任務書課題名稱抑制載波單邊帶調幅（SSB）和解調的實現(xiàn)指導教師（職稱）執(zhí)行時間2012~2013學年第1學期第16周學生姓名學號承擔任務SSB信號仿真及仿真分析編寫SSB功率譜密度與SSB解調的程序SSB調制與解調原理分析子程序的編寫編寫SSB信號的調制程序編寫調制信號及其頻譜程序設計目的1.研究模擬連續(xù)信號在SSB線性調制中的信號波形與頻譜，了解調制信號是如何搬移到載波附近。2.加深對模擬線性調制SSB的工作原理的理解。3.了解產生調幅波（AM）和抑制載波單邊帶波（SSB—AM）的調制方式，以及兩種波之間的關系。4.了解用濾波法產生單邊帶SSB—AM的信號的方式和上下邊帶信號的不同。5.了解在相干解調中存在同步誤差（頻率誤差、相位誤差）對解調信號的影響從而了解使用同頻同相的相干載波在相干解調中的重要性。設計要求對于信號用matlab產生一個頻率為1Hz，功率為1的余弦信號f（t），設載波頻率為10Hz。用抑制載波的單邊帶調幅實現(xiàn)對信號進行調制和解調。要求繪制：信號f（t）及其頻譜；SSB調制信號及其頻譜；SSB調制信號的功率譜密度；相干解調后的信號波形。摘要單邊帶調制從1933年開始，在短波通信中，大多越洋和洲際都用導頻制單邊帶傳輸。自1954年以來，載頻全抑制單邊帶調制迅速在軍用和許多專用無線電業(yè)務中取代調幅制。在載波、微波多路傳輸和地空的通信中，單邊帶技術已得到了廣泛的應用，并且已使用在衛(wèi)星至地面的信道和移動通信系統(tǒng)中。單邊帶調制是將消息的頻譜從基帶移到一個較高的頻率上，而且在平移后的信號頻譜內原有頻率分量的相對關系保持不變的調制技術。單邊帶(SSB)調制也可看作是調幅(AM)的一種特殊形式。調幅信號頻譜由載頻cf和上、下邊帶組成，被傳輸?shù)南趦蓚€邊帶中，而且每一邊帶包含有完整的被傳輸?shù)南?。因此，只要發(fā)送單邊帶信號，就能不失真地傳輸消息。顯然，把調幅信號頻譜中的載頻和其中一個邊帶抑制掉后，余下的就是單邊帶信號的頻譜。本設計主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實現(xiàn)SSB解調，并繪制出解調前后的時域和頻域波形，再進一步繪制出對SSB信號疊加噪聲進行解調后的時域和頻域波形，根據運行結果和波形來分析該解調過程的正確性及噪聲對信號解調的影響。在課程設計中，系統(tǒng)開發(fā)平臺為WindowsVista，使用工具軟件為MATLAB7.0。在該平臺運行程序完成了對SSB信號的解調以及對疊加噪聲后解調結果的觀察。通過該課程設計，達到了實現(xiàn)SSB信號解調的目的。關鍵詞：SSB；解調；MATLAB7.0；噪聲目錄TOC\o"1-2"\h\u16911第一章設計目的與意義 4114701、設計內容 4134352、設計目的與意義 57336第二章設計原理 586261、單邊帶信號的調制 5267062、單邊帶信號的解調 610216第三章詳細設計步驟 8124641、調制信號的產生 8312152、畫調制信號的頻譜 912473、SSB調制信號的調制 9152814、SSB調制信號的功率譜 9115885、SSB信號的解調 9326746、低通濾波器的設計 96069第四章仿真結果 10216711、MATLAB軟件介紹 10138932、仿真結果 1141583、仿真分析 1527977第五章心得與體會 167923參考文獻 1721122附錄1 1813665程序源碼 1820112附錄2 2120047答辯記錄及評分表 21第一章設計目的與意義1、設計內容對于信號用matlab產生一個頻率為1Hz，功率為1的余弦信號f（t），設載波頻率為10Hz。用抑制載波的單邊帶調幅實現(xiàn)對信號進行調制和解調。要求繪制：（1）信號f（t）及其頻譜；（2）SSB調制信號及其頻譜；（3）SSB調制信號的功率譜密度；（4）相干解調后的信號波形。2、設計目的與意義1.研究模擬連續(xù)信號在SSB線性調制中的信號波形與頻譜，了解調制信號是如何搬移到載波附近。2.加深對模擬線性調制SSB的工作原理的理解。3.了解產生調幅波（AM）和抑制載波單邊帶波（SSB—AM）的調制方式，以及兩種波之間的關系。4.了解用濾波法產生單邊帶SSB—AM的信號的方式和上下邊帶信號的不同。5.了解在相干解調中存在同步誤差（頻率誤差、相位誤差）對解調信號的影響從而了解使用同頻同相的相干載波在相干解調中的重要性。第二章設計原理1、單邊帶信號的調制信號的調制主要是在時域上乘上一個頻率較高的載波信號，實現(xiàn)頻率的搬移，使有用信號容易被傳播。單邊帶調幅信號可以通過雙邊帶調幅后經過濾波器實現(xiàn)。雙邊帶調制信號頻譜中含有攜帶同一信息的上、下兩個邊帶。因此，我們只需傳送一個邊帶信號就可以達到信息傳輸?shù)哪康模怨?jié)省傳輸帶寬、提高信道利用率。這就是單邊帶調制（SSB—SC）。產生SSB信號有移相法和濾波法。本設計采用濾波法，即，將已產生的雙邊帶信號通過一個帶通濾波器，根據該濾波器傳遞函數(shù)的不同，可分別得到下邊帶信號和上邊帶信號。SSB信號可表示為：式中：是m（t）的所有頻率成分移相的-π/2信號，稱為的希爾伯特信號。式中符號取“-”產生上邊帶，取“+”產生下邊帶。HSSB(w)coswc(t)圖2.1單邊帶信號的濾波法形成濾波法的原理方框圖如圖所示，圖中為單邊帶濾波器的傳遞函數(shù)，對于保留上邊帶的單邊帶調制來說，有對于保留下邊帶的單邊帶調制來說，則取為帶通濾波器，于是單邊帶信號的頻譜為2、單邊帶信號的解調在單邊帶信號的解調中，只需要對上、下邊帶的其中一個邊帶信號進行解調，就能夠恢復原始信號。這是因為雙邊帶調制中上、下兩個邊帶是完全對稱的，它們所攜帶的信息相同，完全可以用一個邊帶來傳輸全部消息。單邊帶解調通常采用相干解調的方式，它使用一個同步解調器，即由相乘器和低通濾波器組成。在解調過程中，輸入信號和噪聲可以分別單獨解調。相干解調的原理框圖如圖2-2所示：低通濾波器c(t)圖2-2相干解調原理框圖此圖表示單邊帶信號首先乘以一個同頻同相的載波，再經過低通濾波器即可還原信號。單邊帶信號的時域表達式為表示基帶信號其中取“-”時為上邊帶，取“+”時為下邊帶。乘上同頻同相載波后得表示的希爾伯特變換經低通濾波器可濾除2的分量，所得解調輸出為由此便可得到無失真的調制信號。第三章詳細設計步驟1、調制信號的產生由設計要求要產生一個頻率為1Hz，功率為1的余弦信號f(t)。則可以利用matlabe工具箱函數(shù)sin()產生滿足該指標的信號，由于matlab在進行信號處理的時候不能處理無限長的信號，所以應該把信號離散化，在本設計中對信號進行采樣的頻率為1000Hz。由于要求信號功率為1，所以信號的最大幅度為V。2、畫調制信號的頻譜信號的頻譜可以通過求信號的傅里葉變換得到，傅里葉變換又可以用普通傅里葉變換又可以通過快速傅里葉（FFT）得到。在本設計中，傅里葉變換通過調用一個已經編好的利用快速傅里葉變換實現(xiàn)的求信號的頻譜函數(shù)實現(xiàn)，這樣就增加了程序的重用性，以后只要需要求信號的頻譜的時候，只需要調用該函數(shù)，給出函數(shù)的參數(shù)即可。函數(shù)的入口參數(shù)為信號的時間（信號時間長度必須大于二）和信號向量，出口參數(shù)為頻率和信號頻譜。3、SSB調制信號的調制由于SSB是通過濾波法實現(xiàn)。通過公式實現(xiàn)DSB信號，并通過傅立葉變換得其頻譜，然后去除上邊頻分量得到下邊頻分量LSSB，再通過傅立葉反變換即可產生攜帶下邊頻的單邊帶調幅信號即u信號。4、SSB調制信號的功率譜通信中，調制信號通常是平穩(wěn)隨機過程。其功率譜密度與自相關函數(shù)之間是一對付氏變換關系。這樣就可以先找到信號的自相關函數(shù)，然后通過付氏變換來實現(xiàn)信號的功率譜密度。5、SSB信號的解調本設計采用相干解調的方式對SSB調制信號進行解調。由前面的分析可知，只需要將SSB調制信號和一個同頻同相的本地載波相乘，然后讓信號通過一個低通濾波器即可得到無失真的調制信號。6、低通濾波器的設計低通濾波器要能夠濾出調制信號，所以其截至頻率不能太高，截至頻率太高會讓一些帶外噪聲也進入后面的信號處理部分。由題，截至頻率應該低于5Hz。為此，設計了一個實現(xiàn)低通濾波器功能的通用函數(shù)。第四章仿真結果1、MATLAB軟件介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數(shù)據單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。2、仿真結果(1)未調信號及其頻譜未調制信號的周期為一秒，則頻率為1HZ；由于正弦信號的功率與幅值有以下關系：P=1/2Am^2，頻率為1W則可以求出未調信號幅值大約為；與圖4-1中未調制信號時域圖比較，正好與分析相吻合。由正弦信號的頻率特性可知，時域表達式在經過傅里葉變換后，在頻率處出現(xiàn)沖擊圖4-1未調信號及其頻譜(2)載波信號信號的調制主要是在時域上乘上一個頻率較高的載波信號，實現(xiàn)頻率的搬移，所以本設計采用了頻率為10HZ，幅值為1的載波信號，如下圖4-2所示圖4-2載波信號(3)利用MATLAB產生SSB調制信號及其頻譜由抑制載波雙邊帶調幅調制出來的信號是上下兩個邊帶對稱且以正弦信號為包絡的不等值正弦信號組成的波形，經過單邊帶濾波器便得到單邊帶調制信號。而此圖是經過設計利用濾波法得到圖4-3的上下邊帶已調信號時域圖。調制過程就是對信號源的信息進行處理加到載波上，相當于進行頻譜搬移，把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上；與圖4-1中調制信號頻譜圖相吻合，再與圖4-1中的頻譜圖相比較，頻域信號明顯進行了頻譜搬移，符合調制原理。圖4-3已調信號及其頻譜(4)SSB功率譜密度與解調信號的產生功率譜密度函數(shù)是表示其頻譜分量的單位帶寬功率的頻率函數(shù)，從圖4-4可以看出，頻域信號的單位帶寬功率能量只要集中在載波頻率附近，也是隨著調制過程功率譜進行著搬移。最后是將已調信號通過乘以同頻同相的載波，即為相干解調。由前面的相干解調原理框圖可知，經過濾波器后得到無失真的調制信號。圖4為調制信號的時域圖與圖4-1相比，波形大致相同頻率也為1HZ，幅度也一樣只是在原始信號上產生了些許相移，由于濾波過程中噪聲的干擾信號最終存在一些波動。圖4-4的信號頻譜圖與圖4-1完全相同，從而也進一步說明了單邊帶的相干解調能得到無失真的原始信號。圖4-4功率普密度及解調后的信號3、仿真分析 從圖4-1中可以看出，未調信號頻率為1Hz。從頻譜角度上看，在0處出現(xiàn)沖擊，這是由正弦信號的頻率特性確定的。由抑制載波雙邊帶調幅調制出來的信號是以正弦信號為包絡的不等值正弦信號組成的波形，經過濾除上邊帶后得到圖4-3的攜帶下邊帶信號的已調信號，及經過濾除下邊帶后得到圖4-3的嚇呆上邊帶信號的已調信號。調制過程就是將信號的頻譜進行搬移，將其搬運到載波附近的頻率點上。下圖是分別對應上、下邊帶信號的頻譜圖。與圖4-1中的頻譜圖進行比較能清晰地看出，頻域信號已經被搬移到載波的附件。圖4-2為載波信號的波形。從圖4-4功率普密度圖中看到，已調信號的功率主要集中在10Hz附件，主要是因為信號頻率已經被搬運到載波附件的原因。經過濾波器后，信號的大致形狀已經被恢復，但由于調制和解調的過程中信號產生了相移，所以與未調信號相比，相位發(fā)送了較大的變化。心得與體會通過這次的高頻電子線路課程設計，鞏固了很多以前學過但是已經忘了的知識，比如如何利用MATLAB產生一個自己想要的信號，如何利用MATLAB來進行信號的分析與處理等；另外也鞏固了剛剛學習的數(shù)字信號處理與通信原理這兩門課程的相關知識點。如怎樣設計一個低通濾波器，信號的功率譜和信號的頻譜之間的相關聯(lián)系等等。加深了對單邊帶調幅的理解，從理論上對單邊帶調制系統(tǒng)的工作原理有了進一步的認識，了解了單邊帶信號的調制與解調方法。對信號進行傅里葉變換及其傅里葉反變換有了更深的認識。通過本次課程設計也進一步熟悉了MATLAB開發(fā)環(huán)境，對MATLAB的一些基本操作和應用有了更深入的了解。如：有要求的正弦信號的產生，基本圖形的繪制和各種的函數(shù)的使用等。學會了如何使用MATLAB對信號進行SSB調制和解調，了解了低通濾波器的設計方法等。此外，我們學會了如何合理的安排設計所需要的時間以及合理的利用網絡資源及圖書館參考資源等普遍實用的學習方法，通過和小組其他成員的探討，拓寬了每個人的視野，學習了別人的好的設計思路與設計方法等。最后，經過這次的課程設計，我們也看到了自己本身存在的一些不足之處。主要是在平時的學習過程中對于一些應該掌握的知識點掌握的不夠好，一些設計所用到的原理知識不能夠很好的理解。在仿真方面對某些的指令語句不能夠全面的了解以至于繞了很多的彎路。最后進行仿真時常常不能出現(xiàn)圖形或是仿真結果與我們預期的出現(xiàn)太大的偏差。出現(xiàn)以上的問題時我們就著手認真看書，熟悉其工作原理。查閱相關的參考文獻或是上網查找，向老師尋求幫助等。把理論知識分析好后再對所得的結果進行分析。通過再學習，獨立的解決課程設計中所遇到的困難。參考文獻[1]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第三版）[M][2]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計教程[M].中國水利水電出版社，2005[3]曹志剛、錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].清華大學出版社，1994[4]余成波.數(shù)字信號處理及其MATLAB實現(xiàn)[S].清華大學出版社，1995[5]張肅文.高頻電子線路[M].北京高等教育出版社，1984[6]沈偉慈.通信電路[M][M].北京航空航天大學出版社，1990[M].西安電子科技大學出版社，2001附錄1程序源碼t0=1;ts=0.001;fc=10;fs=1/ts;df=0.3;t=[-t0/2:ts:t0/2];m=sqrt(2)*cos(2*pi*t);c=cos(2*pi*fc.*t);%定義載波同相分量b=sin(2*pi*fc.*t);v=m.*c+imag(hilbert(m)).*b;u=m.*c-imag(hilbert(m)).*b;[M,m,dfl]=fftseq(m,ts,df);M=M/fs;[U,u,dfl]=fftseq(u,ts,df);U=U/fs;[V,v,dfl]=fftseq(v,ts,df);V=V/fs;f=[0:dfl:dfl*(length(m)-1)]-fs/2;holdon;figure(1)subplot(1,2,1)plot(t,m(1:length(t)));axis([-1,1,-2,2]);xlabel('時間');title('未調信號')subplot(1,2,2);plot(f,abs(fftshift(M)))xlabel('頻率');title('未調信號的頻譜')holdon;figure(2);plot(t,c(1:length(t)));axis([-0.1,0.1,-2,2])xlabel('時間');title('載波')figure(3);subplot(2,2,1)plot(t,u(1:length(t)));axis([-0.2,0.2,-1.5,1.5]);xlabel('時間');title('上邊帶已調信號')subplot(2,2,2)plot(t,v