基于MATLAB的AM信号的调制与解调.docx
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基于MATLAB的AM信号的调制与解调
设计题目2FSK调制与解调系统仿真与分析
学生信息
姓名
性别
男
班级
通信1203
学号
任务要求
1.熟悉使用MATLAIB和simulink软件环境及使用方法,包括函数,原理和方法的应用。
2.熟悉AM调制与解调的方法。
3.调制出AM信号的时域波形图及频域波形图。
所需实验设备、器材、软件
计算机,Matlab软件
设计与制作方案、所用方法及技术路线
本设计研究的内容是利用MATLAB中的simulink的仿真功能来实现AM的调制与解调,
实现步骤如下:
1.产生AM调制信号。
2.对信号进行调制,产生调制信号。
3.绘制调制及解调时域波形图和频谱图。
4.改变采样频率后,绘制调制及解调时域波形图和频谱图。
5.加噪后,绘制调制及解调时域波形图和频谱图,分析噪声对调制信号和解调信号的影响。
设计与制作进度
第1周:
分析题目,方案设计;第2周:
软件设计;第3周:
系统仿真,完成设计;第四周:
完成报告。
设计与制作完成情况
这4周时间里,我们完成了对AM信号调制与解调的仿真,通过改变采样频率,绘制不
同的时域波形图和频谱图,然后添加噪声,绘制时域波形图和频谱图,最后分析噪声对调制信号和解调信号的影响。
设计与制作收获及总结
通过这次设计,学会了使用仿真软件Matlab,复习了在通原课程中学习的AM调制与解
调,对以后的学习和工作都起到了一定的作用,加强了动手能力和学业技能。
这次课程设计我受益匪浅。
学生签字年月日
设计与制作成绩(五级制)
指导老师签字年月日
教研室意见
教研室主任签字年月日
备注:
学生除填写本表相应的内容外,还应撰写一份完整的设计与制作报告
MATLABAM
1203
723003
AM
AM
AM
MATLAB
AM
[]AM
AM
AM
[]AM;;;MATLAB.
ModulationanddemodulationofAMsignal
basedonMATLAB
(Grade2012,Class3,MajorofCommunicationEngineering,SchoolofPhysicsandTelecommunication
EngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi)
Tutor:
JingMingying
[Abstract]:
ThemaincontentofthispaperistounderstandthemathematicalmodeloftheAMsignalandthemodulationandthedemodulationmethod.Demodulationdifferentmethodsindifferentcircumstancesofthedemodulationsignaltonoiseratiotheresultsofmethodsthatbetter,tomakethecomparison.RequirementismorethandoublethesoundandtheAMsignalmodulationanddemodulation.AMmodulationfirststudyofitsfunctionandinreallifeuse.AMdemodulationfollowedbyresearch,aswellassomerelatedknowledge,aswellasthroughitsuseofcommunicationsmorein-depthunderstandingofit.AMsignalfromthetoneofthemathematicalmodelandthemodulationanddemodulationmethods,thetwo-toneAMsignaltodrawamathematicalmodelandtheblockdiagramofmodulationanddemodulationandmodulationanddemodulationwaveforms.MATLABprogrammingIanguagetousetoachievethetwo-toneAMsignalmodulationanddemodulation,giventhedifferentcircumstancesofthedemodulationsignaltonoiseratiocomparedtheresults.
[Keywords]:
AMsignal,Modulation,Demodulation,Noiseratiosignal,MATLAB
11
1.11
1.21
2.AM3
2.13
2.1.13
2.1.23
2.24
2.3AM4
2.3.1AM4
2.3.2AM5
3.AM6
3.1AM6
3.2AM6
3.3AM6
4.7
4.17
4.29
4.39
5.AM9
5.1AM9
5.1.19
5.1.210
5.1.312
5.2AM13
5.2.1AM13
5.2.213
5.2.314
5.2.415
6.AM16
720
21
22
1■绪论
1.1背景以及意义
现在的社会越来越发达,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。
它们多为低频带限信号(如:
音频信号为30—3400Hz,
图像信号为0—6MHz),易受外来干扰的影响,还受到设备元器件的限制,且不易产生电磁波信号变
化越快电磁辐射能力越强),不能进行无线传输也不能实现多路复用。
为了克服以上缺点通过调制技术就可以把基带信号(也叫调制信号)变为具有一定带宽的适合于信道传输的频带信号。
调制的过程也
就是对信号进行频谱搬移的过程。
我们把经过一定加工处理的含有消息的可解读的电信号称之为信息(1nformation),信息是一个不确定的概率的函数。
信息的加工、处理和相互传递是现代通信的基础,
是通信所要解决的实质问题。
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。
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。
在我们日常生活中用的收音机也是采用了AM调制方式,而且在军事和民用领域都有十分重要的研究课题。
1.2发展前景
在无线电技术中,调制与解调占有十分重要的地位。
假如没有调制与解调技术,就没有无线电通信,没有广播和电视,也没有今天的BP寻呼、手持电话、传真、电脑通信及Internet国际互联
网。
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。
例如某中波广播电台的频率为540kHz,这个
频率是指载波的频率,它是由高频电磁振荡产生的等幅正弦波频率。
用所要传播的语言或音乐信号去改变高频振荡的幅度,使高频振荡的幅度随语言或音乐信号的变化而变化,这个控制过程就称为调制。
其中语言或音乐信号叫做调制信号,调制后的载波就载有调制信号所包含的信息,称为已调波。
调制在无线电发信机中应用最广。
图1-1为发信机的原理框图。
高频振荡器负责产生载波信号,
把要传送的信号与高频振荡信号一起送入调制器后,高频振荡被调制,经放大后由天线以电磁波的形式辐射出去。
其中调制器有两个输入端和一个输出端。
这两个输入分别为被调制信号和调制信号。
一个输出就是合成的已调制的载波信号。
例如,最简单的调制就是把两个输入信号分别加到晶体管的基极和发射极,集电极输出的便是已调信号。
为什么要用语言或音乐信号去控制高频振荡呢?
原来要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方,需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化;同时信号的波长要与天线的长度相匹配。
语言或音乐信号的频率太低,无法产生迅速变化的电场和磁场;相应地,它们的波长又太大,即使选用它的最高频率20000Hz来计算,其波长仍为15000m,实际上是不可能架设
这么长的天线的。
看来要把信号传递出去,必须提高频率,缩短波长。
可是超过20kHz的高频信号,人耳就听不见了。
为了解决这个矛盾,只有采用把音频信号搭乘”在高频载波上,也就是调制,借
助于高频电磁波将低频信号发射出去,传向远方。
图1-1发信机的原理框图
按照被调制信号参数的不同,调制的方式也不同。
如果被控制的参数是高频振荡的幅度,则称这种调制方式为幅度调制,简称调幅;如果被控制的参数是高频振荡的频率或相位,则称这种调制方式为频率调制或相位调制,简称调频或调相(调频与调相又统称调角)。
幅度调制的特点是载波的频率始终保持不变,它的振幅却是变化的。
其幅度变化曲线与要传递的低频信号是相似的。
它的振幅变化曲线称之为包络线,代表了要传递的信息,见图1-2。
幅度
调制在中、短波广播和通信中使用甚多。
幅度调制的不足是抗干扰能力差,因为各种工业干扰和天电干扰都会以调幅的形式叠加在载波上,成为干扰和杂波⑶。
图1.2幅度调制原理
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。
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,将调幅高频信号去掉一半,再利用电容器的充放电特性和低通滤波器滤去高频分量,就可以得到与包络线形状相同的音频信号,见图1-3。
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,用普通检波电路是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。
关于鉴频器电路可参阅有关资料,这里不再细述。
VD
1-3
Modem
Modem
2.AM
2.1
2.1.1
(1)
⑵
⑶
2.1.2
p(i)(i=0,1,…,M-1)
M
Nk/2
N』2(i二0,1;,M-1)
(k
p(0)=ip(i)=0(i=1,2厂
M-1)
N0/2
3
22
高斯白噪声功率谱
050000100000
f/Hz
噪声。
信道的参数不可能是一直恒定的,它有可能会发生突变,这体现在时间下标k上。
但通常认
为在考察时间段内,这种突变发生的概率是很小的,即认为信道在考察时间段内是平稳的AWGN信
道⑶。
因此本文认为信道中的噪声都是平稳加性高斯白噪声。
图2-1给出了高斯白噪声的时域波形及频谱。
高斯白噪声时域波形图
1
0
-1
0500010000
采样点数
图2-1高斯白噪声的时域波形及其频谱
从图2-1可以看出,高斯白噪声在时域的显著特征是波形比较杂乱,没有任何的规律可言;在频域的显著特征是频谱非常平坦,其功率在整个频带范围内均匀分布。
2.2通用调制模型
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:
s(t)=I(t)cos(^0t)+Q(t)sin(w0t)(2.1)
若调制信号在数字域上实现时要对式(2.2.1)进行数字化:
s(n)=1(n)cos(
)Q(n)sin(
(2.2)
从式(2.1)和式(2.2)可以看出,调制信号的信息都应该包括在I(t)和Q(t)内。
图2-2给出了调制信
号的正交调制框图。
本文规定所有调制信号所调制时所用载波的初始相位均为0,在后面的分析中不再另作说明。
sinC.°t)
图2-2调制信号正交调制框图
2.3AM信号的调制原理
2.3.1AM信号数字模型以及特点
AM是指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。
制原理模型如下⑹:
AM信号的调
图2-3AM信号的调制原理模型
M(t)为基带信号,它可以是确知信号,也可以是随机信号,但通常认为它的平均值为0•载波
为
C(t)=A)COS(Wct-00)(2.3)
上式中,Ac为载波振幅,Wc为载波角频率①⑴为载波的初始相位。
2.3.2AM信号的波形和频谱特性
虽然实际模拟基带信号m(t)是随机的,但我们还是从简单入手,先考虑m(t)是确知信号的傅氏
频谱,然后在分析m(t)是随机信号时调幅信号的功率谱密度。
可知[7]
Sam二[A0m(t)]coswCt二A0coswCtm(t)coswCt(2.4)
设m(t)的频谱为M(w),由傅氏变换的理论可得已调信号
1
Sam(w)=jiA0[S(w-wc)S(wwc)][M(w-wc)M(wwc)](2.5)
2
AM的波形和相应的频谱图如下
图2-4AM信号的时域波形及其频谱
可以看出,第一:
AM的频谱与基带信号的频谱呈线性关系,只是将基带信号的频谱搬移,并
fH
3.AM
3.1AM
[6]
AM
AM
AM
AM
AM
BAM-2fH
(2.6)
3.1AM
3.2AM
AM
(3.2)
2
Sam⑴-cosWet=[A-m(t)]cosWet
11(3.1)
[Aom(t)][Aom(t)]cos2Wet
22
1
Mo⑴匚[AoM(T)]
3.3AM
7
AM
*0
二%«)
I__i
io
3-2AM
RC
(3.3)
max
m(t)
4.
[9]
50No
51M
[8]
G
4.1
Sm(t)n(t)
njt)
m0(t)n°(t)
4.1
4-1AM
Sm(t)n(t)
Sm(t)
4-2
BPF
必(f)丹⑴
——►
询y
cos呻
图4-2线性调制系统的相干解调模型
图中Sm(t)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【3】。
下面讨论各种线性调制系统的抗噪声性能⑺。
AM信号的时域表达式为
Sam(t)二[Ao+m(t)]coswct
(4.1)
通过分析可得AM信号的平均功率为
A.m2(t)
22又已知输入功率叫二n0B,其中B表示已调信号的带宽。
(S)AM
(4.2)
由此可得AM信号在解调器的输入信噪比为
(Si.Ni)am
Am2(t)A2m2(t)
2n°BAM
(4.3)
AM信号经相干解调器的输出信号为
(4.4)
因此解调后输出信号功率为
212
=m0(t)m(t)
4
在上图中输入噪声通过带通滤波器之后,变成窄带噪声ni(t),经乘法器相乘后的输出噪声为
np(t)=nj(t)coswct=[nc(t)coswct-ns(t)sinwct]coswct
11
nc(t)[nc(t)cos2w£-ns(t)sin2wct]
22
(S0)AM
(4.5)
(4.6)
经LPF后,
(4.7)
因此解调器的输出噪声功率为
2121
(4.8)
n0(t"严(“广
可得AM信号经过解调器后的输出信噪比为
(S0「N0)am
m2(t)m2(t)
n°B2n
第8页共22页
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
Gam
50No2m2(t)
51NiA0m2(t)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(4.佝
(4.14)
GAM
2
S°N0_2m(t)
SiNiAom2(t)
(4.15)
4.2非相干解调的抗噪声性能只有AM信号字模型
Sm(t)=[Ao+m(t)]COSWct,其中代首m(t)max输入噪声ni(t)为
ni(t)=nc(t)coswct-ns(t)sinwct
显然,解调器输入信噪功率
m2(t)
2
噪声功率
Ni=n2(t)=n°B
大信噪比的情况:
所谓大信噪比是指输入信号幅度远大于噪声幅度⑶。
即满足条件A0m(t)ni(t)
由此可知,包络检波器输出的有用信号是m(t),输出噪声是nc(t),信号与噪声是分开的。
直流成分A0可被低通滤波器滤除。
故输出的平均信号功率及平均噪声功率分别为
S0=m(t)
(4.14)
22
N°=nc(t)二m(t)二n°B
于是,可以得到
此结果与相干解调时得到的噪声增益一致。
可见在大噪声比情况下,AM信号包络检波器的性
能几乎与相干解调性能相同。
4.3小信噪比情况
所谓小信噪比是指噪声幅度远大于信号幅度。
在此情况下,包络检波器会把有用信号扰乱成噪声,即有用信号淹没”在噪声中,这种现象通常称为门限效应。
进一步说,所谓门限效应,就是当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后,检波器输出信噪比出现急剧恶化的一种现象。
小信噪比输入时,包络检波器输出信噪比计算很复杂,而且详细计算它一般也无必要
5.AM调制与解调的仿真
5.1AM调制
5.1.1建立仿真模型
AM信号的调制仿真如图5-1所示:
simulink5-1
sinewave
constant
Sinewave
fl
AM
5.1.2
5-2
'USourceBlockPararneter^;SineWavel
S^Jhplesperperiod二2*pi/CFtequency*Sanple"time
Number□£o££setsamples=Phase*Samplesperperiod/(2*pi)
Usetheeample-basedsinetypeifnumericalproblemsduet□runningforlar百etimes(e\百*overflowinabsolutetime)occur.
Paraneters
Sinetype:
Timebased
TimeCt):
Usesimulationtime
Amplitude:
Bias;
Frequency(rad/sec):
60
Phase(rad):
Sampletime:
rn
OK
Cancel
Help
载波信号的幅度为1,频率为60rad/s.
图5-3基波参数
HSourceBlockParameters:
Coinstant
Ccnstant
OutputthecmstairtspecifiedbytheJConstantvalueRparameter.IfConstantvalue'isavectorand?
InterpretvectorparametsrsasbD?
isorijtreattheconstantvalueasa1-Darray,.Otherwise,outputamatriswiththesamedimensionsastheconstantvalue・
HainSignalAttrib址勢
Constantvalue:
dZIC^uncel[血Ip
调制信号的幅度为1,频率为5rad/s.直流分量信号幅度为2.
示波器设置:
'Scopepdrameters
Ggnewlf)ataHistoryTip:
tryrightchcktngonaxes
Axes
图5-5示波器设置
5.1.3仿真波形图
经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真,其各点的时间波形图5-6所示
改变直流偏量为4v,其它参数不变,观察示波器显示波形如图5-7所示,调制深度小,功率利
用率越低。
AM调制在满调幅”的条件下,调制效率为最大值的1/3。
图5-6示波器显示波形
Timeoffset:
Q
5-7
5.2AM
5.2.1AM
productsinewave2
22
AnalogFilterDesign
13
图5-9相干载波参数设置
低通滤波器参数设置如图5-10所示:
图5-10低通滤波器参数设置
5.2.3仿真波形图
图5-11为仿真的波形,图中第一个为载波信号,第二个为载波信号,第三个是已调信号,第四个为相干解调输出。
Tim?
o-fteet:
Q
图5-11解调输出波形
5.2.4相干解调抗噪声性能分析
相干解调抗噪声性能分析如图5-12所示:
图5-12AM相干解调噪声性能分析模型
5-13
上图根据噪声性能分析模型,得到simulink中相干解调抗噪性能分析框图,分析模型如图
所示。
图5-13信道高斯白噪声仿真框图
其中Band-LimitedWhiteNoise为带限白噪声,以模拟高斯白噪声通过低通滤波器后的噪声,已调信号和带限白噪声经过加法器后的信号模拟已调信号信道后的输出信号,与本地相干载波相乘经过低通滤波器,输出解调信号。
各部分波形如图5-13所示。
5-11
其中,第一个为调制信号波形,第二个为载波信号波形,第三个为调制信号波形,第四个为信
道接收到的有噪声影响的信号,第五个为有噪声条件下的解调信号。
由图5-13中解调信号和图
中解调信号对比可知,在有噪声影响的条件下,解调信号幅度降低。
图5-14示波器显示波形
6.AM信号的频谱分析
加入噪声频谱分析的原理图如图6-1所示:
6-1
6-1
aSinkBlockParameters:
SpectrumScope
6-2
nwntitled321/SpectrumScope2
6-3
6-4
图6-5解调信号频谱
如图6-5所示,由于元器件的不理想性,在频谱上可以很清晰地发现频谱结果和理论原理有
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