信號(hào)處理分析課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。調(diào)制過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)頻譜搬移的過(guò)程，即是將低頻信號(hào)的頻譜（調(diào)制信號(hào)）搬移到載頻位置（載波）。而解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，即是將已調(diào)制信號(hào)還原成原始基帶信號(hào)的過(guò)程。調(diào)制與解調(diào)方式往往能夠決定一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。幅度調(diào)制就是一種很常見(jiàn)的模擬調(diào)制方法，在A(yíng)M信號(hào)中，載波分量并不攜帶信息，仍占據(jù)大部

2、分功率，如果抑制載波分量的發(fā)送，就能夠提高功率效率，這就抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB-SC（Double Side Band with Suppressed Carrier），因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB-SC信號(hào)的調(diào)制效率就是100%，即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB-SC信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，需采用同步檢波來(lái)解調(diào)。這種解調(diào)方式被廣泛應(yīng)用在載波通信和短波無(wú)線(xiàn)電話(huà)通信中。但是由

3、于在信道傳輸過(guò)程中必將引入高斯白噪聲，雖然經(jīng)過(guò)帶通濾波器后會(huì)使其轉(zhuǎn)化為窄帶噪聲，但它依然會(huì)對(duì)解調(diào)信號(hào)造成影響，使其有一定程度的失真，而這種失真是不可避免的。本文介紹了M文件編程和Simulink兩種方法來(lái)仿真DSB-SC系統(tǒng)的整個(gè)</p><p>　　關(guān)鍵詞 DSB-SC調(diào)制 同步檢波 信道噪聲 M文件 Simulink仿真</p><p>　　1 DSB調(diào)制與解調(diào)的基本原理&

4、lt;/p><p>　　1.1 DSB調(diào)制原理</p><p>　　在消息信號(hào)m(t)上不加上直流分量，則輸出的已調(diào)信號(hào)就是無(wú)載波分量的雙邊帶調(diào)制信號(hào)，或稱(chēng)抑制載波雙邊帶（DSB-SC）調(diào)制信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)雙邊帶（DSB）信號(hào)。DSB調(diào)制器模型如圖3-1，可見(jiàn)DSB信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是基帶信號(hào)與載波直接相乘。</p><p>　　圖1-1 DSB信號(hào)調(diào)制器模型</p>

5、<p>　　其時(shí)域和頻域表示式分別如下</p><p><b>　　(式3-1)</b></p><p><b>　　(式3-2)</b></p><p>　　除不再含有載頻分量離散譜外，DSB信號(hào)的頻譜與AM信號(hào)的完全相同，仍由上下對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)邊帶組成。故DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬與AM信號(hào)相同

6、，也為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。 </p><p>　　圖1-2 DSB信號(hào)的波形與頻譜</p><p>　　1.2 DSB解調(diào)原理</p><p>　　因?yàn)椴淮嬖谳d波分量，DSB信號(hào)的調(diào)制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。但由于DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與m(t)成正比，故不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)。</p><p>　　圖1-

7、3 DSB信號(hào)相干解調(diào)模型</p><p>　　圖3-3中SL(t)為本地載波，也叫相干載波，必須與發(fā)送端的載波完成同步。即頻率相同時(shí)域分析如下：</p><p>　　Sp(t)經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF，濾掉高頻成份，為</p><p><b>　　頻域分析如下：</b></p><p>　　式中的H(ω)為L(zhǎng)PF的系統(tǒng)函數(shù)

8、。頻域分析的過(guò)程如圖3-4所示。事實(shí)上本地載波和發(fā)端載波完全一致的條件是是不易滿(mǎn)足的，因此，需要討論有誤差情況下對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響。</p><p>　　圖1-4 DSB信號(hào)相干解調(diào)過(guò)程示意圖</p><p>　　2 Simulink仿真電路</p><p><b>　　2.1 調(diào)制模塊</b></p><p>　　新建一

9、個(gè)仿真空白模型，將DSB信號(hào)調(diào)至所需要的模塊拖入空白模型中。圖4-3中Sine wave為正弦基帶信號(hào)、Sine wave1為正弦載波，均使用離散化的信號(hào)。product為乘法器。連接各模塊如下圖所示。</p><p>　　圖2-1 DSB調(diào)制模型</p><p>　　雙擊模塊設(shè)置基帶信號(hào)屬性：幅度為2，頻率為2HZ，初相位為0，離散方式，采樣間隔為0.002s。</p>&

10、lt;p>　　用同樣的方式設(shè)置載波信號(hào)屬性:幅度為2，頻率為50HZ，初相位為0，離散方式，采樣間隔為0.002s。</p><p>　　示波器得到的波形及頻譜如下：</p><p>　　圖2-2 調(diào)制信波形</p><p>　　圖2-3 載波信號(hào)波形</p><p>　　圖2-4 已調(diào)信號(hào)波形</p><p>

11、　　圖2-5 調(diào)制信號(hào)的頻譜 圖2-6 已調(diào)信號(hào)的頻譜</p><p>　　從圖中可以清楚地看出，雙邊帶信號(hào)時(shí)域波形的包絡(luò)不同于調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。在調(diào)制信號(hào)零點(diǎn)前處已調(diào)波的相位發(fā)生了180°的突變。在調(diào)制信號(hào)的正半周期內(nèi)，已調(diào)波的高頻相位與載波相同，在調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周期內(nèi)，已調(diào)波的高頻相位與載波相反。并且雙邊帶的帶寬為基帶信號(hào)的兩倍。</p><p>　　2.2 調(diào)

12、制后加入高斯白噪聲</p><p>　　加性高斯白噪聲 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪聲與干擾模型。加性噪聲是疊加在信號(hào)上的一種噪聲，通常記為n(t)，而且無(wú)論有無(wú)信號(hào)，噪聲n(t)都是始終存在的。因此通常稱(chēng)它為加性噪聲或者加性干擾。若噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數(shù)，則稱(chēng)這樣的噪聲為白噪聲。如果白噪聲取值的概率分布服從高斯分布，則稱(chēng)這樣的噪聲為高斯白

13、噪聲。在通信系統(tǒng)中，經(jīng)常碰到的噪聲之一就是白噪聲。</p><p>　　在理想信道調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)上，在信道中加入高斯白噪聲，把Simulink中的AWGN模塊加入到模型中。</p><p>　　圖2-7 高斯白噪聲信道傳輸模型</p><p>　　圖2-8 高斯白噪聲信道傳輸波形</p><p>　　圖2-9 高斯白噪聲信道傳輸波形的頻譜&

14、lt;/p><p>　　與已調(diào)信號(hào)相比較可看出，波形出現(xiàn)了一定程度的失真。失真是隨著信噪比SNR的變化而變化的，SNR越小，通過(guò)AWGN信道的波形就越接近理想信道波形。</p><p>　　2.3 解調(diào)與低通濾波模塊</p><p>　　因?yàn)镈SB信號(hào)包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)基帶信號(hào)，而必須采用相干解調(diào)。相干解調(diào)也稱(chēng)同步檢波，是

15、指用載波乘以一路與載波相干（同頻同相）的參考信號(hào)，再通過(guò)低通濾波器即可輸出解調(diào)信號(hào)。</p><p>　　圖2-10 相干解調(diào)模塊模型</p><p>　　這里的數(shù)字濾波器用到了Simulink模型庫(kù)中的FDATool，雙擊模塊可以選擇濾波器類(lèi)型及更改參數(shù)。在這里選擇了低通Elliptic濾波器，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它具有很好的頻響特性。根據(jù)系統(tǒng)基帶信號(hào)頻率范圍和載波的頻率，設(shè)置其通帶和截止頻率分別為

16、40、60。</p><p>　　圖2-11 解調(diào)濾波后的輸出波形</p><p>　　圖2-12 解調(diào)濾波后的輸出波形的頻譜</p><p><b>　　2.4 總體模型</b></p><p>　　圖2-13 總體模型圖</p><p>　　圖2-14 總體仿真圖</p><

17、;p>　　3 MATLAB程序代碼</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　3.2 調(diào)制部分</b></p><p><b>　　代碼:</b></p><p><b>　　Fs = 500;</b><

18、/p><p>　　t=[0:999]/Fs;</p><p><b>　　Fc = 50;</b></p><p>　　x = 2*sin(2*pi*2*t);</p><p>　　N=length(x);</p><p>　　z0=fft(x);</p><p>　　z0 =

19、 abs(z0(1:length(z0)/2+1));</p><p>　　frq0 = [0:length(z0)-1]*Fs/length(z0)/2;</p><p>　　figure(1);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(x); grid;</p><p>　　title('原始信號(hào)')

20、;</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq0,z0); grid;</p><p>　　title('原始信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　%雙邊帶調(diào)制</b></p><p>　　y1 = ammod(x,Fc,Fs);</p><p>

21、　　z1 = fft(y1);</p><p>　　z1 = abs(z1(1:length(z1)/2+1));</p><p>　　frq1 = [0:length(z1)-1]*Fs/length(z1)/2;</p><p>　　figure(2);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y1); grid;&

22、lt;/p><p>　　title('雙邊帶信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq1,z1);</p><p>　　title('雙邊帶信號(hào)的頻譜');grid;</p><p><b>　　輸出圖:</b></p><p>　

23、　圖3-1 原始信號(hào)波形及其頻譜</p><p>　　圖3-2 已調(diào)信號(hào)波形及其頻譜</p><p><b>　　3.3 噪聲部分</b></p><p><b>　　代碼:</b></p><p><b>　　%噪聲</b></p><p>　　noi

24、sy=randn(1,N); </p><p>　　y2=y1+noisy/2;</p><p>　　z2=fft(y2);</p><p>　　%frq2=[0:N-1]*Fs/N;</p><p>　　frq2 = [0:length(z2)-1]*Fs/length(z2);</p><p>　　figure(3

25、);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y2); grid;</p><p>　　title('加入噪聲后的信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq2,abs(z2)); grid;</p><p>　　title('加入噪聲后信號(hào)的頻譜');

26、</p><p><b>　　輸出圖:</b></p><p>　　圖3-3 加入噪聲后信號(hào)波形圖及其頻譜</p><p>　　3.4 帶通濾波部分</p><p><b>　　代碼：</b></p><p><b>　　%帶通濾波器</b></p

27、><p>　　rp=1;rs=10; </p><p>　　wp=2*pi*[45,55];ws=2*pi*[40,60];</p><p>　　[N,wc]=buttord(wp,ws,rp,rs,'s');</p><p>　　[B,A]=butter(N,wc,'s');</p><p&g

28、t;　　[Bz,Az]=impinvar(B,A,Fs);</p><p>　　y3=filter(Bz,Az,y2);</p><p>　　z3=fft(y3);</p><p>　　figure(4);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y3); grid;</p><p>　　titl

29、e('帶通濾波后的的信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq2,abs(z3)); grid;</p><p>　　title('帶通濾波后信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　輸出圖：</b></p><p>　　圖3-4 帶通濾波后信號(hào)波

30、形及其頻譜</p><p><b>　　3.5 解調(diào)部分</b></p><p><b>　　代碼：</b></p><p><b>　　%解調(diào)</b></p><p>　　y4 = amdemod(y3,Fc,Fs,0,0);</p><p>　　z4

31、=fft(y4);</p><p>　　z4 = abs(z4(1:length(z4)/2+1));</p><p>　　frq4 = [0:length(z4)-1]*Fs/length(z4)/2;</p><p>　　figure(5);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y4); grid;</p&

32、gt;<p>　　title('解調(diào)后的信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq4,z4);grid;</p><p>　　title('解調(diào)后的信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　輸出圖：</b></p><p>　　圖3-

33、5 解調(diào)后信號(hào)波形圖及其頻譜</p><p>　　3.6 低通濾波部分</p><p><b>　　代碼：</b></p><p><b>　　%低通濾波器</b></p><p>　　fp1=1;fs1=4;rp1=1;rs1=10; </p><p>　　wp1=2*pi

34、*fp1;ws1=2*pi*fs1; </p><p>　　[N1,wc1]=buttord(wp1,ws1,rp1,rs1,'s'); </p><p>　　[B1,A1]=butter(N1,wc1,'s'); </p><p>　　[Bz1,Az1]=impinvar(B1,A1,Fs); </p><p&g

35、t;　　y5=filter(Bz1,Az1,y4); </p><p>　　z5=fft(y5);</p><p>　　z5 = abs(z5(1:length(z5)/2+1));</p><p>　　frq5 = [0:length(z5)-1]*Fs/length(z5)/2;</p><p>　　figure(6);</p>

36、;<p>　　subplot(2,1,1); plot(y5); grid;</p><p>　　title('低通濾波后的信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq5,z5);grid;</p><p>　　title('低通濾波后信號(hào)的頻譜');</p><p

37、><b>　　輸出圖：</b></p><p>　　圖3-6 低通濾波后信號(hào)波形圖及其頻譜</p><p><b>　　4 心得體會(huì)</b></p><p><b>　　5 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 樊昌信，曹麗娜. 通信原理. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，

38、2006</p><p>　　[2] 達(dá)新宇．通信原理實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003</p><p>　　[3] 徐遠(yuǎn)明. MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2005</p><p>　　[4] 張化光, 孫秋野. MATLAB/Simulink實(shí)用教程. 北京：人民郵電出版社，2009</p&g

39、t;<p>　　[5] 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真基礎(chǔ). 北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2002</p><p>　　[6] 鄧華．MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　MATLAB完整程序代碼：</p><

40、;p><b>　　%原始信號(hào)</b></p><p><b>　　Fs = 500;</b></p><p>　　t=[0:999]/Fs;</p><p><b>　　Fc = 50;</b></p><p>　　x = 2*sin(2*pi*2*t);</p&g

41、t;<p>　　N=length(x);</p><p>　　z0=fft(x);</p><p>　　z0 = abs(z0(1:length(z0)/2+1));</p><p>　　frq0 = [0:length(z0)-1]*Fs/length(z0)/2;</p><p>　　figure(1);</p>

42、<p>　　subplot(2,1,1); plot(x); grid;</p><p>　　title('原始信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq0,z0); grid;</p><p>　　title('原始信號(hào)的頻譜');</p><p><

43、b>　　%雙邊帶調(diào)制</b></p><p>　　y1 = ammod(x,Fc,Fs);</p><p>　　z1 = fft(y1);</p><p>　　z1 = abs(z1(1:length(z1)/2+1));</p><p>　　frq1 = [0:length(z1)-1]*Fs/length(z1)/2;&

44、lt;/p><p>　　figure(2);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y1); grid;</p><p>　　title('雙邊帶信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq1,z1);</p><p>　　title('雙

45、邊帶信號(hào)的頻譜');grid;</p><p><b>　　%噪聲</b></p><p>　　noisy=randn(1,N); </p><p>　　y2=y1+noisy/2;</p><p>　　z2=fft(y2);</p><p>　　%frq2=[0:N-1]*Fs/N;&l

46、t;/p><p>　　frq2 = [0:length(z2)-1]*Fs/length(z2);</p><p>　　figure(3);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y2); grid;</p><p>　　title('加入噪聲后的信號(hào)');</p><p>　　su

47、bplot(2,1,2); plot(frq2,abs(z2)); grid;</p><p>　　title('加入噪聲后信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　%帶通濾波器</b></p><p>　　rp=1;rs=10; </p><p>　　wp=2*pi*[45,55];ws=2*pi*

48、[40,60];</p><p>　　[N,wc]=buttord(wp,ws,rp,rs,'s');</p><p>　　[B,A]=butter(N,wc,'s');</p><p>　　[Bz,Az]=impinvar(B,A,Fs);</p><p>　　y3=filter(Bz,Az,y2);<

49、/p><p>　　z3=fft(y3);</p><p>　　figure(4);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y3); grid;</p><p>　　title('帶通濾波后的的信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq2,abs(

50、z3)); grid;</p><p>　　title('帶通濾波后信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　%解調(diào)</b></p><p>　　y4 = amdemod(y3,Fc,Fs,0,0);</p><p>　　z4=fft(y4);</p><p>　　z4 = a

51、bs(z4(1:length(z4)/2+1));</p><p>　　frq4 = [0:length(z4)-1]*Fs/length(z4)/2;</p><p>　　figure(5);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y4); grid;</p><p>　　title('解調(diào)后的信號(hào)'

52、);</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq4,z4);grid;</p><p>　　title('解調(diào)后的信號(hào)的頻譜');</p><p><b>　　%低通濾波器</b></p><p>　　fp1=1;fs1=4;rp1=1;rs1=10; </p>&

53、lt;p>　　wp1=2*pi*fp1;ws1=2*pi*fs1; </p><p>　　[N1,wc1]=buttord(wp1,ws1,rp1,rs1,'s'); </p><p>　　[B1,A1]=butter(N1,wc1,'s'); </p><p>　　[Bz1,Az1]=impinvar(B1,A1,Fs); &

54、lt;/p><p>　　y5=filter(Bz1,Az1,y4); </p><p>　　z5=fft(y5);</p><p>　　z5 = abs(z5(1:length(z5)/2+1));</p><p>　　frq5 = [0:length(z5)-1]*Fs/length(z5)/2;</p><p>　　f

55、igure(6);</p><p>　　subplot(2,1,1); plot(y5); grid;</p><p>　　title('低通濾波后的信號(hào)');</p><p>　　subplot(2,1,2); plot(frq5,z5);grid;</p><p>　　title('低通濾波后信號(hào)的頻譜')