【文章內(nèi)容簡介】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 55 頁 1． 方案設(shè)計(jì)與選擇 設(shè)計(jì) 要求 本次設(shè)計(jì)包含對模擬調(diào)制系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn) 。 其仿真部分需要 掌握模擬線性傳輸系統(tǒng)AM,DSB,SSB,VSB 調(diào)制方式的原理和設(shè)計(jì)思想；掌握模擬非線性傳輸系統(tǒng)中 FM,PM 調(diào)制方式的原理及設(shè)計(jì)思想； 對各模擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理進(jìn)行闡述 并在原理的基礎(chǔ)上對各個系統(tǒng)進(jìn)行 仿真 和測試驗(yàn)證其原理；分析高斯白噪聲對模擬線性調(diào)制系統(tǒng)的影響；分析在高斯白噪聲環(huán)境下，模擬非線性調(diào)制系統(tǒng)的性能并比較模擬調(diào)制系統(tǒng)中各種調(diào)制方式的性能。 其實(shí)現(xiàn)部分需要選取一個模擬 調(diào)制解調(diào) 系統(tǒng)進(jìn)行硬件的搭載實(shí)現(xiàn) 并進(jìn)行測試分析，對比實(shí)現(xiàn)與仿真的差異 。 方案論證與選擇 模擬調(diào)制 仿真與實(shí)現(xiàn) 的主要方法有三種。 第一種方案：基于 protues 軟件的仿真實(shí)現(xiàn)，如圖 所示為 protues 方案的流程結(jié)構(gòu)。 該方案的優(yōu)點(diǎn)：可 以直接搭建實(shí)際電路圖，簡單清晰明了，并能進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析；缺點(diǎn)是：對于各種不同性能要求的濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)無法確定 以至于對原始信號的解調(diào)并不完美 。 圖 protues 方案流程結(jié)構(gòu) 第二種方案：基于 FPGA 的仿真實(shí)現(xiàn)。 如圖 所示為 FPGA 方案流程結(jié)構(gòu)， 該方案優(yōu)點(diǎn)：建?？驁D能清晰的反映出實(shí)現(xiàn)的原理；缺點(diǎn)是： 由于建立的模塊都是封裝子系統(tǒng)，無法看到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理并且 系統(tǒng)失真較嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)很好的控制并正確反映想要的結(jié)果。 圖 FPGA 方案流程結(jié)構(gòu) 根據(jù)原理選取元器件 搭建電路 參數(shù)調(diào)試 仿真測試 根據(jù)原理選取 功能模塊 搭建模型 參數(shù)調(diào)試 仿真測試 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 55 頁 第三種方案 ：基于 MATLAB 的仿真實(shí)現(xiàn)。 如圖 所示為 MATLAB 方案流程結(jié)構(gòu)， 該方案優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來較簡單， 對于函數(shù)的計(jì)算和圖形的繪畫十分方便， 而且仿真結(jié)果失真較??；缺點(diǎn)是：不能直觀的反映實(shí)現(xiàn)的原理過程。 圖 MATLAB 方案流程結(jié)構(gòu) 經(jīng)過對比取舍，選取第一 種方案 來搭建 AM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng) ， 對實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行仿真測試；并選取第三種方案對原理部分進(jìn)行仿真分析。兩種方案結(jié)合使用，能更 好的實(shí)現(xiàn)本次的論文設(shè)計(jì)目的。 軟件簡介 在本次設(shè)計(jì)中，由于采用第三種方案進(jìn)行仿真分析，并采用第一種 方案進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)的輔助設(shè)計(jì)，因此對如下兩種軟件進(jìn)行簡單介紹。 Matlab 是 集計(jì)算、仿真及繪圖功能為一體的一種解釋性執(zhí)行語言 。 各個不同領(lǐng)域的科研工作者在自己科研的過程中不斷的擴(kuò)充著 Matlab 的功能，將其變成了巨大的知識 寶庫 [2]。 Matlab 可以設(shè)計(jì)漂亮的界面，漂亮的用戶接口。豐富的函數(shù)庫便于其實(shí)現(xiàn)計(jì)算的功能，收到廣大科研工作者的歡迎。不僅如此， Matlab 與其他高級語言也有良好的接口，可便捷的與其他語言進(jìn)行混合編程，拓寬了 Matlab 的應(yīng)用潛力?？梢哉f， Matlab 是一個重要的學(xué)習(xí)工具，對學(xué)習(xí)各門學(xué)科有 良好的推進(jìn)作用，逐漸會成為大學(xué)生的必修課之一。 Protues 是使用分立元件搭載電路的基礎(chǔ)工具，對于分立元器件能夠 很方便 的修改參數(shù)，同時仿真環(huán)境下能 很直觀的看出電路效果。在 Protues 的元器件庫里包含了幾乎電路硬件設(shè)計(jì)的所有芯片和元器件，對于程控芯片， Protues 還可以進(jìn)行程序的輸入。仿真測試時有多種模擬測試儀器，對于參數(shù)的修改和電路參數(shù)的檢測有非常大的幫助。 根據(jù)原理建立函數(shù)模型 修改模型參數(shù) 根據(jù)函數(shù)模型進(jìn)行編程 模型運(yùn)行 查錯及參數(shù)調(diào)整 仿真測試 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 55 頁 調(diào)制方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。調(diào)制技術(shù)是指把基帶信號變換成傳輸信號的技術(shù)?；鶐盘柺窃嫉?電信號，一般是指基本的信號波形，在數(shù)字通信中則指相應(yīng)的電脈沖。未調(diào)制的高頻電振蕩稱為載波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脈沖序列等）。被調(diào)制信號調(diào)制過的高頻電振蕩稱為已調(diào)波或已調(diào)信號。已調(diào)信號在信道中到達(dá)接收端，被其調(diào)節(jié)后恢復(fù)為原始基帶信號。 解調(diào)是調(diào)制的反變換，是從已調(diào)波中提取調(diào)制信號的過程。在無線電通信中常采用雙重調(diào)制。第一步是，用數(shù)字信號或者模擬信號，調(diào)制第一個載波，也稱為副載波 [3]?；蛟诙嗦吠ㄐ胖杏谜{(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用（頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用）。第二步，為了進(jìn)行無線電傳輸，則用已調(diào)制 的副載 波 或者多路復(fù)用信號，調(diào)制出一個公共載波，即二次調(diào)制。 用基帶信號調(diào)制高頻載波，在無線電傳輸中，可進(jìn)行天線尺寸的縮減，并用于遠(yuǎn)距離傳輸。應(yīng)用調(diào)制技術(shù)，還能提高信號的抗干擾能力。調(diào)制解調(diào)是通信系統(tǒng)中的重要部分，幾乎是各種通信的主要技術(shù)，下面將著重講述幾種常用調(diào)制解調(diào)技術(shù)、基本性能分析以及 MATLAB 仿真技術(shù)在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用。 線性調(diào)制的一般模型 圖 線性調(diào)制（濾波法）的一般模型 如圖 所示，為線性調(diào)制的一般模型，輸出已調(diào)信號的時域和頻域表示式為 )(*]c o s)([)( thtwtmts cm ? （ ） )()]()([21)( wHwwMwwMwS ccm ???? （ ） 式中： ? ? ??thwH ? 。 在此模型中，選擇合適的濾波器的特性 ??wH ，便能夠得到各種幅度調(diào)制信號。 如果將式 ()展開，則可得到另一種形式的時域表示式，即 twtstwtsts cQcIm s i n)(c o s)()( ?? （ ） 其中 )(*)()( tmthts I ? twthth cI co s)()( ? （ ） )(*)()( tmthts ? )sin()()( twthth cQ ? （ ） 式 ()表明， ??tsm 可等效為兩個互為正交調(diào)制分量的合成。由此可以得到 如 圖 所示的等效模型。如 圖 所示， 該模型稱為線性調(diào)制相移法的一般模型，它同樣適用于所有線性調(diào)制。 coswct m(t) h(t) Sm(t) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 55 頁 圖 線性調(diào)制（相移法）一般模 型 AM 信號調(diào)制 原理 幅度調(diào)制是由調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號作線性變化的過程。 設(shè)正弦型載波為 c(t) = Acos(cwt + 0?) () 式中： A 為載波幅度； 為載波角頻率；0?為載波初始相位（以后可假定為0?為 0） . 根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示成： ms( t) = Am(t)coscoct () 式中： m(t)為基帶調(diào)制信號 。設(shè)調(diào)制信號 m(t)的頻譜為 M( w)，則已調(diào)信號ms(t)的頻譜??wms： ? ? ? ? ? ?? ?cc wwMwwMAw ???? 2s () 由以上表示式可見，在波形上，幅度已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律而呈正比地變化； 在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移（精確到常數(shù)因子）。 因?yàn)檫@種搬移是線性的，所以，幅度調(diào)制也叫線性調(diào)制。 AM 調(diào)制模型如圖 所示， 圖 AM 調(diào)制模型 其時域表示式為： ? ?? ? twtmtwAtwtmAt cccAM cos)(coscos)(s 00 ???? () 式中： Ao 為外加的直流分量； m(t)可以是確知信號，也可以是隨機(jī)信號。 若 m(t)為確知信號，則 AM 信號的頻譜為 ? ? ? ?? ? ? ?? ?)(21)( 0 ccccAM wwMwwMwAw ???????? ??? () 其典型波形和頻譜（幅度譜 ）的 波形滿足條件： 0max)( At ? () m(t) sm(t) A0 COSwct coswct Sm(t) Hi(w) π /2 Hq(w) Si(t) Sq(t) m(t) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 55 頁 時， AM 波的包絡(luò)與調(diào)制信號 )(tm 的形狀完全一樣，因此，用包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)出原始調(diào)制信號；如果上述條件沒有滿足，就會出現(xiàn)“過調(diào)幅”現(xiàn)象，這時用包絡(luò)檢波將會發(fā)生失真。 DSB 信號調(diào)制原理 在 AM 調(diào)制模型中，去掉直流 Ao，便可得到一個高效率的調(diào)制方式 —— 抑制 載波雙邊帶信號 ( DSB SC)，也稱雙邊帶信號 (DSB)。 其時域表示式為 twtmts cD S B co s)()( ? () 式中，假設(shè) m(t)的平均值為 0。 DSB 的頻譜為： ? ? ? ?? ?ccDSB wwMwwMw ???? 21)(s () 與 AM 信號比較，因?yàn)椴淮嬖谳d波分量， DSB 信號的調(diào)制效率是 100%，即全部功率都用于信息傳輸。 DSB 信號與調(diào)制信號。二者變化規(guī)律不再一致，所以恢復(fù)調(diào)制信號，不能采用簡單的包絡(luò)檢波。DSB 信號解調(diào)時需采用相干解調(diào)，也稱同步檢波。 SSB 信號 調(diào)制原理 單邊帶調(diào)制信號是濾掉雙邊帶信號中的一個邊帶而形成的。 根據(jù)濾除方法的不同，產(chǎn)生 SSB 信號的方法有：濾波法和相移法。 a)．濾波法及 SSB 信號的頻域表示 產(chǎn)生 SSB 信號最直觀的方法是，先產(chǎn)生一個雙邊帶信號，然后讓其通過一個邊帶濾波器，濾除不要的邊帶，即可得到單邊帶信號。 這種方法被稱為濾波法，是最為簡單常用的方法。 其 用濾波法產(chǎn)生SSB 信號調(diào)制器 如圖 所示。 圖 濾波法 SSB 信號調(diào)制器 )(wH為單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)， 若它具有如下理想高通特性： { ,1 ,0)()( ccww wwU SB wHwH ???? （ ） 則可濾除下邊帶，保留上邊帶 ( USB)； 若 H(w)具有如下理想低通特性： H(w) m(t) SDSB(t) SSSB(t) 載波 C(t) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 55 頁 ? ? ? ? { ,1 ,0 ccww wwL S B wHwH ???? () 則可濾除上邊帶，保留下邊帶 ( LSB)。 因此， SSB 信號的頻譜可表示為 ? ? ? ?wHwsws S S BssB )(? () b)．相移法和 SSB 信號的時域表示 調(diào)制信號為任意信號時 SSB 信號的時域表示式，即 twtmtwtmts ccSSB s i n)(?21c os)(21)( ?? () 式中 : ??tm? 是 m(t)的希爾伯特變換。 若 M(w)為 m(t)的傅里葉變換，則 ??tm? 的傅里葉變換 ??wM? 為 ? ? ? ? ? ?wjwMwM s g n? ??? () 式 ()的物 理意義： m(t)通過傳遞函數(shù)為 jsgnw 的濾波器即可得到 ??tm? 。由此可知， jsgnw 即是希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)，記為 wjwMwMwH h s g n)(/)()( ??? ? () 式 ()表明， 希爾伯特濾波器 ? ?wHh ，從本質(zhì)上說，是一個寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，對 m(t)中的任意頻率分量均相移 π/2，即可得到 ??tm? [3]。 相移法 SSB 調(diào)制器的一般模型，如圖 所 示。 圖 相移法 SSB 信號調(diào)制器 相移法是 利用相移網(wǎng)絡(luò)的方式，對載波和調(diào)制信號進(jìn)行相移，在合成過程中，能夠使其中一個邊帶抵消，從而獲得 SSB 信號 ， 不需要濾波