通信原理实训报告

一、实训目的

1. 将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号；

2. 改善系统的抗噪性能；

3.实现信道的多路复用。

二、实训任务和要求

在本次通信系统综合训练中，首先掌握调制与解调；理解其工作的基本原理以及操作方法。其次主要掌握DSB双边带调制的基本原理。最后利用利用Matlab软件进行调幅调制和解调程序设计，对DSB双边带调制进行了仿真，输出显示调制信号波形、调制信号频谱、已调信号波形、已调信号频谱、加噪声的解调波形、未加噪声的解调波形、解调信号的频谱并输出显示其输入输出信噪比，通过对实验结果的分析，更加清楚的了解到了噪声对DBS信号的影响，也更加熟练的应用了所学知识。

三、实训结果与内容

3.1模拟调制原理

模拟调制是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波，而载波是一个确知的周期性波形。模拟调制可分为线性调制和非线性调制，本文主要研究线性调制。

线性调制的原理模型如图2.1所示。设c(t)=Acos2

t f

o

,调制信号为m(t),已调信号为

s(t)。

图2.1 线性调制的远离模型

3.2双边带调制DSB的基本原理

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。

设正弦型载波c(t)=Acos(t) ，式中：A为载波幅度，为载波角频率。

根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示为：

(t)=Am(t)cos(

t) （2-2）

其中，m(t)为基带调制信号。

设调制信号m(t)的频谱为M()，则由公式2-2不难得到已调信号

(t)的频谱：

)]()([2

)(c c m M M A

s ωωωωω-++=

（2-3） 由以上表示式可见，在波形上，幅度已调信号随基带信号的规律呈正比地变化；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。

标准振幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM ）。假设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个直流偏量

后与载波相乘，即可形成调幅信号。其时域表达式为:

)cos())(()(0t t m t c AM

A s

ω+= （2-4）

式中：

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。

若为确知信号，则AM 信号的频谱为:

（2-5）

AM 信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。AM 信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，也就是说，载波分量并不携带信息。因此，AM 信号的功率利用率比较低。

AM 调制器模型如下图所示。

图2.2 AM 调制器模型

AM 信号的时域和频域表达式分别为

（2-6）

（2-7） 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 —

。

由频谱可以看出，AM 信号的频谱由载波分量、上边带、下边带三部分组成。上边

)

(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)]

()([2

1)]()([)(0

ω

ω

ω

ω

ωωωδωδπωc

c

c

c

m M M A

s -+++-++=

带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM 信号是带有载波分量的双边带信号，他的带宽是基带信号带宽 的2倍，即

（2-8）

AM 调制典型波形和频谱如图1-1所示：

图2.3AM 调制典型波形和频谱

如果在AM 调制模型中将直流A 去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式—抑制载波双边带信号(DSB —SC)，简称双边带信号。

其时域表达式为

)

cos()()(t t m t c D SB

s

ω= （2-9）

式中，假设的平均值为0。DSB 的频谱与AM 的谱相近，只是没有了在±ω处的函数δ，即

（2-10）

)]()([21)(ωωωωωc c m M M s -++=f

B

H

AM

2

=

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，即全部效率都用于信息传输。但由于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。DSB 信号借条是需采用相干解调，也称同步检波（比包络检波器复杂得多）。

其典型波形和频谱如图1-2所示：

图2.4 DSB 调制典型波形和频谱

3.3 DSB 解调原理与抗噪性能

解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号（即调制信号）。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波）。

相干解调，也称同步检波，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接受的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。

包络检波器就是直接从已调波的幅度中提取原调制信号，通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。

由于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。DSB 信号解调时需采用相干解调。

DSB 相干解调性能分析模型如图2.5所示：

图2.5 DSB 相干解调性能分析模型

cos ω0t

O

m (t )s DSB (t

O

c

c

H

H

c

c

s m c

设解调器输入信号为：

(t)=

m(t)cos(

t)

(2-11)

与相干载波

cos(

t)相乘后，得

(2-12) 经低通滤波器后，输出信号为:

(2-13) 因此，解调器输出端的有用信号功率为:

(2-14) 解调DSB 信号时，接收机中的带通滤波器的中心频率与调制频率相同，此解调

器输入端的窄带噪声:

)sin()()cos()()(t t t t t c

s

c

c

i

n n n ωω-= （2-15）

它与相干载波

cos(t)相乘后，得：

（2-16）

经低通滤波器后，解调器最终输出噪声为：

)(2

1

)(0t t n n c = （2-17）

故输出噪声功率为：

（2-18） 式中，

B=2

,为DSB 的带通滤波器的带宽，为噪声单边功率谱密度。

解调器输入信号平均功率为：

)(2

12

t m s i =

（2-19） 可得解调器的输入信噪比：

B

t m S i

i 02)(21= （2-20） 解调器的输出信噪比：

B

t m n N

S 020

0)(= （2-21）

)

2cos()(2

1

)cos()(21)(cos )(2t t m t t m t t m c c c ωωω+=

)(2

1)(0

t m t m =)(4

1)(22

00t t m m s ==)]2sin()()2cos()([21)(21)cos()(t t t t t t t c s c c c c i n n n n ωωω-+=B t n t n n N N i c 022

004

141)(41)(===

=

因此制度增益为:

N

S N S G i

i

D S B 00

（2-22）

也就是说，DSB 信号的解调器使信噪比改善一倍。 3.4 DSB 调制解调分析的MATLAB 实现

信号DSB 调制采用MATLAB 函数modulate 实现，其函数格式为： Y = MODULATE(X,Fc,Fs,METHOD,OPT) X 为基带调制信号，Fc 为载波频率，Fs 为抽样频率，METHOD 为调制方式选择，DSB 调制时为’am ’，OPT 在DSB 调制时可不选，Fs 需满足Fs > 2*Fc + BW ，BW 为调制信号带宽。

DSB 信号解调采用MATLAB 函数demod 实现，其函数使用格式为： X = DEMOD(Y,Fc,Fs,METHOD,OPT) Y 为DSB 已调信号，Fc 为载波频率，Fs 为抽样频率，METHOD 为解调方式选择，DSB 解调时为’am ’，OPT 在DSB 调制时可不选。 观察信号频谱需对信号进行傅里叶变换，采用MATLAB 函数fft 实现，其函数常使用格式为：Y=FFT(X,N)，X 为时域函数，N 为傅里叶变换点数选择，一般取值2'。频域变换后，对频域函数取模，格式：Y1=ABS(Y)，再进行频率转换，转换方法：f=(0:length(Y)-1)’*Fs/length(Y) 分析解调器的抗噪性能时，在输入端加入高斯白噪声，采用MATLAB 函数awgn 实现，其函数使用格式为：Y =AWGN(X,SNR)，加高斯白噪声于X 中，SNR 为信噪比，单位为dB ，其值在假设X 的功率为0dBM 的情况下确定。

信号的信噪比为信号中有用的信号功率与噪声功率的比值，根据信号功率定义，采用MATLAB 函数var 实现，其函数常使用格式为：Y =VAR(X)，返回向量的方差，则信噪比为:SNR=VAR(X1)/VAR(X2)。绘制曲线采用MATLAB 函数plot 实现，其函数常使用格式：PLOT （X ，Y ），X 为横轴变量，Y 为纵轴变量，坐标范围限定AXIS([x1 x2 y1 y2])，轴线说明XLABEL(‘ ‘)和YLABEL(‘ ‘)。

程序设计流程图如下：

程序设计流程图

3.5仿真程序

用频率300HZ正弦波调制频率30KHZ的正弦波，采用同步解调，观察调制信号、已调信号、解调信号的波形、频谱以及解调器输入输出信噪比的关系。

编程如下：

Fs=100000; %抽样频率

Fc=30000; %载波频率

N=1000; %FFT长度

n=0:N-1; t=n/Fs; %截止时间和步长

x= sin(2*pi*300*t); %基带调制信号

y=modulate(x,Fc,Fs,'am'); %抑制双边带振幅调制

yn=awgn(y,4); %加入高斯白噪声

yn1=awgn(y,10);

yn2=awgn(y,15);

yn3=awgn(y,20);

yn4=awgn(y,25);

y1=demod(y,Fc,Fs,'am'); %无噪声已调信号解调

yyn=demod(yn,30000,Fs,'am'); %加噪声已调信号解调

yyn1=demod(yn1,30000,Fs,'am');

yyn2=demod(yn2,30000,Fs,'am');

yyn3=demod(yn3,30000,Fs,'am');

yyn4=demod(yn4,30000,Fs,'am');

dy1=yn-y; %高斯白噪声snr1=var(y)/var(dy1); %输入信噪比dy2=yyn-y1; %解调后噪声snr2=var(y1)/var(dy2); %输出信噪比dy11=yn1-y;

snr11=var(y)/var(dy11);

dy21=yyn1-y1;

snr21=var(y1)/var(dy21);

dy12=yn2-y;

snr12=var(y)/var(dy12);

dy22=yyn2-y1;

snr22=var(y1)/var(dy22);

dy13=yn3-y;

snr13=var(y)/var(dy13);

dy23=yyn3-y1;

snr23=var(y1)/var(dy23);

dy14=yn4-y;

snr14=var(y)/var(dy14);

dy24=yyn4-y1;

snr24=var(y1)/var(dy24);

in=[snr1,snr11,snr12,snr13,snr14];

out=[snr2,snr21,snr22,snr23,snr24];

ff1=fft(x,N); %傅里叶变换mag1=abs(ff1); %取模

f1=(0:length(ff1)-1)'*Fs/length(ff1); %频率转换

ff2=fft(y,N); mag2=abs(ff2);

f2=(0:length(ff2)-1)'*Fs/length(ff2);

ff3=fft(y1,N); mag3=abs(ff3);

f3=(0:length(ff3)-1)'*Fs/length(ff3);

figure(1);

subplot(221) %绘制曲线plot(t,x)

xlabel('调制信号波形')

subplot(222)

plot(f1,mag1)

axis([0 1000 0 1000])

xlabel('调制信号频谱')

subplot(223)

plot(t,y)

xlabel('已调信号波形')

subplot(224)

plot(f2,mag2)

axis([0 40000 0 500])

xlabel('已调信号频谱')

figure(2);

subplot(311)

plot(t,yyn)

xlabel('加噪声解调信号波形')

subplot(313)

plot(f3,mag3)

axis([0 1000 0 600])

xlabel('解调信号频谱')

subplot(312)

plot(t,y1)

xlabel('无噪声解调信号波形')

figure(3);

plot(in,out,'*')

hold on

plot(in,out)

xlabel('输入信噪比')

ylabel('输出信噪比')

3.6 仿真结果及分析

调用程序，调制信号、已调信号的波形、频谱如图3.1所示：

图3.1调制信号、已调信号的波形、频谱

解调信号的波形、频谱如图3.2所示：

图3.2解调信号的波形、频谱

通过MATLAB对DSB调制和解调系统的模拟仿真，观察各波形和频谱，在波形上，

已调信号的幅度随基带信号的规律呈正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带

ω，调制后信号频率搬信号频谱在频域内的简单搬移，若调制信号频率为ω，载波频率c

ω处。

移至ω±c

DSB信号的包络与调制信号的波形的变化规律完全相符。因而不能直接采用包络检波恢复原始信号，只能采用同步解调。

DSB信号的频谱是基带信号的线性搬移，由上下两个边带分量构成，上下两个边带分量包含相同的有用信息且关于载频左右对称，DSB信号的带宽是基带信号最高截止频率的两倍。

输入输出信噪比关系曲线如图3.3所示：

图3.3输入输出信噪比关系曲线

通过在已调信号中加入高斯白噪声，通过解调器解调，根据对输入输出信噪比关系曲线绘制观察，在理想情况下，输出信噪比为输入信噪比的二倍，即DSB信号的解调器使信噪比改善一倍；这是因为采用相干解调，使输入噪声中的一个正交分量被消除的缘故。因此，不同的调制信号对系统性能有一定的影响。

四、实训总结与心得体会

通过此次通信系统综合训练课程设计，我掌握了运用MATLAB进行信号处理和分析的基本内容和方法，加强了我对MATLAB软件的应用能力。提高自己的基础理论知识、基本动手能力，提高人才培养的基本素质，并帮助我们掌握基本的文献检索和文献阅读的方法，同时提高我们正确地撰写论文的基本能力。在课程设计过程中，着重研究了DSB

信号调制与解调原理和MATLAB模拟实现，熟悉了信号波形、频谱的和系统性能的分析方法，了解了数字滤波器的设计与使用方法，综合提高了自己的专业技能。

通过这次课程设计，我明白了：许多细小的环节是注意不到的，而这诸多环节往往影响你整个系统的正常运转；这可真应验了“细节决定一切”这句话。这一切告诉我做任何事情必须从全局出发，并且要注意其中的任何一个细节。

五、参考文献

[1].葛哲学等.MATLAB时频分析技术及其应用[M].人民邮电出版社.2007年

[2].葛哲学.精通MATLAB[M].电子工业出版社.2008年

[3].樊昌信等.通信原理[M].国防工业出版社.2007年

[4].陈怀琛. 数字信号处理教程:MATLAB释义与实现[M].2008年

[5].李建新.现代通信系统分析与仿真——MATLAB通信工具箱[M].西安电子科技大学

出版社.2000

[6].刘敏.MATLAB通信仿真与应用[M].国防工业出版社.

[7].曹志刚等著.现代通信原理[M].清华大学出版社.2001.5

[8].吴伟陵等著.移动通信原理[M].电子工业出版社.2005