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1、二级AM调制与相干解调系统仿真摘 要 本课程设计主要运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计一个二级AM调制与相干解调系统，并把运行仿真结果输入到显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。在课程设计中，首先根据原理构建二级调制解调电路，再在Simulink中调出各元件组成电路，再设置二级调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设置的系统性能。关键词 Simulink；二级；AM；调制；相干解调1 引 言通信原理课程是通信、电子、信息领域中最重要的专业基础课之一，是通信工程专业必修的专业基础课。通信系统作为一个实际系统，是为了满足社
2、会与个人的需求而产生的，目的就是传送消息（数据、语音和图像等）。通信技术的发展，特别是近30年来形成了通信原理的主要理论体系，即信息论基础、编码理论、调制与解调理论、同步和信道复用等。本课程设计运用了MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台来设计二级AM调制与相干解调系统仿真。1.1 课程设计目的本课称设计的最主要目的是了解幅度调制与解调的基本原理。在进行了专业基础知识课程教学点的基础上，设计与分析仪个简单的通信系统，有助于加深对系统知识的巩固和理解。利用MATLAB7.0 集成环境下的Simulink仿真平台设计二级AM调制与相干解调系统仿真，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运
3、行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。并绘制相关的波形图及频谱图，并且分析信号波形及其频谱特点。1.2 课程设计的要求本课程的设计要求如下：1）学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台。2）利用通信原理中所学到的相关知识，在Simulink仿真平台中设计二级AM调制与相干解调仿真系统。并用示波器观察调制与解调后的波形，用频谱分析模块观察调制与解调前后的信号频谱变化。3）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。4）再以一级调制电路为输入，构建二级调制电路，用示波器观察二级调制前后的信号波形
4、，用频谱分析模块观察二级调制前后信号频谱的变化。5）以二级调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察解调前后的信号波形，用频谱分析模块观察解调前后信号频谱的变化。6）再以一级解调信号为输入，构建二级解调电路，用示波器观察二级解调前后的信号波形，用频谱分析模块观察二级解调前后信号频谱的变化。7）在二级调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c 用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。将三种噪声源的方差均设置为0.1，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 8）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并
5、按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。1.3 设计平台Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且
6、用户可以立即看到系统的仿真结果。2 基本原理2.1 Simulink仿真平台Simulink是MATLAB的重要组成部分，但它具有相对独立的功能和使用方法。Simulink已经成为在动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之，确切地说，它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统。（一）Simulink基本操作运行Simulink方式有三种：1.在MATLAB的命令窗口直接键入“simulink”；2.单击MATLAB工具条上的Simulink图标；3.在MATLAB菜单上选择FileNewModel。选择第3种方式运行
7、后会显示Simulink模块库浏览器以及新建模型窗口，Simulink模块库包括：(1) Sources：输入源模块；(2) Sinks：接收模块；(3) Continuous：连续系统模块；(4) Discrete：离散系统模块；(5) Signals&Systems：信号与系统模块；(6) Math：数学运算模块。新建模型窗口是Windows的一个标准窗口，用户可用鼠标拖入Simulink模块库浏览器中的模块，且可以用鼠标对模块进行修改或设置各模块的参数该窗口的菜单系统如下：（1）File：文件菜单（2）Edit： 编辑菜单（3）view： 查看菜单（4）Simulation：仿真菜单（5
8、）Format：格式菜单（6）tools：工具菜单（二）系统仿真步骤1. 根据系统图，在窗口中绘制仿真框图。2. 根据实验要求设置各环节系数。将鼠标移至欲修改的单元上，双击鼠标左键，Windows将弹出对话框供用户修改该环节的参数，不同环节的对话框略有不同，对话框由若干个编辑框和按钮组成，在编辑框内输入希望的参数，然后按OK按钮确认修改的参数或Cancel按钮取消修改。（三）启动系统仿真通过菜单启动系统仿真或通过工具栏起动系统仿真，这时Windows将弹出一曲线窗口显示仿真曲线。2.2二级常规双边带（AM）调制与相干解调的原理（一）调制 AM是指对信号进行幅度调制。假设调制信号m(t)的平均值
9、为0，将其叠加一个直流偏量A0后与载波相乘，即可形成调幅信号。AM信号的时域表达式为sAM(t)=A0+m(t)coswct=A0coswct+m(t)coswct其调制模型图如图2.2.1-1所示图2.2.1-1 AM信号调制模型图其中：A0为外加直流分量；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信号的频谱为其波形谱和频谱如图2.2.1-2所示图2.2.1-2 AM信号的波形和频谱（二）解调 相干解调也叫同步检波。解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。调制是把基带信号的频谱搬移到了载频位置，而解调则是调制的反过程，即把载频位置的已调信号的谱搬回到原始基带位置，因此
10、同样可以用乘法器和载波相乘来实现。其模型图如图2.2.2-1所示LPF图2.2.2-1 相干解调器的一般模型 相干解调时为了无失真的恢复原基带信号，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），它与接收的已调信号相乘后，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。 相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。送入解调器的已调信号一般表达式为 sm(t)=s1(t)coswct+sQ(t)sinwct与同频同相的相干载波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经低通滤波器（LFP）后，得 sd(t)= 1/2s1tsd(t)即为解调输出，适用于所有的线性调制信号的解调。（三）二级AM调制与解调将调制一次的电路最为输入进行二级调制，二级调制出来的电路进行解调，一次解调出来的电路再作为输入进行二级解调。3 系统设计3.1（一）AM信号调制仿真AM信号调制仿真器件连接号线路图如图3.1-1所示：图3.1-1 AM信号调制模型设置直流信号参数为2，基带信号和载波信号频率为2和20。值得注意的是当基带信号的幅度大于直流信号时就会出现过调制现象，包络检波无法检测出原始信号，但相干检波依然可以无失真的检测出原始信号，各个元器件具体参数设置图如下所示:
12、图3.1-2 基带信号的参数设置 图3.1-3直流信号的参数设置图3.1-4 载波的参数设置图3-4 乘法器的参数设置、图3.1-5 滤波器的波形综合上图调制信号的包络即为输出信号，和预计的理论原理相符，说明调制成功。只有当载波的频率远远大于调制信号的频率时，才能调试成功，否者会发生严重的失真，无法检测出原始信号。如调制设置载波为2.5时，示波器波形如图3.1-6所示 图3.1-6 载波为2.5时示波器波形（二）AM信号的相干解调仿真将调制信号进行相干解调，为了无失真地恢复原始基带信号，调制信号需要与相同频率的载波相乘，经过低通滤波器去除低频分量，可得到原始的基带调制信号。模型如下图3.2-1
13、所示图3.2-1 相干解调AM信号的模型 图3.2-2 低通滤波器的参数 图3.2-3 相干解调AM信号解调波形由波形图如图3.2-3所示，第一个波形为调制信号，第二个波形为载波，第三个波形为基带信号，第四个波形为解调信号，解调信号与基带信号相对比，除了产生半个周期的延时外，波形大致上与基带信号相同。而延时是不可避免的，可以得出结论解调AM信号也是成功的。（三）二级AM调制与相干解调系统仿真图3.3-1二级AM调制与相关解调模型图3.3-2一级调制基带信号图3.3-3直流信号的参数设置图3.3-4一级载波的参数设置图3.3-5二级载波的参数设置图3.3-6一级解调低通滤波器参数设置图3.3-7
14、二级解调低通滤波器参数设置图3.3-8 示波器的波形（四）分析高斯噪声加入信道的影响所谓高斯白噪声是指由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的。热噪声和散粒噪声都是高斯白噪声。 所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。在调制信道与相干解调信道之间，加入高斯白噪声，即将调制信号与白噪声相加再进行相干解调。其原理图如图3.4-1所示图3.4-1加入高斯白噪声的原理图图3.4-2 高斯白噪声参数设置方差为2图3.4-3 设置白噪声方差为2的示波器波形图图3.4-4设
15、置白噪声方差为100图3.4-5 设置白噪声方差为100的示波器波形图把加入方差不同的高斯白噪声和不加高斯白噪声解调输出的波形一同进行比较，发现方差为2时，信号失真不是很明显；而方差为100时，信号失真的相对而言更厉害；由此可知方差越大，高斯白噪声对信道的影响越大，但总体上来说，高斯白噪声对解调输出的波形影响不太明显，依然可以看出原始信号的轮廓。（五）频谱分析 从时域可以简单明了的看出信号的幅度情况，而频域上的分析也是相当重要的。信号的频率特性是信号的重要特性之一，和信号的占用频带宽度以及信号的抗噪声能力有密切的关系，它可以很清晰明了的观测观测信号在频域上的特点和变化，并作出相应的分析。加入频
16、谱分析的原理图如图3.5-1所示图3.5-1 加入频谱分析的原理图图3.5-2 频谱分析参数设置图3.5-3基带信号频谱图3.5-4一级调制信号频谱图3.5-5 二级调制信号频谱图3.5-6一级解调信号频谱图3.5-7二级解调信号频谱如图所示，由于元器件的不理想性，在频谱上可以很清晰地发现频谱结果和理论原理有一定的出人,但总体上还是可以很容易分析出调制信号是基带信号频谱的搬移，而解调信号这是频谱的复位。只是在基带信号转化为调制信号时频谱的叠加不如理论原理的理想，载波分量位置不明显，因而最后的解调信号频谱和基带信号有些出入，而调制信号到解调信号的频谱搬移还是很成功的。图3.5-8加入方差为2的高
17、斯噪声解调的频谱 如图3.5-8信号的频谱几乎在所有频率范围内都有分布，验证了噪声是随机信号这一特点，从图中可以看出在基带信号频谱段最中间的尖锐处是载波信号的频谱特性，其两侧略低的尖峰是基带信号的频谱特性，其它位置的频谱峰值明显比基带信号位置的频谱低。4 仿真电路分析与总结 （一）信号在经过所设计的低通通信仿真系统后波形出现失真。这是因为信号进行抽样时没有满足奈奎斯特定理。为了能从取样信号中恢复原信号，抽样必须满足奈奎斯特定理，即抽样频率应大于或等于两倍的原始信号频率（二）在加入噪声后，解调信号的波形基本上没有变化。模块参数的设定也是此次课程设计的一个关键，如果参数设置的不正确或者有偏差，那么
18、我们就得不到我们所需的真确结果甚至根本就得不到结果。在这里出现的比较多的错误是在设计时没有一步一步的根据相应的原理进行参数的设定，调制后的波形就可能失真。低通滤波器参数的设置也非常重要，如果设置比基带信号频率的两倍要小，信号就不能无失真地恢复。解决的关键是根据相关理论仔细设置将载波频率调低后，可以明显的看出解调信号有失真变化；（三）当波形的振幅过小时，调制信号的波形基本上没有变化，后来将振幅设置大后，调制信号看得出变化；（四）示波器的波形只看得见后面一点点，应该将限制数据点（limit data points to last）加大为50000或是更大；（五）加噪声时先开始用的是噪声信道模块，但
19、是总是报错；于是改加噪声源模块，噪声源模块与调制信号相加再与载波相乘通过低通滤波器得到解调信号；（六）波形太挤不好看，于是把修正因子加大至20。5 结束语此次通信原理课程设计只有短短的两周时间，在这两周时间里，我学会了用MATLAB/Simulink仿真系统初步的设计方法。初步了解了如何用MATLAB/Simulink这个仿真软件进行AM的调制和解调的设计。虽然在课程设计过程中遇到了不少的麻烦和困难，与此同时也深刻认识到自己存在的许多不足，理论知识的学习有待加强，实践的能力有所欠缺，遇到困难自己独立处理有待努力，在课程设计之前，我到图书馆借阅了相关书籍，但是理论的学习并没有让我体会到课程设计的
20、真谛，光凭理论实在无法实现书中所要表达的内容，因此上机实践很关键。通过理论知识的初步学习，加上上机的实践，我渐渐地对Simulink有了一定的认识，但是在将书上的理论方框图转换为Simulink模块的过程中出现了很大的困难，因为对软件不熟悉的缘故，许多模块都没有找到，因此也大大延误了设计的完成时间。但是在同学和老师的帮助指点下，许多问题得到了解决，同时也让我对此次设计产生了浓厚的兴趣，遇到问题也有了钻研的精神。这次课程设计不仅巩固我们在书上学习的基本内容，还在一定程度上提高了我们的动手能力。同时也让我懂得依靠团队的力量才能使我们更快更好的将各种工作和任务完成好。在这次课程设计中，我不仅巩固了过
21、去学过的知识，同时还学到了许多书本上没有学到的知识培养了我对系统的分析能力。通过这次课程设计，我深刻的了解到，理论与实际的结合是十分重要的，单纯的理论知识学习无法培养我们实际动手能力。只有把理论和实践结合起来，把理论作为实践的基础，把实践作为理论的延伸，使两者有机的结合在一起，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力， 两周的时间很快就过去了，但是这段时间里的收获和感触却是我的一大笔财富。在此我衷心感谢同学们在课程设计中给予我的无私帮助，共同学习。也衷心感谢指导老师不辞辛苦指导我们课程设计的支持和辅导，感谢大家！参考文献1 樊昌信，曹丽娜. 通信原理. 北京：国防工业出版社，20062 张化光, 孙秋野. MATLAB/Simulink实用教程. 北京：人民邮电出版社，20093 徐远明. MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用. 西安：西安电子科技大学出版社， 20054 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真基础. 北京：西安电子科技大学出版社，20025 达新宇通信原理实验与课程设计北京：北京北京邮电大学出版社，2003