毕业设计(论文)-模拟调制技术的仿真与实现.docx
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陕西理工学院毕业设计
题 目 模拟调制技术的仿真与实现
学生姓名 学号
所在学院 陕西理工学院物理与电信工程学院
专业班级 通信1204班
指导教师
完成地点 物理与电信工程学院实验
2016年 5 月 28日
陕西理工学院毕业设计
毕业论文﹙设计﹚任务书
院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1204班 学生姓名 一、毕业论文﹙设计﹚题目 模拟调制技术的仿真与实现
二、毕业论文﹙设计﹚工作自2016 年 1 月 10 日起至 2016 年6 月15 日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:
通信工程实验室四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求:
设计要求:
1、掌握模拟线性传输系统中AM,DSB,SSB,VSB调制方式的原理和设计思想。
2、掌握模拟非线性传输系统中FM,PM调制方式的原理及设计思想。
3、分析常见噪声——高斯白噪声对模拟线性调制系统的影响。
4、分析在高斯白噪声环境下,模拟非线性调制系统的性能。
5、比较模拟调制系统中各种调制方式的性能的比较。
6、实现一种模拟调制解调系统,比较仿真与实现的差异。
进度安排:
1、 2016年3月1日前完成毕业设计开题报告,并提交至毕业设计管理系统,进入实验室开始设计任务。
2、2016年4月30日前学院组织毕业设计中期检查。
3、2016年5月30日前完成毕业设计成果验收。
4、2016年6月3日前完成设计论文定稿,准备答辩材料。
5、2016年6月6-8日毕业设计答辩。
6、2016年6月15日前,完成毕业设计所有材料的整理归档。
指 导 教 师 系(教研室)
系(教研室)主任签名 批准日期
接受论文(设计)任务开始执行日期 学生签名
V
模拟调制技术的仿真与实现
(陕西理工学院物理与电信学院 通信工程专业,2012级4班,陕西汉中)
指导教师:
【摘要】本文着重讨论利用MATLAB对模拟通信系统中的线性调制解调与角度调制解调系统的仿真及AM
调制解调系统的硬件实现。
在线性调制系统中,以调幅(AM)、双边带(DSB)、单边带(SSB)和残留边带
(VSB)为研究对象,分析了四种系统的调制解调原理,并对其进行了仿真;而在角度调制中,以常用的调频
(FM)为研究对象,分析了调频(FM)和调相(PM)系统的调制解调原理,对调频系统进行了仿真;并在高斯白噪声环境下对仿真结果进行了对比分析。
最后用MC1496芯片和其他分立元器件搭建了AM调制解调系统,并用示波器观察输出波形。
【关键词】模拟通信系统仿真实现
Simulationandimplementationofanalogcommunicationtechnology
XiaTianbao
(Grade12,Class4,MajorofCommunicationEngineering,SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,China)
Tutor:
WeiRui
【Abstract】Thispaperfocusesonresearchanalogcommunicationsystemsforsimulationandhardwareimplementation.Analogcommunicationsystemsincludelinearmodulationandanglemodulationsystem.TheprincipleofmodulationanddemodulationisanalyzedandsimulatedbyMATLABsoftware.Hardwareimplementationincludesamplitudemodulationanddemodulationsystem.Inthelinearmodulationsystem,theAmplitudeModulation(AM),DoubleSideband(DSB),SingleSideband(SSB)andVestigialsideband(VSB)aresimulatedandprincipleanalyzed.Intheanglemodulationsystem,thesimulationandanalysisofFrequencyModulation(FM)andPhaseModulation(PM)iscarriedout.AndallofthesimulationsystemsresultsarecomparedandanalyzedundertheGausswhitenoiseenvironment.Finally,theAMmodulationanddemodulationsystemisbuiltwithMC1496chipandotherdiscretecomponents.Theoutputwaveformisobservedbyoscilloscope.
【keyword】analogcommunicationsystem simulation implementation
目录
引言 1
1.方案设计与选择 2
1.1设计要求 2
1.2方案论证与选择 2
1.3软件简介 3
2.模拟线性调制解调系统原理 4
2.1线性调制的一般模型 4
2.2AM信号调制原理 5
2.3DSB信号调制原理 6
2.4SSB信号调制原理 6
2.5VSB信号调制原理 7
2.6解调原理 8
2.6.1相干解调 8
2.6.2包络检波 9
3.模拟角度调制解调系统原理 10
3.1角度调制的基本概念 10
3.1.1FM和PM信号的一般表达式 10
3.1.2FM与PM之间的关系 11
3.2窄带调频与宽带调频 11
3.2.1窄带调频 11
3.2.2宽带调频 12
3.3调频信号的带宽与功率分配 13
3.4调频信号的产生与解调 13
3.4.1调频信号的产生 13
3.4.2调频信号的解调 15
4.模拟调制解调系统的仿真及性能分析 17
4.1模拟调制系统的仿真分析 17
4.1.1AM信号的仿真及分析 17
4.1.2DSB信号的仿真及分析 18
4.1.3SSB信号的仿真及分析 18
4.1.4VSB信号的仿真及分析 19
4.1.5FM信号的仿真及分析 19
4.2线性调制系统的抗噪声性能分析 20
4.2.1加入噪声的幅度调制分析模型 20
4.2.2DSB调制系统的性能 21
4.2.3SSB调制系统的性能 22
4.2.4AM包络检波的性能 23
4.3角度调制系统的抗噪声性能分析 25
4.3.1加入噪声后的调频系统分析模型 25
4.3.2输入信噪比 26
4.3.3大信噪比时的解调增益 26
4.3.4小信噪比时的门限效应 27
4.4在噪声环境下线性模拟调制系统的仿真分析 28
4.4.1.在小噪声影响环境下的对比分析 28
4.4.2.在大噪声影响环境下的对比分析 28
4.5各种模拟调制解调系统的性能曲线 29
5.AM调制解调系统的实现 30
5.1AM调制系统电路仿真 30
5.2AM调制解调系统的实现 31
5.3AM调制系统的测试 31
5.4硬件实现与仿真差异对比 32
6.结束语 33
致谢 34
参考文献 35
附录A外文文献原文 36
附录B外文文献译文 44
附录C源程序 51
附录D元器件清单 55
陕西理工学院毕业设计
引言
通信是一门科学技术,在于实现信息的传递。
它能够将大量有用的信息无失真,高效率地传输,并且能够抑制掉有害信息和舍弃掉无用信息。
现代通信技术要求在传递有效信息的基础上还要有数据的存储、处理、采集和显示等功能,因此通信技术是信息科学技术的一个重要的组成部分。
在通信系统中,所原始信号是由消息变换过来的,则其有效频带往往具有较低的频谱分量。
这种信号弱在信道中进行传输,信息传送的有效性和可靠性会被严重影响,因为它不适宜直接在信道中进行传输。
通信系统的性能,关键在于调制解调的方式。
基带信号对载波的调制是为了实现下列一个或多个目标:
第一,在信号的传输是通过将电磁波辐射到空间进行的传输方式,为了获得较高的辐射效率,天线的尺寸必须与发射信号波长相比拟;第二,载波调制可以将多个调制信号分别搬移到不同的载频上,通过载频频率差异而进行信道的多路复用,提高信道容量;第三,载波调制可通过传输带宽和信噪比的互换来扩展信号带宽,或者提高系统抗干扰抗衰落能力[1]。
因此,调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响。
本文内容主要分为五个章节。
第一章方案设计与选择,主要进行了方案设计及论证与选择。
第二章模拟线性调制解调系统原理,主要详细讲解了AM,DSB,SSB,VSB调制解调系统的原理;第三章模拟角度调制解调系统原理,主要讲解了FM和PM调制解调系统的原理;第四章模拟调制解调系统仿真分析,主要讲解各种模拟调制系统在噪声环境中分析模型,和MATLAB仿真结果及分析进一步对AM,DSB,SSB,FM信号的性能进行MATLAB仿真与抗噪声性能分析;第五章对AM调制系统的实现,主要是讲怎样去实现AM调制系统。
第六章对本次设计的结束语,主要是对此次设计的总结。
第7页共55页
1.方案设计与选择
1.1设计要求
本次设计包含对模拟调制系统的仿真与实现。
其仿真部分需要掌握模拟线性传输系统AM,DSB,SSB,VSB调制方式的原理和设计思想;掌握模拟非线性传输系统中FM,PM调制方式的原理及设计思想;对各模拟调制解调系统的原理进行阐述并在原理的基础上对各个系统进行仿真和测试验证其原理;分析高斯白噪声对模拟线性调制系统的影响;分析在高斯白噪声环境下,模拟非线性调制系统的性能并比较模拟调制系统中各种调制方式的性能。
其实现部分需要选取一个模拟调制解调系统进行硬件的搭载实现并进行测试分析,对比实现与仿真的差异。
1.2方案论证与选择
模拟调制仿真与实现的主要方法有三种。
第一种方案:
基于protues软件的仿真实现,如图1.1所示为protues方案的流程结构。
该方案的优点:
可以直接搭建实际电路图,简单清晰明了,并能进行系统仿真分析;缺点是:
对于各种不同性能要求的滤波器设计参数无法确定以至于对原始信号的解调并不完美。
根据原理选取元器件
搭建电路
参数调试
仿真测试
图1.1protues方案流程结构
根据原理选取功能模块
第二种方案:
基于FPGA的仿真实现。
如图1.2所示为FPGA方案流程结构,该方案优点:
建模框图能清晰的反映出实现的原理;缺点是:
由于建立的模块都是封装子系统,无法看到内部的结构原理并且系统失真较严重,无法实现很好的控制并正确反映想要的结果。
搭建模型
参数调试
仿真测试
图1.2FPGA方案流程结构
第三种方案:
基于MATLAB的仿真实现。
如图1.3所示为MATLAB方案流程结构,该方案优点:
实现起来较简单,对于函数的计算和图形的绘画十分方便,而且仿真结果失真较小;缺点是:
不能直观的反映实现的原理过程。
根据原理建立函数模型
修改模型参数
根据函数模型进行编程
模型运行
查错及参数调整
仿真测试
图1.3MATLAB方案流程结构
经过对比取舍,选取第一种方案来搭建AM调制解调系统,对实现部分进行仿真测试;并选取第三种方案对原理部分进行仿真分析。
两种方案结合使用,能更好的实现本次的论文设计目的。
1.3软件简介
在本次设计中,由于采用第三种方案进行仿真分析,并采用第一种方案进行硬件实现的辅助设计,因此对如下两种软件进行简单介绍。
Matlab是集计算、仿真及绘图功能为一体的一种解释性执行语言。
各个不同领域的科研工作者在自己科研的过程中不断的扩充着Matlab的功能,将其变成了巨大的知识宝库[2]。
Matlab可以设计漂亮的界面,漂亮的用户接口。
丰富的函数库便于其实现计算的功能,收到广大科研工作者的欢迎。
不仅如此,Matlab与其他高级语言也有良好的接口,可便捷的与其他语言进行混合编程,拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说,Matlab是一个重要的学习工具,对学习各门学科有良好的推进作用,逐渐会成为大学生的必修课之一。
Protues是使用分立元件搭载电路的基础工具,对于分立元器件能够很方便的修改参数,同时仿真环境下能很直观的看出电路效果。
在Protues的元器件库里包含了几乎电路硬件设计的所有芯片和元器件,对于程控芯片,Protues还可以进行程序的输入。
仿真测试时有多种模拟测试仪器,对于参数的修改和电路参数的检测有非常大的帮助。
2.模拟线性调制解调系统原理
调制方式往往决定了一个通信系统的性能。
调制技术是指把基带信号变换成传输信号的技术。
基带信号是原始的电信号,一般是指基本的信号波形,在数字通信中则指相应的电脉冲。
未调制的高频电振荡称为载波(可以是正弦波,也可以是非正弦波,如方波、脉冲序列等)。
被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号。
已调信号在信道中到达接收端,被其调节后恢复为原始基带信号。
解调是调制的反变换,是从已调波中提取调制信号的过程。
在无线电通信中常采用双重调制。
第一步是,用数字信号或者模拟信号,调制第一个载波,也称为副载波[3]。
或在多路通信中用调制技术实现多路复用(频分多路复用和时分多路复用)。
第二步,为了进行无线电传输,则用已调制的副载波或者多路复用信号,调制出一个公共载波,即二次调制。
用基带信号调制高频载波,在无线电传输中,可进行天线尺寸的缩减,并用于远距离传输。
应用调制技术,还能提高信号的抗干扰能力。
调制解调是通信系统中的重要部分,几乎是各种通信的主要技术,下面将着重讲述几种常用调制解调技术、基本性能分析以及MATLAB仿真技术在现代通信中的应用。
2.1线性调制的一般模型
h(t)
m(t)
Sm(t)
coswct
图2.1线性调制(滤波法)的一般模型
如图2.1所示,为线性调制的一般模型,输出已调信号的时域和频域表示式为
sm(t)=[m(t)coswct]*h(t)
(2.1
)
S(w)=1[M(w+w)+M(w-w)]H(w)
m 2
式中:
H(w)Ûh(t)。
c c
(2.2)
在此模型中,选择合适的滤波器的特性H(w),便能够得到各种幅度调制信号。
如果将式(2.1)展开,则可得到另一种形式的时域表示式,即
sm(t)=sI(t)coswct+sQ(t)sinwct
(2.3)
其中
sI(t)=h(t)*m(t)
sQ(t)=hQ(t)*m(t)
hI(t)=h(t)coswcthQ(t)=h(t)sin(wct)
(2.4)
(2.5)
式(2.3)表明,sm(t)可等效为两个互为正交调制分量的合成。
由此可以得到如图2.1所示的等效模型。
Si(t)
coswct
Sm(t)
Sq(t)
-π/2
m(t)
Hi(w)
如图2.2所示,该模型称为线性调制相移法的一般模型,它同样适用于所有线性调制。
Hq(w)
图2.2线性调制(相移法)一般模型
2.2AM信号调制原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度,使之随调制信号作线性变化的过程。
设正弦型载波为
c(t)=Acos(wct+j0) (2.6)
式中:
A为载波幅度;wc为载波角频率;j0为载波初始相位(以后可假定为j0为0).
根据调制定义,幅度调制信号(已调信号)一般可表示成:
sm(t) =Am(t)coscowct (2.7)
式中:
m(t)为基带调制信号。
设调制信号m(t)的频谱为M(w),则已调信号sm(t)的频谱sm(w):
s(w)=A[M(w+w)+M(w-w)]
(2.8)
m 2 c c
由以上表示式可见,在波形上,幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化;在频谱结构上,它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。
因为这种搬移是线性的,所以,幅度调制也叫线性调制。
AM调制模型如图2.3所示,
)
m(t
sm(t)
其时域表示式为:
COSwct
A0
图2.3AM调制模型
sAM(t)=[A0+m(t)]coswct=A0coswct+m(t)coswct
(2.9)
式中:
Ao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。
若m(t)为确知信号,则AM信号的频谱为
s (w)=pA[d(w+w)+d(w-w)]+1[M(w+w)+M(w-w)]
AM 0 c
c 2 c c
(2.10)
其典型波形和频谱(幅度谱)的波形满足条件:
m(t)max£A0
(2.11)
时,AM波的包络与调制信号m(t)的形状完全一样,因此,用包络检波的方法很容易恢复出原始调制
信号;如果上述条件没有满足,就会出现“过调幅”现象,这时用包络检波将会发生失真。
2.3DSB信号调制原理
在AM调制模型中,去掉直流Ao,便可得到一个高效率的调制方式——抑制载波双边带信号(
DSB-SC),也称双边带信号(DSB)。
其时域表示式为
sDSB(t)=m(t)coswct
(2.12)
式中,假设m(t)的平均值为0。
DSB的频谱为:
s (w)=1[M(w+w)+M(w-w)]
(2.13)
DSB 2 c c
与AM信号比较,因为不存在载波分量,DSB信号的调制效率是100%,即全部功率都用于信息传输。
DSB信号与调制信号。
二者变化规律不再一致,所以恢复调制信号,不能采用简单的包络检波。
DSB信号解调时需采用相干解调,也称同步检波。
2.4SSB信号调制原理
单边带调制信号是滤掉双边带信号中的一个边带而形成的。
根据滤除方法的不同,产生SSB信号的方法有:
滤波法和相移法。
a).滤波法及SSB信号的频域表示
产生SSB信号最直观的方法是,先产生一个双边带信号,然后让其通过一个边带滤波器,滤除不要的边带,即可得到单边带信号。
这种方法被称为滤波法,是最为简单常用的方法。
其用滤波法产生SSB信号调制器如图2.4所示。
H(w)
SDSB(t) SSSB(t)
m(t)
载波C(t)
H(w)为单边带滤波器的传输函数,若它具有如下理想高通特性:
图2.4滤波法SSB信号调制器
H(w)=
HUSB
(w)= 1,w>wc
{
0,w£wc
(2.14)
则可滤除下边带,保留上边带(USB);若H(w)具有如下理想低通特性:
H(w)=
HLSB
(w)= 1,w { 0,w>wc (2.15) 则可滤除上边带,保留下边带(LSB)。 因此,SSB信号的频谱可表示为 sssB(w)=sSSB(w)H(w) (2.16) b).相移法和SSB信号的时域表示 调制信号为任意信号时SSB信号的时域表示式,即 s (t)=1m(t)coswtm1mˆ(t)sinwt (2.17) SSB 2 c 2 c 式中: mˆ(t)是m(t)的希尔伯特变换。 若M(w)为m(t)的傅里叶变换,则mˆ(t)的傅里叶变换Mˆ(w)为 Mˆ(w)=M(w)×[-jsgnw] (2.18) 式(2.18)的物理意义: m(t)通过传递函数为-jsgnw的滤波器即可得到mˆ(t)。 由此可知,-jsgnw即是希尔伯特滤波器的传递函数,记为 h H(w)=M)(w)/M(w)=-jsgnw (2.19) 式(2.19)表明,希尔伯特滤波器Hh(w),从本质上说,是一个宽带相移网络,对m(t)中的任意频率分量均相移π/2,即可得到mˆ(t)[3]。 相移法SSB调制器的一般模型,如图2.5所示。 ½m(t)coswct SSSB(t) ‘(t) -π/2 Hh(w) 1/2m(t) 1/2m ½m‘(t)sinwct 图2.5相移法SSB信号调制器 相移法是利用相移网络的方式,对载波和调制信号进行相移,在合成过程中,能够使其中一个边带抵消,从而获得SSB信号,不需要滤波器陡峭的截止特性,不论载频多高,都能够实现SSB的调制 [3]。 陕西理工学院毕业设计 2.5VSB信号调制原理 残留边带(VestigialSide-Band,VSB)调制是介于SSB与DSB之间的一种折中方式,它既克服了DSB信号占用频带宽的缺点,又解决了SSB信号实现中的困难。 在这种调制方式中,不像SSB中那样完全抑制DSB信号的一个边带,而是逐渐切割,使其残留一小部分。 用滤波法实现残留边带调制的原理框图与图2.4用滤波法产生SSB信号调制器相同。 但是,这使滤波器的特性H(w) 应设计符合残留边带调制的要求,不要求于陡峭的截至特性,所以它
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