模拟调制通信系统研究毕业设计论文.docx

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模拟调制通信系统研究毕业设计论文

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

模拟调制通信系统研究

ResearchofModulationinCommunicationSystemofSimulation

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

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本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

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学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。

保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘　要

进入信息时代以来，通信已经成为现代文明的标志之一，对人们日常生活和社会活动的影响越来越大。

随着通信技术的发展，出现了各种现代通信理论，但是这些新的技术都是以模拟通信为基础的，因此对模拟通信技术的研究具有很大的现实意义。

本文第一个内容主要研究模拟通信系统调制和解调的原理，主要利用SystemView通信系统仿真软件，完成了AM、DSB、SSB、FM系统的仿真，并对系统的有效性和可靠性进行分析。

第二个内容主要是应用MATLAB软件完成了一个模拟通信系统的界面设计，系统界面中包括常规AM、DSB、SSB及FM信号的时域和频域波形，应用该界面可以方便的对各个模拟调制通信系统进行分析和比较，从而为以后的教学研究提供方便。

关键词：

SystemView　MATLAB　调制与解调　用户界面

Abstract

Sinceenteringtheinformationera,communicationhasbecomeoneofthesymbolsofmoderncivilization,inPeople'sDailylifeandsocialactivitiesoftheincreasinginfluence.Alongwiththedevelopmentofcommunicationtechnology,variousmoderncommunicationtheoryhaveappeared,butthesenewtechnologiesarebasedonsimulationofcommunicationtechnology,sotheresearchhasgreatpracticalsignificance.Firstlythispapermainlystudiesprincipleofmodulationanddemodulationofanalogcommunicationssystem,mainlyusingSystemViewcommunicationsystemsimulationsoftware,completeAM,DSB,SSB,FMsystemsimulation,andthevalidityandreliabilityofsystemisanalyzed.Secondly,thispapercompleteaninterfileofanalogcommunicationswhichincludesAM,FM,DSBandSSBandthetimedomainandfrequencydomainwave.wecanusetheinterfacetoteachingtoprovideconvenienceforlearners.Usingtheinterfacelearnerscananalyzeandcompareeverywayofanalogcommunicationsystem.

Keywords：

SystemView　MATLAB　Modulationanddemodulation　Userinterface

目　录

第1章　绪　论

1.1　课题的选题背景

当前，人类社会已步入了信息社会。

一场信息化革命的风暴席卷全球。

在信息社会，人们无需再像以前那样将主要的时间和精力用于物质、能源的开发和利用上，而是以更多的精力与信息打交道。

信息社会的主要的特征是，信息已成为一种重要的社会资源。

进入信息时代以来，随着通信技术、计算机技术和控制技术的不断发展与相互融合，极大的扩展了通信的功能，使得人们可以随时随地通过各种通信手段获取和交换各种各样的信息。

通信渗入到社会生产和生活的各个领域，通信产品随处可见。

通信已经成为现代文明的标志之一，对人们日常生活和社会活动的影响与越来越大。

然而，对于通信信号来说，一般属于低频信号，而这类信号在传输距离上受到了很大限制，这时需要采用一定的方式，将信号频带搬移到高频部分，所以人们致力于寻找一种高频信号作为载波的研究。

1846年，即在人类用电线传送信号的初期，开始敷设一条海底电缆，施工之前设计者已经预计到，信号经过电缆时，由于信道衰减会变得弱一些，导线越长，这种衰减就越大。

因此，加大发射功率，提高接收机的灵敏度就可以解决这个问题。

但完工之后，接收机的工作完全不像人们预想得那样，接受到的是和发送信号完全不相关的波形。

10年后，也就是1856年，凯尔文用微分方程解决了这个问题，他阐明了这实际上是一个频率特性的问题。

频率较低的成分可以通过信道，而频率高的成分被衰减掉了。

从此，人们开始认识到，信道具有一定的频率特性，并不是信号中所有的频率成分都能通过信道进行传输，而且这时人们也将注意力转移到了怎样才能有效地在信道中传输信号而不导致出现频率失真，同时也提出问题，就是怎样才能节约信道，这就导致了调制技术的出现。

20世纪初期就出现了用高频正弦波作载波的振幅调制方式，这就是1918年出现的的调幅（AM）方式。

AM通信方式的出现，掀起了通信技术发展的新篇章。

AM通信方式使点对点通信发展到点对面的通信（如广播），它促进了人类社会文化交流、宣传教育的发展，深刻地影响着人们的生活[1]。

采用调幅方式传送信号容易受到噪声干扰，使信号失真，影响通信质量。

为了提高抗干扰能力，1936年人们发明了调频（FM）技术，FM不仅提高了通信系统的抗干扰能力，而且大大推动了通信技术的发展。

现代主要的通信方式主要有：

电缆通信、光纤通信、微波通信、卫星通信、移动通信等。

电缆通信是指采用埋在地下的电缆作为传输媒质，属于有线的通信方式；光纤通信是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。

微波通信是利用电磁波在空间的传输来传递信息，属于无线的通信方式；卫星通信实质上也是一种微波通信，不同的是把中继站放在了卫星上，属于远距离的一种通信方式；移动通信是现代最主要的一种通信方式。

而所有的这些通信方式都是以调制为基础的，因为低频信号不适合远距离的通信，而且面对有限的通信资源，就涉及到通信的有效性问题，这时必然需要对信号的带宽提出一定的要求，因此研究各种调制技术具有非常现实的意义。

1.2　研究意义

自19世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异，不断出现各种新的通信技术，从原始的烽火台发展到现代的模拟通信系统和数字通信系统。

模拟调制技术在20世纪曾有较大的应用，如军事通信、短波通信、微波和调幅广播等。

虽然现在通信的发展趋势为数字化，但不能完全代替模拟技术，而且模拟调制技术是通信理论的基础。

而在这两种通信技术中，调制占据着非常重要的地位[2]。

对于模拟通信系统来说，主要的调制技术包括幅度调制和角度调制。

幅度调制又包括普通调幅、双边带调制、单边带调制和残留边带调制。

幅度调制主要用在模拟广播通信系统、电视广播通信系统、市内电话通信系统中、传真机等。

角度调制分为频率调制和相位调制两种方式，这种方式广泛应用在各种调频广播、卫星通信系统等。

随着数字通信技术的发展，它已经明显的要超过模拟通信系统，虽然它具有抗干扰能力强、易于集成、处理等优点，但是这些优点也是需要一些代价的。

它相比模拟通信来说，需要占据更大的带宽，而且对同步的要求非常严格，所以在通信带宽资源有限的情况下，数字通信不可能完全替代模拟通信，实际上模拟通信在通信领域中也具有非常广泛的应用。

1.3　研究内容及方法

首先应用SystemView通信系统仿真软件对系统进行建模仿真，包括AM，DSB，SSB及FM信号，并对各种调制系统的时域、频域、带宽等性能进行分析。

然后利用MATLAB开发环境设计模拟信号的调制与解调。

最后利用MATLAB中的GUI用户界面开发环境实现一个用户界面。

比如：

在用户图形界面上放置一个按钮标为：

DSB信号。

当点击该按钮时，则打开另一用户界面，此界面上有可编写文本框，我们可以在此框内输入所要调制的信号的数据，载波的数据，点击确定后，再调出另一个图形界面，在该图形界面上则绘有该调制信号的图形，载波的图形以及调制后信号的图形。

通过这几个图形的对比，便可以轻松的看到调制与解调的波形的变化（另外两种信号方法同上）界面设计的开发意图在于方便计算机教学，使得教师在课堂上通过简单的点击几个按钮就能看到波形的仿真，节省时间；同时也能让没学过MATLAB编程或是不能熟练运用MATLAB编程的同学能够通过简单的点击几个按钮就能看到波形的仿真，使教学变的生动有趣。

DSB，AM，SSB信号都是线性调制，线性调制的一般模型是输入信号和本地载波相乘，再经过一个滤波器才能得到相应的信号。

而FM调制属于非线性调制其原理是把调制信号的信息载荷于载波的频率变化中，在调制时载波的频率随调制信号而变化。

因此一般不能用相干解调得到原信号。

应让其先通过一个微分器，再用包络检波法获得原信号。

第2章　模拟调制通信系统调制与解调的基本原理

最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。

常见的调幅（AM）、双边带（DSB）、残留边带（VSB）和单边带（SSB）等调制就是幅度调制的几个典型实例。

常见的角度调制则为频率调制（FM）本设计主要介绍AM、DSB、SSB及FM的调制与解调。

2.1　常规AM调制与解调

标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM）。

假设调制信号m（t）的平均值为0，

将其叠加一个直流偏量后与载波相乘，即可形成调幅信号。

任意AM调制的时域表达式可写成

（2-1）

其中A0是外加的直流分量，

是调制信号，调制信号可以是确知信号，也可以是随机信号，

为载波信号角频率，

为载波信号初相位，通常设为0。

AM调制系统原理图如图2-1所示。

图2-1　AM调制系统原理图

AM信号的解调方法有两种：

相干解调和包络检波解调。

由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原调制信号频谱的位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而可以恢复出原始信号。

解调中的频谱搬移可用调制时的相乘运算然后滤除高频分量来实现。

只是AM信号的解调结果中含有直流成分，这时在解调后加上一个简单的隔直流电容即可。

2.2　双边带（DSB）调制与解调

在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。

如果在AM调制模型中将直流去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式---抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。

其时域表达式为：

（2-2）

DSB信号只能用相干解调的方法进行解调，DSB信号的解调模型与AM信号相干解调时完全相同。

2.3　单带（SSB）调制与解调

把只传输一个边带的调制方式称为单边带抑制载波调制，简称单边带调制（SSB）。

SSB调制可以在DSB工作原理的基础上加入上边带或下边带滤波器来实现，也可以通过移相法实现。

滤波法中滤波器的设计在实际中要求很高。

因此，相比而言相移法比较实用。

下面主要介绍移相法的形成原理。

下边带SSB信号时域表达式为

（2-3）

上边带SSB信号时域表达式为：

（2-4）

理论上，相移法可以产生一个不失真的单边带信号。

但SSB的信号时域表达式推导比较困难，一般需借助于希尔伯特变换来表述。

然而，可以从简单的单频调制出发，得到SSB信号的时域表示式，然后推广到一般表示式。

SSB调制系统原理图如图2-2所示：

图2-2　SSB调制系统原理图

SSB信号的解调和DSB一样，不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。

2.4　频率调制（FM）调制与解调

把调制信号的信息载荷于载波的频率变化中，在调制时载波的频率随调制信号而变化，称为频率调制或调频（FM）。

角度调制与幅度调制不同的是，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。

其时域表达式为：

（2-5）

FM调制系统原理图如图2-3所示。

图2-3　FM调制系统原理图

调频信号的解调相干解调和非相干解调两种。

相干解调仅适用于窄带调频信号，且需要同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需同步信号，且对于NBFM信号和WBFM信号均适用，因此是FM系统的主要解调方式。

第3章　用SystemView实现模拟调制通信系统仿真分析

3.1　SystemView系统软件介绍

美国ELANIX公司于1995年开始推出SystemView软件工具，最早的1.8版为16bit教学版，自1.9版开始升为32bit专业版，目前已推出了3.0版。

SystemView是在Windows95/98环境下运行的用于系统仿真分析的软件工具，它为用户提供了一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境，能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计，可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。

SystemView基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块（Token）库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。

SystemView的库资源十分丰富，主要包括：

含若干图符库的主库（MainLibrary）、通信库（CommunicationsLibrary）、信号处理库（DSPLibrary）、逻辑库（LogicLibrary）、射频/模拟库（RFAnalogLibrary）和用户代码库（UserCodeLibrary）[3]。

SystemView是一个信号级的系统仿真软件。

它不但使设计人员能够设计、开发和测试子系统，而且能全面地从头到尾集成系统。

直观而有力的提供模拟、数字、混合模式系统的开发；线性和非线性系统设计；Laplace和Z变换线性系统等，其用户界面使这些特点非常容易理解，用于通信、逻辑、DSP和射频模拟设计。

并且大量可供选择的库能够使工程设计人员灵活选择使用。

SystemView进行通信系统仿真具有以下的特点：

1、用户不必为通信系统的各个部分都进行建模，SystemView把一些最常用的功能模块进行了封装，如一些基本的调制解调方法、信道模型、编解码、常用的滤波器等。

用户在使用时只需根据自己的具体要求对其参数进行设定。

2、采用基于组织结构图方式的设计方法，工程设计人员利用图符和子系统对象的无限制分层结构功能，便可方便快捷地建立复杂系统。

3、包含强有力的DSP和FPGA模块可对IS-95、DVB等系统建模。

4、可对具有多种数据采样率输入的系统进行合并，同时满足通信系统中低频和高频部分的设计与仿真。

5、扩展性强，可准许工程设计人员插入自己用C和C++编写的用户代码模块，并提供与MATLAB等工具软件接口。

SystemView是一个用于现代系统设计，仿真的动态分析工具。

从信号处理，滤波器设计，通信系统直到一般的系统数学模型，SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式精密分析引擎。

3.2　基于SystemView的系统框图设计及结果分析

3.2.1　AM调制解调仿真及波形分析

调制信号采用频率的交流分量，AM调制要求在交流分量的基础上叠加一个比较大的直流分量，然后调制信号与在载波相乘，解调可以采用相干和非相干的解调方式，在这里选用相干的解调方式。

AM模拟调制系统的调制、解调原理框图如下

根据以上原理用SystemView绘制出来的仿真图如图3-1所示。

图3-1　AM调制系统仿真图

调制信号的频率为10Hz，载波的频率为50Hz。

仿真波形如所示下：

图3-2　AM时域波形图

图3-3　AM频域波形图

由以上仿真波形分析：

由已调信号我们可以看出已调信号的幅度是随着基带信号的规律在而成正比的变化。

由已调信号频谱可已看出，调制信号频率被搬移到了载波的两侧且包含有载波分量。

AM调制的实质则是基带信号频谱在品域内的搬移。

而且由图中我们还可以看出AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。

上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。

因此我们可以说AM信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是原调制信号的两倍。

解调出的信号波形与输入信号波形基本相同，但由于有高斯噪声的干扰下产生了轻微的失真。

3.2.2　DSB调制解调仿真及波形分析

在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。

如果在AM调制模型中将直流去掉直接用调制信号和载波相乘，即可得到一种高调制效率的调制方式---抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。

由于这种调制方式所产生的已调信号的包络不再和调制信号相同，因此它只能用相干解调的方式进行解调。

DSB模拟调制系统的调制、解调原理框图如下

根据DSB调制解调原理用SystemView绘制出来的仿真图如图3-4所示。

图3-4　DSB调制系统仿真图

调制信号的频率为1Hz，载波的频率为25Hz。

仿真波形如所示下：

图3-5　DSB时域波形图

图3-6　DSB频域波形图

由以上仿真波形分析：

调制后信号的波形幅值随调制信号变化。

由已调信号频谱可已看出，调制信号频率被搬移到了载波的两侧，但无载波分量。

解调出的信号波形与输入信号波形基本相同。

DSB调制的好处是节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。

缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。

3.2.3　SSB调制解调仿真及波形分析

SSB信号可以看作是去掉一个边带的DSB信号。

它的产生方式有滤波法和相移法两种。

但是，滤波法中滤波器的设计在实际中要求很高。

因此，相比而言相移法比较实用。

本设计也是以相移法为例对SSB信号进行模拟仿真。

和DSB信号一样由于SSB信号的包络不再和调制信号波形成正比，因此SSB信号只能用相干解调的方式进行解调。

SSB模拟调制系统的调制原理框图如下

根据以上调制解调原理用SystemView绘制出来的仿真图如图3-7所示。

图3-7　SSB调制系统仿真图

调制信号的频率为300Hz，载波的频率为2KHz，和AM调制的调制信号、载波信号完全相同。

仿真波形如下所示：

图3-8　SSB时域波形图

图3-9　SSB频域波形图

仿真波形分析：

由已调信号频谱可已看出，调制信号频率被搬移到了载波的位置且消除了载波分量。

SSB已调信号与DSB已调信号比较，SSB信号只包含了一个边带的信号，提高了频带利用率。

而且由图中我们还可以看出SSB信号的频谱只含有调制信号的频率分量组成。

并且频谱结构与原调制信号的频谱结构相同。

因此我们可以说SSB信号是去除一个边带的双边带信号，它的带宽与原调制信号的带宽相同。

解调出的信号波形与输入信号波形基本相同，但由于有高斯噪声的干扰下产生了轻微的失真。

3.2.4　FM调制解调仿真及波形分析

调频信号的基本特点是它的瞬时频率按调制信号的规律变化，因而一种最容易想到的方法是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。

我们称这种方法为直接调频法[4]。

因为，频率调制（FM）不再是简单的频率的线性搬移，而且产生了大量的新的频率分量。

因此，我们一般先让其通过一个微分器，让调制信号的包络显示出来，在通过包络检波的方法进行解调。

FM模拟调制系统的调制解调原理框图如下：

根据以上调制解调原理用SystemView绘制出来的仿真图如图3-10所示。

图3-10　FM调制系统仿真图

调制信号的频率为5Hz，载波的频率为50Hz。

仿真波形如下所示

图3-11　FM时域波形图

图3-12　FM频域波形图

仿真波形分析：

由图中的已调信号我们可以看到载波的频率随着调制信号的变化而变化。

当调制信号波形上升时，载波的的波形变密集。

当调制信号波形下降时，载波的波形则变得稀疏起来。

由已调信号频谱可已看到，已调信号的频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，产生了与频谱搬移不同的新的频率成分。

由于调频信号的频谱包含了无穷多个频率分量，因此理论上调频信号的频带宽度为无限宽。

解调出的信号波形与输入信号波形基本相同。

结论：

AM调制是线性调制中唯一一个可以采用相干解调和非相干解调两种方法进行解调的调制方式，并且系统结构简单价格低廉。

但是，采用AM调制所产生的已调信号的带宽是原调制信号带宽的两倍，并且上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。

浪费了带宽。

而且传播了并不携带任何信息的载波分量，浪费了能源。

与AM调制比较，DSB调制因为不存在载波分量，因此DSB信号的调制效率是100%，即全部功率都用于信息的传输。

但是，DSB信号的包络不再和调制信号幅值的变化规律一致，因此不能采用非相干解调方式进行解调。

而且，