模拟线性调制系统

课程设计报告

课程设计名称：通信系统原理

系：三系

学生姓名：刘亮

班级：13通信工程2班

学号：20130306221

成绩：

指导教师：吴琼

开课时间：2015-2016学年一学期

一、设计任务书 (3)

二、课程设计选题 (5)

三、具体要求 (5)

四、进度安排及成绩评定 (6)

五、课程设计内容 (6)

5.1普通调幅（AM） (6)

5.1.1 AM信号调制 (6)

5.1.2 AM信号波形特点 (7)

5.1.3 AM信号解调 (7)

5.2双边带调制（DSB） (8)

5.2.1 DSB信号调制 (8)

5.2.2 DSB信号解调： (8)

5.2.3 DSB信号的特点： (9)

5.3单边带调制（SSB） (9)

5.3.1 SSB信号调制： (9)

5.3.2 SSB信号解调： (10)

5.4普通调频（FM） (11)

5.4.1 FM信号的调制 (11)

5.4.2 FM信号解调： (11)

5.5.MATLAB 仿真及程序调制 (12)

5.5.1 AM波形仿真 (12)

5.5.2 DSB波形仿真 (13)

5.5.3 SSB波形仿真 (14)

5.5.4 FM波形仿真 (15)

六、运行程序过程中产生的问题及采取的措施 (16)

七、总结和展望 (17)

八、参考文献17

一、设计任务书

二、课程设计选题

选题一：模拟调制系统的设计与性能分析

（1）AM信号的调制解调与性能分析；

（2）DSB信号的调制解调与性能分析；

（3）SSB信号的调制解调与性能分析；

（4）FM信号的调制解调与性能分析。

三、具体要求

a.设计具体部分：仿真出AM信号的波形、分析其频谱、带宽、平均功率，计算调制

效率、解调方法，性能评价；

b.仿真出DSB信号的波形、分析其频谱、带宽、平均功率，计算调制效率、解调方法，

性能评价；

c.仿真出SSB信号的波形、分析其频谱、带宽、平均功率，计算调制效率、解调方法，

性能评价；

d.仿真出FM信号的波形、分析其频谱、带宽、平均功率，计算调制效率、解调方法，

性能评价；

四、进度安排及成绩评定

课程设计从第17周开始：

星期一 图书馆查阅资料，确定选题和软件，思考总体设计方案 星期二 熟悉软件的编程环境，总体设计方案的确定与设计 星期三 各部分的具体实现， 星期四 程序调试并程序注释

星期五 整理完成设计报告，答辩，打印并上交

成绩评定根据课程设计任务书中的成绩评定办法执行。

五、课程设计内容

课程设计题目：模拟调制系统的设计与性能分析 5.1普通调幅（AM ）

5.1.1 AM 信号调制

设调制信号m(t)叠加直流分量A 后与载波相乘，滤波器为全通滤波器，就形成了AM （调幅）信号。

AM 调制器模型如下图所示。

图2.1 AM 调制器模型

AM 信号的时域和频域表达式分别为

（5-1）

（5-2） 式中，A o 为外加的直流分量；m(t)可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即0)(=t m —

。

AM 信号的典型波形和频谱分别如下图5.2所示，图中假定调制信号m(t)的上限频率为

w

H

。显然，调制信号m(t)的带宽为f B m H =。

)

(cos )()(cos )

(cos )]([)(t w c t m t w c A t w c t m A o t s o AM +=+=)]()([2

1

)]()([)(w c w M w c w M w c w w c w A o t s AM -+++-++=δδπ

图5.2 AM 信号的典型波形和频谱图

由图5.2可见，AM 信号波形的包络与输入基带信号m(t)成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。 但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足 max )(t m A o ≥，否则将出现过调幅现象而带来失真。

5.1.2 AM 信号波形特点

由它的频谱图可知，AM 信号的频谱

)(t s

AM

是由载频分量和上、下两个边带组成（通常

称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM 信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即f B m B H AM 22== 式中，f B m H =为调制信号m(t)的带宽，f H

为调制信号的最高

频率。

调制效率最大为三分之一，为载波功率/平均功率。平均功率为s_am 的均方值。

5.1.3 AM 信号解调

调制过程的逆过程叫做解调。AM 信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信

号

。 AM 信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。

5.2双边带调制（DSB ）

在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络，调制信号m(t)中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB ）调制信号，简称双边带（DSB ）信号。

5.2.1 DSB 信号调制

DSB 调制器模型如图5.3所示。可见DSB 信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为

图5.3 DSB 调制模型器图

w c t m t s DSB cos )()(= （5-3） （5-4）

可见 ，DSB 信号的包络不再与m(t)成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB 信号的频谱与AM 信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB 信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM 信号相同，也为基带信号带宽的两倍， 即

f B m B B H

D SB AM 22=== （5-5）

式中，f B m H =为调制信号带宽，f

H

为调制信号的最高频率。

5.2.2 DSB 信号解调：

DSB 信号只能运用相干解调，其模型与AM 信号相干解调时完全相同，如图5.3所示。此时，乘法器输出

（5-6）

经低通滤波器滤除高次项，得

（5-7） )]

()([2

1

)(w c w M w c w M t s DSB -++=

t w c t m t m w c t m t w c t s DSB 2cos )(2

1)(21cos 2)(cos *)(+=

=)(2

1)(t m t m o

=

即无失真地恢复出原始电信号。抑制载波的双边带幅度调制的好处是，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。

5.2.3 DSB 信号的特点：

1、由时间波形可知，DSB 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。

2、在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180°的突变。

3、由频谱图可知，DSB 信号节省了载波功率，功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM 信号带宽相同。调制效率为100%，由于DSB 信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的问题

5.3单边带调制（SSB ）

由于DSB 信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演变出另一种新的调制方式――单边带调制（SSB ）。

5.3.1 SSB 信号调制：

产生SSB 信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。 （1）用滤波法形成SSB 信号

用滤波法实现单边带调制的原理图如图所示，图中的)(w H SSB 为单边带滤波器。产生SSB 信号最直观方法的是，将)(w H SSB 设计成具有理想高通特性)(w H H 或理想低通特性

)(w H L 的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带

信号时)(w H SSB 即为)(w H H ，产生下边带信号时)(w H SSB 即为)(w H L 。显然，SSB 信号的频谱可表示为

(2-8)

)

()]()([21)()()(w H w c w M w c w M w H w S w S SSB SSB DSB SSB -++=

=

图5.4 SSB 信号的滤波法产生

用滤波法实现SSB 信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。而一般调制信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的DSB 信号的上、下边带之间的间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波

器在附近具有陡峭的截止特性――即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时甚至难以实现。为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的过渡带归一化值，减小实现难度。 可以证明，SSB 信号的时域表示式为

（5-9） 式中，“－”对应上边带信号，“+”对应下边带信号；

表示把

的所有频率成分

均相移称∧

)(t m 是 )(t m

的希尔伯特变换。 根据上式可得到用相移法形成SSB 信号，如图5.5所示。图中，)(w H k 为希尔伯特滤波器，它实质上是一个宽带相移网络，对)(t m 中的任意频率分量均相移。

图5.5 相移法形成SSB 信号的模型

相移法形成SSB 信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移

，这一点即使近似达到也是困难的。

5.3.2 SSB 信号解调：

从SSB 信号调制原理图中不难看出，SSB 信号的包络不再与调制信号成正比，因此

SSB 信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。

t w c t m t w c t m t S SSB cos )(2

1cos )(21)(∧

= 2π-

此时，乘法器输出

（2-10） 经低通滤波后的解调输出为

（5-11）

综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大

SSB 信号的实现比AM 、DSB 要复杂，但SSB 调制方式在传输信息时，不仅可节省发射功率，而且它所占用的频带宽度为，比AM 、DSB 减少了一半，调制效率为100%。HSSBfB=SSB 调制已成为短波通信中一种重要的调制方式。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，其包络不能直接反映调制信号的变化，所以能需采用相干解调。

5.4普通调频（FM ）

5.4.1 FM 信号的调制

在调制时，调制信号的频率去控制载波的频率的变化，载波的瞬时频偏随调制信号()m t 成正比例变化，即

()

()

f d t K m t dt

?= （5-12）

式中，f K 为调频灵敏度（()

rad s V ?）。

这时相位偏移为

()()f t K m d ?ττ

=? （5-13）

则可得到调频信号为

()cos ()FM c f s t A t K m d ωττ??=+??

? （5-14）

5.4.2 FM 信号解调：

调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，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。在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方

t

w c t m t w c t m t m t

w c t w c t m w c t m t w c S t s p SSB 2sin )(4

12cos )(41)(41cos ]sin )(cos )([2

1

cos *)(∧

+=∧== )(4

1)(t m t m o

=

法进行解调。

图5.7 FM 解调模型

非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图2.7所示。限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。

设输入调频信号为

微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为

[]()()

()()sin(())

i FM d t

c f c f dS t dS t S t dt dt

K m t t K m d ωωττ+-∞==

=-+? （5-15）

包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为

[]()()()o d c f d c d f S t K Km t K K Km t ωω++== （5-16）

5.5.MATLAB 仿真及程序调制

5.5.1 AM 波形仿真

dt=0.001; %时间采样频谱 fm=1; %基带频率 fc=10; %载波频率 T=6; %信号时长 t=0:dt:T %帧中的采样时刻 mt=2*cos(2*pi*fm*t); %基带信号

A=2;

s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t); %AM信号subplot(2,1,1)

plot(t,s_am);

title('AM调制信号')

xlabel('t')

ylabel('s-am')

subplot(2,1,2);F=fft(s_am); %傅里叶变换plot(abs(F)),grid; %频谱信号

title('AM调制信号频谱');

xlabel('w')

ylabel('s-am(w)')

axis([0,100,0,8000]);

5.5.2 DSB波形仿真

dt=0.001; %时间采样频谱

fm=1; %基带频率

fc=10; %载波频率

T=6; %信号时长

t=0:dt:T; %帧中的采样时刻

mt=2*cos(2*pi*fm*t); %基带信号

s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t); %DSB信号subplot(2,1,1)

plot(t,s_dsb);

title('DSB调制信号');

xlabel('t');

ylabel('s-dsb')

subplot(2,1,2);F=fft(s_dsb); %傅里叶变换

plot(abs(F)),grid; %频谱信号

title('DSB调制信号频谱');

xlabel('w')

ylabel('s-dsb(w)')

axis([0,200,0,3000]);

5.5.3 SSB波形仿真

dt=0.001; %时间采样频谱

fm=1; %基带频率

fc=10; %载波频率

T=6; %信号时长

t=0:dt:T; %帧中的采样时刻

mt=2*cos(2*pi*fm*t); %基带信号

s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t)); %SSB信号figure(1)

subplot(2,1,1)

plot(t,s_ssb);

title('SSB调制信号');

xlabel('t');

ylabel('s-ssb')

subplot(2,1,2);F=fft(s_ssb); %傅里叶变换

plot(abs(F)),grid; %频谱信号

title('SSB调制信号频谱');

xlabel('t')

ylabel('s-ssb(w)')

axis([0,200,0,8000]);

5.5.4 FM波形仿真

dt=0.001; %时间采样频谱

t=0:dt:T; %帧中的采样时刻

fm=1; %基带频率

A=2;

mt=A*cos(2*pi*fm*t); %基带信号

mti=1/2/pi/fm*sin(2*pi*fm*t);

FMt=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*Kf*mti); %FM信号figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(t,FMt);

xlabel('t');

ylabel('FM')

title('FM调制信号');

subplot(2,1,2);F=fft(FMt); %傅里叶变换

plot(abs(F)),grid; %频谱信号

title('FM调制信号频谱');

xlabel('w')

ylabel('FM(w)')

axis([0,200,0,2500]);