波器的输出基本与输入信号的包络变化呈线性关系，即：
（2.16）
其中，。
隔去直流后就得到原信号
2.3抗噪声性能分析
2.3.1相干解调的抗噪声性能
各种线性调制系统的相干解调模型如下图所示：
n（t）
m0（t）
np（t）
Sm（t）
n0（t）
LPF
BPF
Sm（t）
图2.6有噪声时包络检波器的数字模型
图中可以是各种调幅信号，如AM、DSB、SSB和VSB，带通滤波器的带宽等于已调信号带宽[10]。
下面讨论各种线性调制系统的抗噪声性能[11]。
AM信号的时域表达式为：
（2.17）
通过分析可得AM信号的平均功率为：
（2.18）
又已知输入功率,其中B表示已调信号的带宽。
由此可得AM信号在解调器的输入信噪比为：
（2.19）
AM信号经相干解调器的输出信号为：
（2.20）
因此解调后输出信号功率为：
（2.21）
在上图中输入噪声通过带通滤波器之后，变成窄带噪声，经乘法器相乘后的输出噪声为：
（2.22）
经LPF后，
（2.23）
因此解调器的输出噪声功率为：
（2.24）
可得AM信号经过解调器后的输出信噪比为：
（2.25）
由上面分析的解调器的输入、输出信噪比可得AM信号的信噪比增益为：
（2.26）
2.3.2非相干解调的抗噪声性能
只有AM信号可以采用非相干解调。
实际中，AM信号常采用包络检波器解调，有噪声时包络检波器的数字模型如下：
设包络检波器输入信号为：
，其中（2.27）
输入噪声为：
（2.28）
显然，解调器输入信噪功率
（2.29）
噪声功率
（2.30）
第3章AM调制解调系统的仿真与分析
3.1Matlab简介
MATLAB是一个交互式的系统，其基本数据元素是无须定义维数的数组。
这让你能解决很多技术计算的问题，尤其是那些要用到矩阵和向量表达式的问题。
而要花的时间则只是用一种标量非交互语言（例如C或Fortran）写一个程序的时间的一小部分。
名称“MATLAB”代表matrixlaboratory（矩阵实验室）。
MATLAB最初是编写来提供给对由LINPACK和EINPACK工程开发的矩阵软件简易访问的。
今天，MATLAB使用由LAPACK[8]和ARPACK[9]工程开发的软件，这些工程共同表现了矩阵计算的软件中的技术发展。
3.1.1Matlab的产生与发展
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
3.1.2Matlab的应用及特点
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
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。
特点有以下几点：
（1）高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。
（2）具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。
（3）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握。
（4）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等），为用户提,供了大量方便实用的处理工具。
3.2AM调制调制的流程分析
鉴于MATLAB以上的应用特点，用其分析AM信号调制解调中的抗噪声性能是一种相当精确的手段，如图3.1是AM信号调制解调流图。
产生100HZ调制信号
对信号进行AM调制
产生随机噪声，并与已调信号叠加
对信号进行解调
计算输入输出信噪比，得到调制指数
图3.1AM信号调制解调流程图
如上图所示：
1.先产生100HZ的调制信号及500HZ的载波。
2.对调制信号进行AM调制。
调制时注意载波分量必须大于信号的幅度，防止过条幅的发生。
3.产生随机噪声，并将之与已调AM信号叠加模拟信号经过信道收到噪声干扰的情况。
4.对信号进行相干解调，乘以载波并通过凯瑟窗低通滤波器，减去直流分量，滤出信号。
5.将之与原始信号相比较，算出输入和信噪比输出信噪比。
利用输入输出信噪比计算出AM调制增益，了解其抗噪声性能。
3.3AM调制的仿真分析
m（t）
图3.2AM信号的调制原理模型
m（t）为基带信号，它可以是确定信号，也可以是随机信号[10]，但通常认为它的平均值为0。
载波为
幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度,使其按调制信号的规律变化的过程。
幅度调制器的一般模型如图2.2所示。
在图3.2中，若假设滤波器为全通网络（H（ω）＝1），调制信号m（t）叠加直流A0后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带（AM）调幅.AM调制器模型如图2.3所示
AM信号波形的包络与输入基带信号m（t）成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号[11]。
但为了保证包络检波时不发生失真，须满足，否则将出现过调幅现象而带来失真。
AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。
上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。
显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。
故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽信号带宽的两倍。
从图中可知发送信号m（t）和直流分量A0叠加后乘以高频载波后即可形成AM调制信号。
具体时域表波形为：
（3.1）
对应的频谱波形[12]为：
（3.2）
（1）程序代码
clc;
fm=100;
fc=500;
fs=5000;
Am=1;
A=2;
N=512;
K=N-1;
n=0:
N-1;
t=（0:
1/fs:
K/fs）;
yt=Am*cos（2*pi*fm*t）;
figure
（1）
subplot（1,1,1）,plot（t,yt）,title（'频率为3000的调制信号f1的时域波'）;
y0=A+yt;
y2=y0.*cos（2*pi*fc*n/fs）;
y3=fft（y2,N）;%fft变换
q1=（0:
N/2-1）*fs/N;
mx1=abs（y3（1:
N/2））;
figure
（2）
subplot（2,1,1）;
plot（t,y2）;
title（'已调信号的时域波'）;
subplot（2,1,2）;
plot（q1,mx1）;
title（'f1已调信号的频谱'）;%绘图
yc=cos（2*pi*fc*t）;
figure（3）
subplot（2,1,1）,plot（t,yc）,title（'载波fc时域波形'）
N=512;
n=0:
N-1;
yc1=Am*cos（2*pi*fc*n/fs）;
y3=fft（yc1,N）;
q=（0:
N/2-1）*fs/N;
mx=abs（y3（1:
N/2））;
figure（3）
subplot（2,1,2）,plot（q,mx）,title（'载波fc频谱'）
y4=0.01*randn（1,length（t））;%用RANDN产生高斯分布序列
w=y4.^2;%噪声功率
figure（4）
subplot（2,1,1）;
plot（t,y4）;
title（'高斯白噪声时域波形'）
y5=fft（y4,N）;
q2=（0:
N/2-1）*fs/N;
mx2=abs（y5（1:
N/2））;
subplot（2,1,2）,plot（q2,mx2）,title（'高斯白噪声频域波形'）
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