基于MATLAB的AM信号的调制与解调--课程设计.docx

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1、计算机类课程设计基于MATLAB的AM信号的调制与解调 摘要： 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。不同的解调方法在不同的信噪比情况下的解调结果，那种方法更好，作出比较。进行AM信号的调制与解调。先从AM的调制研究，研究它的功能及在现实生活中的运用。其次研究AM的解调，以及一些有关的知识点，以及通过它在通信方面的运用更加深入的了解它。从AM信号的数学模型及调制解调方式出发，得出AM调制与解调的框图和调制解调波形。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。关键词：AM信号;调制;解调;信噪比MATLAB. Modul

2、ation and demodulation of AM signal based on MATLABAbstract: The main content of this paper is to understand the mathematical model of the AM signal and the modulation and the demodulation method. Demodulation different methods in different circumstances of the demodulation signal to noise ratio the

3、 results of methods that better, to make the comparison. Requirement is more than double the sound and the AM signal modulation and demodulation. AM modulation first study of its function and in real life use. AM demodulation followed by research, as well as some related knowledge, as well as throug

4、h its use of communications more in-depth understanding of it. AM signal from the tone of the mathematical model and the modulation and demodulation methods, the two-tone AM signal to draw a mathematical model and the block diagram of modulation and demodulation and modulation and demodulation wavef

5、orms. MATLAB programming language to use to achieve the two-tone AM signal modulation and demodulation, given the different circumstances of the demodulation signal to noise ratio compared the results.Keywords: AM signal, Modulation, Demodulation, Noise ratio signal, MATLAB目 录1.绪论11.1 背景以及意义11.2 发展前

6、景12. AM信号调制原理以及特点32.1 噪声模型32.1.1 噪声的分类32.1.2 本文噪声模型32.2 通用调制模型42.3 AM信号的调制原理42.3.1 AM信号数字模型以及特点42.3.2 AM信号的波形和频谱特性53. AM信号的解调原理以及特点63.1 AM信号的解调原理及方式63.2 AM信号的相干解调63.3 AM信号的非相干解调64. 抗噪声性能的分析模型74.1 相干解调的抗噪声性能74.2非相干解调的抗噪声性能94.3小信噪比情况95. AM调制与解调的仿真95.1 AM调制95.1.1 建立仿真模型95.1.2 参数设置105.1.3 仿真波形图125.2 AM信

7、号的解调仿真135.2 .1AM相干解调模型仿真135.2.2参数设置135.2.3 仿真波形图145.2.4相干解调抗噪声性能分析156.AM信号的频谱分析167.总结20致谢21参考文献221.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303400Hz，图像信号为06MHz)，易受外

8、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（Amplitude Modulatio

9、n），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

10、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

11、，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

12、，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3。图1.2 幅度

13、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。图1-3 包络检波原理 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

14、要的作用。通过称为 Modem 的调制解调器，将电脑的数字信息转换成能沿着电话线传递的模拟形式，在接收端由 Modem 将它转换回数字信息。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。信息经电脑及调制解调器后上了“信息高速公路”，世界各地的人们可以用电脑相互传递信息，远程通信已不再是困难的事情了。2. AM信号调制原理以及特点2.1 噪声模型2.1.1 噪声的分类噪声的种类可广义的分为人为噪声、自然噪声和内部噪声；也可以按噪声对线性谱的影响是加性的还是乘性的区分，乘性噪声又称为相关噪声；从信号分布来说，噪声主要可以分为以下几类：(1) 单频噪声单频噪声可视为己调正弦波

15、，但幅度、频率、相位实现不可预知。其特点为占有极窄的频带，但在频谱上的位置可实测。(2) 脉冲噪声脉冲噪声表现为时域波形中突然出现的窄脉冲，在时间上表现为无规则的突发的短促噪声。其特点是脉冲幅度大，持续时间短，相邻脉冲之间的安静时段较长。从频谱上看，频谱上脉冲噪声有较宽的频谱，但频谱越高，强度越小。(3) 起伏噪声起伏噪声是研究的重点。起伏噪声不可避免且普遍存在，是最基本的噪声来源。集中于调制解调器输入端的噪声通常是起伏噪声的一种变形，即带通型噪声。在调制信道中，可直接表示为窄带高斯噪声。相对于窄带高斯噪声，白噪声是非窄带噪声，白噪声是频谱在整个频率内部都是均匀分布的噪声，它在任意两个时刻内的

16、随机变量都是不相关的。起伏噪声可近似地看作高斯噪声，且在相当宽的频率范围内具有平坦功率谱密度，可近似表述为高斯白噪声。(4) 平稳非平稳噪声平稳噪声是统计特性不随时间变化的一类噪声，而非平稳噪声指统计特性随时间变化的一类噪声。应该说，非平稳噪声在实际存在中比平稳噪声更有研究意义。2.1.2 本文噪声模型通常认为背景噪声模型为具有双边谱密度的高斯随机过程。以概率随机取个数值中的某个值(代表时刻点)。若取，则噪声模型可以简化为谱密度为的平稳加性高斯白噪声。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

17、段内是平稳的AWGN信道3。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。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： (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： (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

18、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。信源多相滤波相乘相加信源多相滤波相乘图2-2 调制信号正交调制框图2.3 AM信号的调制原理2.3.1 AM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。AM信号的调制原理模型如下6：图 2-3 AM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 （2.3）上式中，Ac为载波振幅，Wc为载波角频率(t)为载波的初始相位。2.3.2 AM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

19、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 (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 (2.5)AM的波形和相应的频谱图如下图2-4 AM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，并没有产生新的频谱成分，因此AM调制属于线性调制；第二：AM信号波形的包络与基带信号成正比，所以AM信号的解调即可以采用相干解调，也可以采用非相干解调（包络检波）。第三：AM的频谱中含有载频和上，下两个边带，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息，股已调波

20、形的带宽为原基带信号带宽的两倍，即 (2.6)其中为调制信号的最高3. AM信号的解调原理以及特点3.1 AM信号的解调原理及方式 解调是将位于载波的信号频谱再搬回来，并且不失真的恢复出原始基带信号。解调的方式有两种6：相干解调与非相干解调。相干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一般适用幅度调制（AM）信号。3.2 AM信号的相干解调所谓相干解调是为了从接受的已调信号中，不失真地恢复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。相干载波的一般模型如下：图3.1 AM信号的相干解调原理框图 将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得 (3.1) 由上式可知，只要用一个低通滤波器，就

21、可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号 (3.2) 相干解调的关键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。3.3 AM信号的非相干解调所谓非相干解调是在接收端解调信号时不需要本地载波，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用幅度调制（AM）系统。忧郁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。如下为串联型包络检波器的具体电路。 图 3-2 AM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 (3.3)其中

22、，。隔去直流后就得到原信号m(t)4. 抗噪声性能的分析模型 各种线性已调信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的干扰，为了讨论问题的简单起见，我们这里只研究加性噪声对信号的影响。因此，接收端收到的信号是发送信号与加性噪声之和8。 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，即9 （4.1）有加性噪声时解调器的数学模型如图图 4-1 AM信号的解调原理图图中为已调信号，n(t)为加性高斯白噪声。 和n(t)首先经过一带通滤波器，滤出有用

23、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。4.1 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图4-2所示。第 30 页 共 22 页 图4-2 线性调制系统的相干解调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【3】。下面讨论各种线性调制系统的抗噪声性能7。AM信号的时域表达式为 （4.1) 通过分析可得AM信号的平均功率为 (4.2)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

24、的输入信噪比为 (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 ( 4.5)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 (4.6)经LPF后， (4.7)因此解调器的输出噪声功率为 (4.8)可得AM信号经过解调器后的输出信噪比为 (4.9)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 (4.10)4.2非相干解调的抗噪声性能只有AM信号字模型，其中 (4.11)输入噪声为 (4.12)显然，解调器输入信噪功率 （4.13)噪声功率 （4.14) 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3。

25、即满足条件由此可知，包络检波器输出的有用信号是,输出噪声是，信号与噪声是分开的。直流成分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 （4.14)于是，可以得到 （4.15)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

26、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5.1 AM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：图5-1 AM信号的调制仿真 AM信号是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号做线性变化的过程。其产生过程是将调制信号叠加一个直流偏量后与载波相乘。其simulink仿真模型如 图5-1 所示。本设计中sine wave为调制信号，constant提供直流分量与调制信号加法器叠加。Sine wave产生一个频率为f1的高频载波，载波信号与加法器输出的信号相乘，就产生了AM调制信号。 1.1.2 参数设置正弦波载波如图5-2所示：图5-2

27、正弦波载波载波信号的幅度为1，频率为60rad/s.图 5-3 调制信号参数图 5-3基波参数图 5-4 直流偏量参数调制信号的幅度为1，频率为5rad/s.直流分量信号幅度为2.示波器设置：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 示波器显示波形图5-7 改变直流偏量5.2 AM信号的解调仿真5.2 .1AM相干解调模型仿真相干解调电路如图5-8所示：图5-

28、8相干解调仿真模型其中product输出是已调信号，sine wave2提供一个与载波同频同相得本地载波（相干载波），Analog Filter Design为一个巴特沃斯低通滤波器，已调信号与相干载波相乘，经过低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带信号。5.2.2参数设置相干载波参数设置如图5-9所示：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。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

29、性能分析如图5-12所示：图 5-12 AM相干解调噪声性能分析模型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5-13所示。图 5-13 信道高斯白噪声仿真框图其中 Band-Limited White Noise 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。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

30、。由图5-13中解调信号和图5-11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2. 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：图6-1 加入噪声频谱分析的原理图从时域可以简单明了的看出信号的幅度情况，而频域上的分析也是相当重要的。信号的频率特性是信号的重要特性之一，和信号的占用频带宽度以及信号的抗噪声能力有密切的关系，它可以很清晰明了的观测观测信号在频域上的特点和变化，并作出相应的分析。加入频谱分析的原理图如图6-1所示。图6-2频谱分析参数设置图6-3基带信号频谱图6-4调制信号频谱图6-5解调信号频谱如图6-5所示，由于元器件的

31、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一定的出人,但总体上还是可以很容易分析出调制信号是基带信号频谱的搬移，而解调信号这是频谱的复位。只是在基带信号转化为调制信号时频谱的叠加不如理论原理的理想，载波分量位置不明显，因而最后的解调信号频谱和基带信号有些出入，而调制信号到解调信号的频谱搬移还是很成功的。7.总结经过几天的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。首先，学会我们并不会MATLAB.我们只是听过老师几节课，只会一些最为基本和操作，有很多东西都不会。可以说我们完全是从头开始。MATLAB的确是一种很高级的语言，它

32、非常地智能，也非常的强大。它的操作并不难，比其他的软件都简单。它的语法也很简单，比C语言简洁多了，掌握起来似乎很简单。但是，在开始写程序的时候便不停的出错。学软件没有老师的讲解是很艰难的。虽然说学软件最好是边用边学，但我们没有足够的时间。在这次课设中我学到了很多的知识。这不光是MATLAB这个软件。我也知道了如何去学习任何一个软件。同时也提高了我的自学能力。这才是真正的自学，也正是我们大学应该学到的。致谢在这次的的设计中，我的指导老师井老师给予我很大的帮助，在井老师的指导下帮我修改了我的设计内容，在课程设计的仿真过程中，老师多次指导，我才得以合理的解决诸多问题，在这里我诚挚的感谢您!然后我还要

33、感谢我的同学们，学问是讨论出来的，是研究出来的，你们在我周围，我们在一起学习，学习就是这样，谢谢你们！参考文献1 詹亚锋.通信信号自动制式识别及参数估计D.北京：清华大学, 2004.2 陈洁,焦振宇. 基于MATLAB7.0 的信号调制与解调分析J. 山西电子技术. 2006,9（5）;54-126. 4 李进亮.移动通信100年,移动通信（在线期刊）,移动通信国家工程研究院,2002,2.5 苏小妹,微计算机信息J 航空电子技术 2005,6（21）;35-97.6 傅祖芸.信息论基础理论与应用M. 北京：电子工业出版社，2001.7 樊昌信.通信原理M（第1版至第5版）.北京：北京国防工业出版社,1980-2005 8 宋辉.通信信号的特征分析、自动识别与参数提取D. 南京理工大学, 2003.9 胡广书.现代信号处理M. 北京：北京清华大学出版社, 2004.10 罗明,数字通信信号的自动识别与参数估计研究D. 西安：西安电子科技大学, 2005.