基于MATLAB的AM调制及解调系统仿真.docx

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基于MATLAB的AM调制及解调系统仿真

基于MATLAB的AM调制及解调系统仿真

摘要:

振幅调制、解调电路是信号在发射机和接收机之间进行传送时的信号处理电路。

标准振幅调制与解调电路实际上是完成信号频谱的线性搬移，以便于信号的传送。

MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，具有强大的软件仿真建模能力，可通过MATLAB建立完整的AM调制、解调系统的仿真模型，描绘出信号在调制与解调过程的波形变化，探究调制解调的影响因素，以便于更好的了解AM调制与解调的过程。

关键词：

MATLABAM调制解调

Abstract:

theamplitudemodulationanddemodulationcircuitisthesignalsbetweenthetransmitterandreceiverofthesignalprocessingcircuit.Standardofamplitudemodulationanddemodulationcircuitisactuallythecompletespectrumoflinearmove,sothatthetransferofasignal.MATLABisakindofforalgorithmdevelopment,datavisualization,dataanalysisandnumericalcalculationofseniortechnicalcomputinglanguageandinteractiveenvironment,isapowerfulsoftwaresimulationmodelingability,canbuildcompleteAMmodulationanddemodulationsystembyMATLAB,asimulationmodelofdescribingthewaveformofthesignalinthemodulationanddemodulationprocesschanges,toexploretheinfluencingfactorsofmodem,soastobetterunderstandtheAMmodulationanddemodulationprocess.

Keywords:

MATLABAMmodulationdemodulation

1.引言

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。

振幅调制常用于长波、中波、短波和超短波的无线电广播、通信、电视、雷达等系统。

这种调制方式是用传递的低频信号（如代表语言、音乐、图像的电信号）去控制作为传送载体的高频振荡波的幅度，使已调信号的幅度随调制信号的大小线性变化，而保持载波的角频率不变。

在振幅调制中，根据所输出已调波信号频谱分量的不同，分为普通调幅（标准调幅，用AM表示）、抑制载波的双边带调幅（用DSB表示）、抑制载波的单边带调幅（用SSB表示）等。

它们主要的区别是产生的方法和频谱的结构不同。

标准振幅调制（AM）是一种相对便宜的、设备简单、占用频带窄的调制形式，主要用于声频和视频的商业广播，也能用于双向移动无线通信，如民用波段广播。

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

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等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB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。

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，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯等领域。

利用MATLAB研究建立AM调制解调系统的仿真模型，并对调制解调过程中的影响因素进行分析，可视性强，更利于表现其特点。

2.原理说明

2.1振幅调制（AM）原理及特性

2.1.1标准调幅波的表达式

设载波电压为

（2-1）

调制电压为：

（2-2）

通常满足

>>

。

根据振幅调制信号的定义，已调信号的振幅随调制信号

线性变化，由此可得振幅调制信号振幅Um（t）为：

（2-3）

式中，ΔUC（t）与调制电压uΩ成正比，其振幅ΔUC=

与载波振幅之比称为调幅度（调制度）

（2-4）

式中，ka为比例系数，一般由调制电路确定，故又称为调制灵敏度。

由此可得调幅信号的表达式

（2-5）

上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f（t）,这时，可用下式来描述调幅波:

（2-6）

式中，f（t）是均值为零的归一化调制信号，|f（t）|max=1。

若将调制信号分解为：

（2-7）则调幅波表示式为：

（2-8）

2.1.2调幅波的频谱

在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如前所描述。

将其用三角公式展开，可得:

（2-9）

可见,单一频率信号调制的调幅波包含三个频率分量,由三个高频正弦波叠加而成,调制信号的幅度及频率信息只含在边频分量中。

图1单音调制时已调波的频谱

（a）调制信号频谱;（b）载波信号频谱;（c）AM信号频谱

2.1.3调幅波的功率

AM调幅信号：

（2-10）

设上式代表的调幅信号传输至负载电阻RL上，那么调幅波各频率分量在RL上消耗的功率分别为：

（1）RL上消耗的载波功率：

（2-11）

（2）上、下边频分量所消耗的平均功率：

（2-12）

（3）在调制信号的一个周期内，调幅信号的平均总功率：

（2-13）

由此可得边频功率、载波功率与平均总功率之间的关系比为：

（2-14）

（2-15）

2.2调幅信号的解调

从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调，又称为检波。

对于振幅调制信号，解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。

解调是调制的逆过程。

振幅波解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。

包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。

由于AM信号的包络与调制信号成线性关系，因此包络检波只适用于AM波。

同步检波可分为乘积型同步检波和叠加型。

对于乘积型同步检波，首先使调幅波与本地恢复信号相乘，最后经低通滤波器输出。

当恢复载波与发射载波同频同相时，同步检波器可以无失真地将调制信号恢复出来。

叠加型同步检波是将DSB或SSB信号插入恢复载波，使之成为或近似为AM信号，再利用包络检波器将调制信号恢复出来。

2.3巴特沃斯滤波器

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。

在振幅的对数对角频率的波特图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。

一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6分贝，每十倍频20分贝。

二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝、三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝、如此类推。

巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。

只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。

其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。

巴特沃斯低通滤波器可用如下振幅的平方对频率的公式表示：

（2-16）

其中，n=滤波器的阶数，

=截止频率=振幅下降为-3dB时的频率，

=通频带边缘频率

3.MATLAB仿真

3.1载波信号

3.1.1仿真程序

function[]=Zaiboxinhao（）

U1=5;%载波幅值为5

f1=3000;%载波频率为3000

t=-1:

0.00001:

1;%t扫描范围为-1到1

w1=2*pi*f1;%载波信号角频率

u1=U1*cos（w1*t）;%载波信号表达式

figure

（1）;%新建一个图形窗口1

subplot（2,1,1）;%将图形窗口一分为二，并把第一个作为当

前图形窗口

plot（t,u1）;%绘制载波信号波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u1'）;%横坐标为t，纵坐标显示为u1

title（'载波信号波形'）;%标题为‘载波信号波形’

axis（[0,0.01,-10,10]）;%设置显示范围

Y1=fft（u1）;%对u1进行傅里叶变换

subplot（2,1,2）;%将第二个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（abs（Y1））;%绘制Y1的图形

xlabel（'w'）;ylabel（'Y1'）;%横坐标为w，纵坐标显示为Y1

title（'载波信号频谱'）;%标题为‘载波信号频谱’

axis（[5800,6200,0,600000]）;%设置显示范围

3.1.2仿真波形

图2载波信号波形及频谱

3.2调制信号

3.2.1仿真程序

function[]=Tiaozhixinhao（）

U2=3;

f2=3;

t=-1:

0.00001:

1;%t扫描范围为-1到1

w2=2*pi*f2;

u2=1.2*U2*cos（w2*t）+U2*cos（2*w2*t）+1.8*U2*cos（3*w2*t）;

%调制信号表达式

figure

（2）;%新建一个图形窗口2

subplot（2,1,1）;%将图形窗口一分为二，并把第一个作为当前图形窗口

plot（t,u2）;%绘制载波信号波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u2'）;%横坐标为t，纵坐标显示为u2

title（'调制信号波形'）;%标题为‘调制信号波形’

axis（[0,1,-15,15]）;%设置显示范围

Y2=fft（u2）;%对u2进行傅里叶变换

subplot（2,1,2）;%将第二个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（abs（Y2））;%绘制Y2的图形

xlabel（'w'）;ylabel（'Y2'）;%横坐标为w，纵坐标显示为u1

title（'调制信号频谱'）;%标题为‘载波信号频谱’

axis（[0,250,0,2000000]）;%设置显示范围

3.2.2仿真波形

图3调制信号波形及频谱

3.3AM调制

3.3.1仿真程序

function[]=Tiaozhi（）

t=-1:

0.00001:

1;%t扫描范围-1到1

U1=5;%载波信号幅度

U2=3;

f1=3000;%载波信号频率

f2=3;

m=0.1;%调制度为0.1

w1=2*pi*f1;%载波信号角频率

w2=2*pi*f2;

u2=1.2*U2*cos（w2*t）+U2*cos（2*w2*t）+1.8*U2*cos（3*w2*t）;

%调制信号

u3=U1*（1+m*u2）.*cos（（w1）*t）;%AM已调信号

figure（3）;%新建一个图形窗口3

subplot（2,1,1）;%将图形窗口一分为二，并把第一个作为当

前图形窗口

plot（t,u3）;%绘制已调信号波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u3'）;%横坐标为t，纵坐标显示为u3

title（'已调信号波形'）;%标题为‘已调信号波形’

axis（[0,1,-15,15]）;%设置显示范围

Y3=fft（u3）;%对u3进行傅里叶变换

subplot（2,1,2）;%将第二个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（abs（Y3））;%绘制Y3的图形

xlabel（'w'）;ylabel（'Y3'）;%横坐标为t，纵坐标显示为u3

title（'已调信号频谱'）;%标题为‘已调信号频谱’

axis（[5900,6100,0,600000]）;%设置显示范围

3.3.2仿真波形

图4已调信号波形及频谱

3.4AM波解调（包络检波法）

3.4.1仿真程序

function[]=Jietiao1（）

%经过AM调制产生已调信号u3

env=abs（hilbert（u3））;%找出已调信号的包络

u4=18*（env-U1）*m;%去掉直流分量并重新缩放

figure（4）;%新建一个图形窗口4

subplot（2,1,1）;%将图形窗口一分为二，并把第一个作为当前图形窗口

plot（t,u4）;%绘制解调波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u4'）;%横坐标为t，纵坐标显示为u4

title（'AM已调信号的包络检波波形'）%标题为‘AM已调信号的包络检波波形’

axis（[0,1,-15,15]）;%设置显示范围

Y4=fft（u4）;%对u4进行傅里叶变换

subplot（2,1,2）;%将第二个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（abs（Y4））;

xlabel（'w'）;ylabel（'Y4'）;

title（'AM已调信号的包络检波频谱'）;%标题为‘AM已调信号的包络检波频谱’

axis（[0,250,0,2000000]）;%设置显示范围

3.4.2仿真波形

图5AM已调信号的包络检波波形及频谱

3.5AM波解调（同步乘积型检波法）

3.5.1仿真程序

function[]=Jietiao2（）

%经过AM调制产生已调信号u3

u5=u3.*cos（w1*t）;%滤波前的解调信号

figure（5）;%新建图形窗口5

subplot（2,1,1）;%将图形窗口一分为二

plot（t,u5）;%绘制滤波前的解调信号波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u5'）;%横坐标为t，纵坐标显示为u5

title（'滤波前的解调信号波形'）;%设置标题

Y5=fft（u5）;%对u5进行傅里叶变换

subplot（2,1,2）;%将第二个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（abs（Y5））;%绘制Y5的波形

xlabel（'w'）;ylabel（'Y5'）;

title（'滤波前的解调信号频谱'）;

axis（[187900,188100,0,600000]）;

%巴特沃斯低通滤波器

f1=100;f2=200;%待滤波信号频率

fs=2000;%采样频率

m=（0.3*f1）/（fs/2）;%定义过度带宽

M=round（8/m）;%定义窗函数的长度

N=M-1;%定义滤波器的阶数

b=fir1（N,0.5*f2/（fs/2））;%使用fir1函数设计滤波器

%输入的参数分别是滤波器的阶数和截止频率

figure（6）%新建图形窗口6

[h,f]=freqz（b,1,512）;%滤波器的幅频特性图

%[H,W]=freqz（B,A,N）当N是一个整数时函数返回

N点的频率向量和幅频响应向量

plot（f*fs/（2*pi）,20*log10（abs（h）））%参数分别是频率与幅值

xlabel（'频率/赫兹'）;ylabel（'增益/分贝'）;

title（'滤波器的增益响应'）;

grid

u6=filter（b,1,u5）;%滤波后的解调信号

figure（7）;%新建图形窗口7

subplot（2,1,1）;%将图形窗口一分为二，并把第一个作为当前

图形窗口

plot（t,u6）;%绘制滤波后的解调信号波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u6'）;

title（'滤波后的解调信号波形'）;

Y6=fft（u6）;%对u6进行傅里叶变换

subplot（2,1,2）;%将第二个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（abs（Y6））;%绘制Y6的波形

xlabel（'w'）;ylabel（'Y6'）;

title（'滤波后的解调信号频谱'）;

axis（[0,250,0,600000]）;

3.5.2仿真波形

图6滤波器的增益响应

图7滤波前的解调信号波形及频谱

图8滤波后的解调信号波形及频谱

3.6AM波的功率

3.6.1仿真程序

function[]=Gonglv（）

m=-1:

0.01:

1;%调制度扫描范围

Ucm=5;%载波信号幅值

RL=1000;%负载电阻

Pc=1/2*Ucm*Ucm/RL;%负载上消耗的载波功率

Pu=（1/2*m*Ucm）.*（1/2*m*Ucm）/（2*RL）;%上边频分量所消耗的平均功率

Pl=Pu;%下边频分量所消耗的平均功率

PAM=Pc+Pu+Pl;%在调制信号的一个周期内，调幅信号的平均总功率

e=（Pu+Pl）./PAM;%双边带总功率与平均总功率之比

figure（8）;%新建一个图形窗口8

plot（m,e）;%做出m与e的关系曲线

xalbel（‘调制度m’）；%设定横纵坐标显示

yxabel（‘双边带总功率与平均总功率之比’）；

gridon

3.6.2仿真波形

图9双边带功率与总功率之比与调制度的关系曲线

3.7调制度m对AM调制的影响

3.7.1仿真程序

function[]=m_yingxiang（）

t=-1:

0.00001:

1;%t扫描范围-1到1

U1=4;%载波信号幅度

U2=2;%调制信号幅度

f1=3000;%载波信号频率

f2=3;%调制信号频率

m1=0;%调制度为0

m2=0.4;%调制度为0.3

m3=0.7;%调制度为0.6

m4=1;%调制度为1

m5=1.3;%调制度为1.3

m6=3;%调制度为3

u1=U1*（1+m1.*cos（2*pi*f2*t））.*cos（2*pi*f1*t）;%调制度为0的调制信号

u2=U1*（1+m2.*cos（2*pi*f2*t））.*cos（2*pi*f1*t）;%调制度为0.4的调制信号

u3=U1*（1+m3.*cos（2*pi*f2*t））.*cos（2*pi*f1*t）;%调制度为0.7的调制信号

u4=U1*（1+m4.*cos（2*pi*f2*t））.*cos（2*pi*f1*t）;%调制度为1的调制信号

u5=U1*（1+m5.*cos（2*pi*f2*t））.*cos（2*pi*f1*t）;%调制度为1.3的调制信号

u6=U1*（1+m6.*cos（2*pi*f2*t））.*cos（2*pi*f1*t）;%调制度为3的调制信号

figure;%新建一个图形窗口

subplot（3,2,1）%将图形窗口1分为6，把第一个作为当前图形窗口

plot（t,u1）;%绘制调制度为0时的波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u1'）;

title（'m=0时AM调制信号'）;

axis（[0,1,-10,10]）;

gridon;

subplot（3,2,2）%将第2个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（t,u2）;%绘制调制度为0.4时的波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u2'）;

title（'m=0.4时AM调制信号'）;

gridon;

subplot（3,2,3）%将第3个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（t,u3）;%绘制调制度为0.7时的波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u3'）;

title（'m=0.7时AM调制信号'）;

gridon;

subplot（3,2,4）%将第4个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（t,u4）;%绘制调制度为1时的波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u4'）;

title（'m=1时AM调制信号'）;

gridon;

subplot（3,2,5）%将第5个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（t,u5）;%绘制调制度为1.3时的波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u5'）;

title（'m=1.3时AM调制信号'）;

gridon;

subplot（3,2,6）%将第6个子图形窗口作为当前图形窗口

plot（t,u6）;%绘制调制度为3时的波形

xlabel（'t'）;ylabel（'u6'）;

title（'m=3时AM调制信号'）;

gridon;

3.7.2仿真波形

图10调制系数对调制过程的影响

3.8仿真结果分析

（1）由调制解调仿真结果可知，原调制信号的频率分量在0-50之间，调制过后，全在6000左右，解调过后，又恢复到0-50之间。

AM调制解调的过程实际上是完成信号频谱的线性搬移。

调制时，将调制信号的频谱搬移到载波信号的频段上；解调时，把低频的调制信号从高频的已调波上恢复出来。

（2）调幅波幅度随调制信号的大小线性变化。

（3）调制系数m对AM波的调制有着直接的影响。

当m=0时，无调幅作用；当m的范围为0-1时，随着调制度的增大，信号调制的深度越大；当m=1时，调制波形达到临界状态；当m大于1时，已调波的包络形状与调制信号不一样，发生了过量调幅，产生了严重的包络失真，且m越大，失真越厉害。

（4）巴特沃斯低通滤波器的上限截止频率为100左右。

（5）在利用包络检波解调时，直接利用了Matlab里自带的hilbert（）函数，没有产生各类失真情况；在利用乘积型同步检波解调时，与本地恢复波相乘之后，通过了巴特沃斯低通滤波器，也很好地还原出了调制信号。

（6）由功率比与调制系数的曲线可得：

m在0-1范围内，随调制系数的减小，双边带功率与调幅波总功率的比值越小，当100%调制（即m=1）时双边带功率只有调幅波总功率的1/3，由于有用信息只携带在边频带内，而载波本身并不携带信息，但它的功率却占用了整个调幅波功率的大部分，因此AM调幅波的功率浪费大，效率低。

4.总结

通过本次大作业，让我再一次体会到了Matlab软件强大的功能。

在整个过程中，通过查书和上网查阅资料，我温习了Matlab编程的基本语法格式及一些基本函数的用法，学会了建立M文件和实现函数编辑与调用，以及知道怎么去建立完整的信号仿真模型。

同时，我对AM调制与解调的过程有了一个更深的认识。

信号的调制与解调实际上就是完成信号频谱的线性搬移，以便于信号的传送。

同时我了解了