《通信原理》課程設(shè)計(jì)二級(jí)AM調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真

1、二級(jí)am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)二級(jí)am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入到顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。在課程設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)原理構(gòu)建二級(jí)調(diào)制解調(diào)電路，再在simulink中調(diào)出各元件組成電路，再設(shè)置二級(jí)調(diào)制解調(diào)電路中各個(gè)模塊的參數(shù)值并加以運(yùn)行，并把運(yùn)行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)置的系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞 simulink；二級(jí)；am；調(diào)制；相干解調(diào)1 引 言通信原理課程是通信、電子、信息領(lǐng)域中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是通信工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。通信系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，是為了滿足社

2、會(huì)與個(gè)人的需求而產(chǎn)生的，目的就是傳送消息（數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等）。通信技術(shù)的發(fā)展，特別是近30年來(lái)形成了通信原理的主要理論體系，即信息論基礎(chǔ)、編碼理論、調(diào)制與解調(diào)理論、同步和信道復(fù)用等。本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)二級(jí)am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真。1.1 課程設(shè)計(jì)目的本課稱設(shè)計(jì)的最主要目的是了解幅度調(diào)制與解調(diào)的基本原理。在進(jìn)行了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)課程教學(xué)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與分析儀個(gè)簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，有助于加深對(duì)系統(tǒng)知識(shí)的鞏固和理解。利用matlab7.0 集成環(huán)境下的simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)二級(jí)am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真，分別在理想信道和非理想信道中運(yùn)行，并把運(yùn)

3、行仿真結(jié)果輸入顯示器，根據(jù)顯示結(jié)果分析所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。并繪制相關(guān)的波形圖及頻譜圖，并且分析信號(hào)波形及其頻譜特點(diǎn)。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求本課程的設(shè)計(jì)要求如下：1）學(xué)習(xí)matlab的基本知識(shí)，熟悉matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺(tái)。2）利用通信原理中所學(xué)到的相關(guān)知識(shí)，在simulink仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)二級(jí)am調(diào)制與相干解調(diào)仿真系統(tǒng)。并用示波器觀察調(diào)制與解調(diào)后的波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制與解調(diào)前后的信號(hào)頻譜變化。3）構(gòu)建調(diào)制電路，并用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化。4）再以一級(jí)調(diào)制電路為輸入，構(gòu)建二級(jí)調(diào)制電路，用示波器觀察二級(jí)調(diào)制前后的信號(hào)波形

4、，用頻譜分析模塊觀察二級(jí)調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化。5）以二級(jí)調(diào)制信號(hào)為輸入，構(gòu)建解調(diào)電路，用示波器觀察解調(diào)前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察解調(diào)前后信號(hào)頻譜的變化。6）再以一級(jí)解調(diào)信號(hào)為輸入，構(gòu)建二級(jí)解調(diào)電路，用示波器觀察二級(jí)解調(diào)前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察二級(jí)解調(diào)前后信號(hào)頻譜的變化。7）在二級(jí)調(diào)制與解調(diào)電路間加上噪聲源，模擬信號(hào)在不同信道中的傳輸：a 用高斯白噪聲模擬有線信道，b 用瑞利噪聲模擬有直射分量的無(wú)線信道，c 用萊斯噪聲模擬無(wú)直射分量的無(wú)線信道。將三種噪聲源的方差均設(shè)置為0.1，分析比較通過(guò)三種不同信道后的接收信號(hào)的性能。 8）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，并

5、按要求編寫課程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.3 設(shè)計(jì)平臺(tái)simulink是matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且

6、用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。2 基本原理2.1 simulink仿真平臺(tái)simulink是matlab的重要組成部分，但它具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。simulink已經(jīng)成為在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之，確切地說(shuō)，它是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)。（一）simulink基本操作運(yùn)行simulink方式有三種：1.在matlab的命令窗口直接鍵入“simulink”；2.單擊matlab工具條上的simulink圖標(biāo)；3.在matlab菜單上選擇filenewmodel。選擇第3種方式運(yùn)行

7、后會(huì)顯示simulink模塊庫(kù)瀏覽器以及新建模型窗口，simulink模塊庫(kù)包括：(1) sources：輸入源模塊；(2) sinks：接收模塊；(3) continuous：連續(xù)系統(tǒng)模塊；(4) discrete：離散系統(tǒng)模塊；(5) signals&systems：信號(hào)與系統(tǒng)模塊；(6) math：數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊。新建模型窗口是windows的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)窗口，用戶可用鼠標(biāo)拖入simulink模塊庫(kù)瀏覽器中的模塊，且可以用鼠標(biāo)對(duì)模塊進(jìn)行修改或設(shè)置各模塊的參數(shù)該窗口的菜單系統(tǒng)如下：（1）file：文件菜單（2）edit： 編輯菜單（3）view： 查看菜單（4）simulation：仿真菜單（5

8、）format：格式菜單（6）tools：工具菜單（二）系統(tǒng)仿真步驟1. 根據(jù)系統(tǒng)圖，在窗口中繪制仿真框圖。2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置各環(huán)節(jié)系數(shù)。將鼠標(biāo)移至欲修改的單元上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，windows將彈出對(duì)話框供用戶修改該環(huán)節(jié)的參數(shù)，不同環(huán)節(jié)的對(duì)話框略有不同，對(duì)話框由若干個(gè)編輯框和按鈕組成，在編輯框內(nèi)輸入希望的參數(shù)，然后按ok按鈕確認(rèn)修改的參數(shù)或cancel按鈕取消修改。（三）啟動(dòng)系統(tǒng)仿真通過(guò)菜單啟動(dòng)系統(tǒng)仿真或通過(guò)工具欄起動(dòng)系統(tǒng)仿真，這時(shí)windows將彈出一曲線窗口顯示仿真曲線。2.2二級(jí)常規(guī)雙邊帶（am）調(diào)制與相干解調(diào)的原理（一）調(diào)制 am是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制。假設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的平均值

9、為0，將其疊加一個(gè)直流偏量a0后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號(hào)。am信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為sam(t)=a0+m(t)coswct=a0coswct+m(t)coswct其調(diào)制模型圖如圖2.2.1-1所示圖2.2.1-1 am信號(hào)調(diào)制模型圖其中：a0為外加直流分量；m(t)可以是確知信號(hào)，也可以是隨機(jī)信號(hào)。若m(t)為確知信號(hào)，則am信號(hào)的頻譜為其波形譜和頻譜如圖2.2.1-2所示圖2.2.1-2 am信號(hào)的波形和頻譜（二）解調(diào) 相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號(hào)的頻譜搬移到了載頻位置，而解調(diào)則是調(diào)制的反過(guò)程，即把載頻位置的已調(diào)信號(hào)的譜搬回到原始基帶位置，因此

10、同樣可以用乘法器和載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。其模型圖如圖2.2.2-1所示lpf圖2.2.2-1 相干解調(diào)器的一般模型 相干解調(diào)時(shí)為了無(wú)失真的恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)。 相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。送入解調(diào)器的已調(diào)信號(hào)一般表達(dá)式為 sm(t)=s1(t)coswct+sq(t)sinwct與同頻同相的相干載波c(t)相乘后，得 sp(t)=sm(t) coswct= 1/2s1(t) +1/2s1(t) cos2wct+1/2 sq(t) s

11、in2wct經(jīng)低通濾波器（lfp）后，得 sd(t)= 1/2s1tsd(t)即為解調(diào)輸出，適用于所有的線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。（三）二級(jí)am調(diào)制與解調(diào)將調(diào)制一次的電路最為輸入進(jìn)行二級(jí)調(diào)制，二級(jí)調(diào)制出來(lái)的電路進(jìn)行解調(diào)，一次解調(diào)出來(lái)的電路再作為輸入進(jìn)行二級(jí)解調(diào)。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1（一）am信號(hào)調(diào)制仿真am信號(hào)調(diào)制仿真器件連接號(hào)線路圖如圖3.1-1所示：圖3.1-1 am信號(hào)調(diào)制模型設(shè)置直流信號(hào)參數(shù)為2，基帶信號(hào)和載波信號(hào)頻率為2和20。值得注意的是當(dāng)基帶信號(hào)的幅度大于直流信號(hào)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制現(xiàn)象，包絡(luò)檢波無(wú)法檢測(cè)出原始信號(hào)，但相干檢波依然可以無(wú)失真的檢測(cè)出原始信號(hào)，各個(gè)元器件具體參數(shù)設(shè)置圖如下所示:

12、圖3.1-2 基帶信號(hào)的參數(shù)設(shè)置 圖3.1-3直流信號(hào)的參數(shù)設(shè)置圖3.1-4 載波的參數(shù)設(shè)置圖3-4 乘法器的參數(shù)設(shè)置、圖3.1-5 濾波器的波形綜合上圖調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)即為輸出信號(hào)，和預(yù)計(jì)的理論原理相符，說(shuō)明調(diào)制成功。只有當(dāng)載波的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制信號(hào)的頻率時(shí)，才能調(diào)試成功，否者會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失真，無(wú)法檢測(cè)出原始信號(hào)。如調(diào)制設(shè)置載波為2.5時(shí)，示波器波形如圖3.1-6所示 圖3.1-6 載波為2.5時(shí)示波器波形（二）am信號(hào)的相干解調(diào)仿真將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，為了無(wú)失真地恢復(fù)原始基帶信號(hào)，調(diào)制信號(hào)需要與相同頻率的載波相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波器去除低頻分量，可得到原始的基帶調(diào)制信號(hào)。模型如下圖3.2-1

13、所示圖3.2-1 相干解調(diào)am信號(hào)的模型 圖3.2-2 低通濾波器的參數(shù) 圖3.2-3 相干解調(diào)am信號(hào)解調(diào)波形由波形圖如圖3.2-3所示，第一個(gè)波形為調(diào)制信號(hào)，第二個(gè)波形為載波，第三個(gè)波形為基帶信號(hào)，第四個(gè)波形為解調(diào)信號(hào)，解調(diào)信號(hào)與基帶信號(hào)相對(duì)比，除了產(chǎn)生半個(gè)周期的延時(shí)外，波形大致上與基帶信號(hào)相同。而延時(shí)是不可避免的，可以得出結(jié)論解調(diào)am信號(hào)也是成功的。（三）二級(jí)am調(diào)制與相干解調(diào)系統(tǒng)仿真圖3.3-1二級(jí)am調(diào)制與相關(guān)解調(diào)模型圖3.3-2一級(jí)調(diào)制基帶信號(hào)圖3.3-3直流信號(hào)的參數(shù)設(shè)置圖3.3-4一級(jí)載波的參數(shù)設(shè)置圖3.3-5二級(jí)載波的參數(shù)設(shè)置圖3.3-6一級(jí)解調(diào)低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.3-7

14、二級(jí)解調(diào)低通濾波器參數(shù)設(shè)置圖3.3-8 示波器的波形（四）分析高斯噪聲加入信道的影響所謂高斯白噪聲是指由于熱噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的。熱噪聲和散粒噪聲都是高斯白噪聲。 所謂高斯白噪聲中的高斯是指概率分布是正態(tài)函數(shù)，而白噪聲是指它的二階矩不相關(guān)，一階矩為常數(shù)，是指先后信號(hào)在時(shí)間上的相關(guān)性。在調(diào)制信道與相干解調(diào)信道之間，加入高斯白噪聲，即將調(diào)制信號(hào)與白噪聲相加再進(jìn)行相干解調(diào)。其原理圖如圖3.4-1所示圖3.4-1加入高斯白噪聲的原理圖圖3.4-2 高斯白噪聲參數(shù)設(shè)置方差為2圖3.4-3 設(shè)置白噪聲方差為2的示波器波形圖圖3.4-4設(shè)

15、置白噪聲方差為100圖3.4-5 設(shè)置白噪聲方差為100的示波器波形圖把加入方差不同的高斯白噪聲和不加高斯白噪聲解調(diào)輸出的波形一同進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)方差為2時(shí)，信號(hào)失真不是很明顯；而方差為100時(shí)，信號(hào)失真的相對(duì)而言更厲害；由此可知方差越大，高斯白噪聲對(duì)信道的影響越大，但總體上來(lái)說(shuō)，高斯白噪聲對(duì)解調(diào)輸出的波形影響不太明顯，依然可以看出原始信號(hào)的輪廓。（五）頻譜分析 從時(shí)域可以簡(jiǎn)單明了的看出信號(hào)的幅度情況，而頻域上的分析也是相當(dāng)重要的。信號(hào)的頻率特性是信號(hào)的重要特性之一，和信號(hào)的占用頻帶寬度以及信號(hào)的抗噪聲能力有密切的關(guān)系，它可以很清晰明了的觀測(cè)觀測(cè)信號(hào)在頻域上的特點(diǎn)和變化，并作出相應(yīng)的分析。加入頻

16、譜分析的原理圖如圖3.5-1所示圖3.5-1 加入頻譜分析的原理圖圖3.5-2 頻譜分析參數(shù)設(shè)置圖3.5-3基帶信號(hào)頻譜圖3.5-4一級(jí)調(diào)制信號(hào)頻譜圖3.5-5 二級(jí)調(diào)制信號(hào)頻譜圖3.5-6一級(jí)解調(diào)信號(hào)頻譜圖3.5-7二級(jí)解調(diào)信號(hào)頻譜如圖所示，由于元器件的不理想性，在頻譜上可以很清晰地發(fā)現(xiàn)頻譜結(jié)果和理論原理有一定的出人,但總體上還是可以很容易分析出調(diào)制信號(hào)是基帶信號(hào)頻譜的搬移，而解調(diào)信號(hào)這是頻譜的復(fù)位。只是在基帶信號(hào)轉(zhuǎn)化為調(diào)制信號(hào)時(shí)頻譜的疊加不如理論原理的理想，載波分量位置不明顯，因而最后的解調(diào)信號(hào)頻譜和基帶信號(hào)有些出入，而調(diào)制信號(hào)到解調(diào)信號(hào)的頻譜搬移還是很成功的。圖3.5-8加入方差為2的高

17、斯噪聲解調(diào)的頻譜 如圖3.5-8信號(hào)的頻譜幾乎在所有頻率范圍內(nèi)都有分布，驗(yàn)證了噪聲是隨機(jī)信號(hào)這一特點(diǎn)，從圖中可以看出在基帶信號(hào)頻譜段最中間的尖銳處是載波信號(hào)的頻譜特性，其兩側(cè)略低的尖峰是基帶信號(hào)的頻譜特性，其它位置的頻譜峰值明顯比基帶信號(hào)位置的頻譜低。4 仿真電路分析與總結(jié) （一）信號(hào)在經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的低通通信仿真系統(tǒng)后波形出現(xiàn)失真。這是因?yàn)樾盘?hào)進(jìn)行抽樣時(shí)沒有滿足奈奎斯特定理。為了能從取樣信號(hào)中恢復(fù)原信號(hào)，抽樣必須滿足奈奎斯特定理，即抽樣頻率應(yīng)大于或等于兩倍的原始信號(hào)頻率（二）在加入噪聲后，解調(diào)信號(hào)的波形基本上沒有變化。模塊參數(shù)的設(shè)定也是此次課程設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵，如果參數(shù)設(shè)置的不正確或者有偏差，那么

18、我們就得不到我們所需的真確結(jié)果甚至根本就得不到結(jié)果。在這里出現(xiàn)的比較多的錯(cuò)誤是在設(shè)計(jì)時(shí)沒有一步一步的根據(jù)相應(yīng)的原理進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，調(diào)制后的波形就可能失真。低通濾波器參數(shù)的設(shè)置也非常重要，如果設(shè)置比基帶信號(hào)頻率的兩倍要小，信號(hào)就不能無(wú)失真地恢復(fù)。解決的關(guān)鍵是根據(jù)相關(guān)理論仔細(xì)設(shè)置將載波頻率調(diào)低后，可以明顯的看出解調(diào)信號(hào)有失真變化；（三）當(dāng)波形的振幅過(guò)小時(shí)，調(diào)制信號(hào)的波形基本上沒有變化，后來(lái)將振幅設(shè)置大后，調(diào)制信號(hào)看得出變化；（四）示波器的波形只看得見后面一點(diǎn)點(diǎn)，應(yīng)該將限制數(shù)據(jù)點(diǎn)（limit data points to last）加大為50000或是更大；（五）加噪聲時(shí)先開始用的是噪聲信道模塊，但

19、是總是報(bào)錯(cuò)；于是改加噪聲源模塊，噪聲源模塊與調(diào)制信號(hào)相加再與載波相乘通過(guò)低通濾波器得到解調(diào)信號(hào)；（六）波形太擠不好看，于是把修正因子加大至20。5 結(jié)束語(yǔ)此次通信原理課程設(shè)計(jì)只有短短的兩周時(shí)間，在這兩周時(shí)間里，我學(xué)會(huì)了用matlab/simulink仿真系統(tǒng)初步的設(shè)計(jì)方法。初步了解了如何用matlab/simulink這個(gè)仿真軟件進(jìn)行am的調(diào)制和解調(diào)的設(shè)計(jì)。雖然在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少的麻煩和困難，與此同時(shí)也深刻認(rèn)識(shí)到自己存在的許多不足，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有待加強(qiáng)，實(shí)踐的能力有所欠缺，遇到困難自己獨(dú)立處理有待努力，在課程設(shè)計(jì)之前，我到圖書館借閱了相關(guān)書籍，但是理論的學(xué)習(xí)并沒有讓我體會(huì)到課程設(shè)計(jì)的真諦，光憑理論實(shí)在無(wú)法實(shí)現(xiàn)書中所要表達(dá)的內(nèi)容，因此上機(jī)實(shí)踐很關(guān)鍵。通過(guò)理論知識(shí)的初步學(xué)習(xí)，加上上機(jī)的實(shí)踐，我漸漸地對(duì)simulink有了一定的認(rèn)識(shí)，但是在將書上的理論方框圖轉(zhuǎn)換為simulink模塊的過(guò)程中出現(xiàn)了很大的困難，因?yàn)閷?duì)軟件不熟悉的緣故，許多