【通信原理工程实训】语音信号的线性调制频分复用系统设计

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1 引言

通信系统作为一个实际系统，是为了满足社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）。在实际的通信中，由于通信业务的多样性，消息的来源也是多种多样的，但基本可以分为两大类：连续的和离散的。连续的消息如话音，声波振动的幅度是随时间连续变化的。若把它转换为随时间连续变化的电压信号，信号幅度是时间连续函数。这样的信号称作模拟信号。传输模拟信号的通信系统叫做模拟通信系统。

1.1设计目的

设计一个模拟通信系统，能过通过仿真验证AM，DSB和SSB三种调制的原理和频分复用的可行性，并通过加入噪声可以明显观察到解调后的输出信号与源信号的差异，进而比较AM解调中包络检波与相干解调的性能差异。

1.2设计指标

1）信源至少三路
2）采用不同的调制或解调方式
3）信道具有加性高斯白噪声，采用不同噪声参数
4）仿真系统，分析结果，得出结论

2 设计内容

2.1设计原理

调制是将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号)；解调: 在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号

时域定义：

调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。

频域定义：

调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程.

根据所控制的信号参量的不同，调制可分为：

调幅，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。

调频，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式。

调相，利用原始信号控制载波信号的相位。

调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号，这就意味着把基带信号（信源）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。该信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。调制可以通过使高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，也就是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者（信宿）处理和理解的过程。该过程称为解调。

解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。

解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调。同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。对于多重调制需要配以多重解调。

解调的方式有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调技术。

按照调制方法可分为两类：线性调制和非线性调制。线性调制包括调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）、残留边带调幅（VSB）等。这里只讨论线性调制中的AM、DSB和SSB。

2.1.1 AM调制原理

AM调制的基本原理：使载波的振幅按照所需传送信号的变化规律而变化，但频率保持不变。
调幅在有线电，无线电通信和广播中应用甚广。调幅是高频载波的振幅随信号改变的调制（AM）。其中，载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化。

任意的AM已调信号可以表示为，当；,且不等于0时，称为常规调幅，其时域表达式为：

其中A0是外加的直流分量，f(t)是调制信号，它可以是确知信号，也可以是随机信号。为载波信号的角频率，为载波信号的起始相位，通常设为0。常规的AM调制通常可以用图1所示的系统来实现。

			图1 常规AM调制系统框图

AM调制的解调方法有包络检波和相干解调两种：
（1）非相干解调（包络检波）

利用普通调幅信号的包络反映调制信号波形变化这一特点，如能把包络提取出来，就可以恢复原来的调制信号。
包络检波器通常由半波或全波整流器和低通滤波器，它属于非相干解调，不需要相干载波。
（2）相干解调

解调是调制的反过程，即把在载频位置的已调信号的谱搬回到原始基带位置，因此用相乘器与载波相乘来实现。
相干解调时，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。否则，相干解调后将会使原始基带信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号时尤为严重。

注意：AM信号的解调结果中含有直流成分A0，这时在解调后要隔去直流。
双边带调幅，单边带调幅，残留边带调幅只能采用相干解调法，相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。

2.1.2 DSB调制原理

在标准调幅时，由于已调波中含有不携带信息的载波分量，信息完全又边带传送，故调制效率低。为了提高调制效率，在标准调幅的基础上抑制掉载波分量，使总功率全部包含在双边带中。这种调制方式称为抑制载波双边带调制，简称双边带调制（DSB）。
双边带调制信号可以通过调制信号与高频载波信号直接相乘得到。
双边带调制信号的时域表达式：

双边带调制信号的频域表达式：

2.1.3 SSB调制原理

双边带信号调制虽然抑制了载波，提高了调制效率，但调制后的频带宽度仍是基带信号带宽的2倍，而且上下两个边带对称，它们带有相同的信息，因此，从信息传输的角度看，我们只需传输其中一个边带即可在输出端恢复出调制信号。这种只传输一个边带的调制方式称为单边带抑制载波调制，称为单边带调制（SSB）。采用单边带调制，除了节省载波频率，还可以节省一半的传输频带，仅传输双边带信号的一个边带（上边带或下边带）。

产生单边带信号，可以先产生一个双边带信号，然后让他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，这种产生单边带信号的方法称为滤波法。由于滤波法比较简单，在其后加入一个带通滤波器即可完成。所以本实验采用相移法生成。

SSB信号相移法生成原理：

设调制信号为单频信号,载波，则调制后的双边带时域波形为：

保留上边带，波形为：

保留下边带，波形为：

上两式中的第一项与调制信号和载波信号的乘积成正比，称为同相分量:而第二项的乘积则是调制信号与载波信号分别移相90°后相乘的结果，称为正交分量。由此可以引出另-一种形成单边带信号的方法一移相法。图2是其原理图。需要说明的是，如果调制信号是任意的周期信号，则可将其分解出多个频率分量之和，只要其中的移相电路为一定带宽的移相电路，对这些频率分量都能移相90°，那么形成任意调制信号的单边带信号都是可能的。只不过将f(t)的输入变为f(t)/2即可。
SSB移相法原理图如下：

		   图2 SSB移相法原理图

2.1.4 频分复用系统原理

所谓频分复用是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分为若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接受端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。

频分复用系统组成原理，各路基带信号首先通过低通波滤器限制基带信号的带宽，避免他们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调型号，解调后恢复出基带信号。

在通信系统信号传输过程中，因为要传送的信号带宽是有限的，而线路可使用的带宽则相对是比较大的。所以在信号传输过程可以将信道带宽划分成互不重叠的很多小频带，并且在相邻的两路之间留有未被使用的频带作为保护频带，每个小的频带能通过一路信号。

多路（以N路为例）模拟信号经过FDM复用过程到达同一传输媒体上。各路信号先被载波调制器进行调制，接着将调制得到的模拟信号叠加起来，由此而产生了复合信号。每一路信号的频谱被搬移到了以载波频率为中心的位置上。为了实现这种机制，必须选择不同的载波频率，以使不同信号的带宽之间不会有重叠，否则就不可能恢复原始信号。在接收端，复合信号通过带通滤波器，每个滤波器也以载波频率为中心。使用这种方法，信号又被分割成多路状态，然后经解调器后恢复为原始多路信号。频分复用通信系统模型如图3所示。

					图3 频分复用通信系统模型

优点：
频分复用系统的最大优点是信道复用率高，允许复用的路数多，同时它的分路也很方便。因此，它是模拟系统中最主要的一种复用方式，特别是在有线、微博通信系统及卫星通信系统内广泛应用。例如，在卫星通信系统中的频分地址(FDMA)方式，就是按照频率的不同，把各地球站发射的信号安排在卫星频带内的指定位置进行频分复用，然后，按照频率不同来区分地球站站址，进行多址复用。
· 有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响；
· 接收端可利用简单一阶均衡器补偿信道传输的失真；
· 频谱效率上升。
缺点：
频分复用系统的不足之处是收发两端需要大量载频，且相同载频必须同步，设备较复杂。另外，还需要大量的各种频带范围的边带滤波器。对它们的要求不仅是频带特性陡峭，而且对频率的准确性和元件的稳定性都要求很高。第三频率复用系统不可避免地产生路间干扰。其原因除了分路用的带通滤波器特性不够理想外，最主要是信道本身存在着非线性特性。例如，多路复用信号通过公用的放大器时，由于放大器的非线性失真会引起各路信号频谱交叉重叠，这样会带来路间干扰，通常在传输话音信号时称为路间串话。因此，为了提高传输质量，对信道的线性指标有严格的要求。
· 传送与接收端需要精确的同步；
· 对于多普勒效应频率漂移敏感；
· 峰均比高；
· 循环前缀（Cyclic Prefix）造成的负荷。

2.2 设计仿真

设计仿真采用的软件为SystemView。

2.2.1 AM调制与解调设计仿真

利用扫频信号起始停止频率分别为0，1KHz来模拟第一个语音信号。载波频率设置为10KHz，通过调节载波幅度或者扫频信号幅度来设置调制度为1。第一个信源采用AM调制。

其SystemView仿真调制系统如图4所示。

							图4 AM调制

AM调制的解调方法有包络检波和相干解调两种：
（1）包络检波
利用普通调幅信号的包络反映调制信号波形变化这一特点，如能把包络提取出来，就可以恢复原来的调制信号。

因为信源最高频率1KHz，载波频率10KHz，所以选用上限截止频率为11KHz，下限截止频率为9KHz的带通滤波器筛选出所需的调制后的语音信号，滤除其他语音信号以及噪声干扰。经过一个二极管包络检波全波整流后通过一个截止频率为1KHz低通滤波器，即可从全波整流后的高频已调信号中提取出低频调制信号。其SystemView仿真调制系统如图5所示。

					图5 AM调制的包络检波

（2）相干解调
相干解调必须采用一个与发射端载波同频同相的信号，这个信号称为本地载波。注意：双边带调幅，单边带调幅，残留边带调幅只能采用相干解调法。

同样的选用上限截止频率为11KHz，下限截止频率为9KHz的带通滤波器筛选出所需信号，滤除其它干扰。乘以一个与高频载波同频同相的本地载波（Fc=10KHz，）后通过一个截止频率为1KHz低通滤波器后得到与调制信号波形相同的输出信号，也可以通过改变本地载波的幅度大小来调节输出信号的幅度，这里加上一个幅度为-1的阶跃信号除去直流偏量。
其SystemView仿真调制系统如图6所示。

					图6 AM调制的相干解调

2.2.2 DSB调制与解调设计仿真

利用扫频信号起始停止频率分别为0，2KHz来模拟第二个语音信号。载波频率设置为20KHz。第二个信源采用DSB调制，其SystemView仿真调制系统如图7所示。

					图7 DSB调制

DSB调制方式的相干解调：

信源最高频率2KHz，载波频率20KHz，选用上限截止频率为22KHz，下限截止频率为18KHz的带通滤波器筛选出所需信号，滤除其它干扰。乘以一个与高频载波同频同相的本地载波（Fc=20KHz，）后通过一个截止频率为2KHz低通滤波器后得到与调制信号波形相同的输出信号。其SystemView仿真调制系统如图8所示:

					图8 DSB调制的相干解调

2.2.3 SSB调制与解调设计仿真

利用扫频信号起始停止频率分别为0，4KHz来模拟第三个语音信号。载波频率设置为40KHz。第三个信源采用SSB调制，其SystemView仿真调制系统如图9所示。

					图9 SSB调制相移法生成

SSB调制方式的相干解调：

（1）解调上边带
信源最高频率4KHz，载波频率40KHz，选用上限截止频率为44KHz，下限截止频率为36KHz的带通滤波器筛选出所需信号，滤除其它干扰。乘以一个与高频载波同频同相的本地载波（Fc=40KHz，）后通过一个截止频率为4KHz低通滤波器后得到与调制信号波形相同的输出信号。其SystemView仿真调制系统如图10所示。

					图10 SSB的上边带相干解调

（2）解调下边带
与解调上边带步骤相同，只是改为选用上限截止频率为40KHz，下限截止频率为36KHz的带通滤波器。

其SystemView仿真调制系统如图11所示。

				图11 SSB的下边带相干解调

2.2.4 带通滤波器设计仿真

使用SystemView设计带通滤波器只需要确定滤波器的2个参数即可设计出所需要的带通滤波器，这两个参数分别为：带通滤波器通带的上边频率和下边频率。根据输入的调制信号频率和载波信号的频率可计算出调制后信号的频率范围，调制的实质是合频与差频。这样，根据调制后信号的频率即可得到带通滤波器的边带频率。

图12是AM解调中的带通滤波器设计：

				图12 契比雪夫型带通滤波器

2.2.5 低通滤波器设计仿真

解调时的信号经过相乘器后，需经过低通滤波器还原出原始信号。同样采用SystemView设计并实现低通滤波器，使用SystemView设计低通滤波器只需要确定滤波器的边带截止频率即可设计出所需要的低通滤波器，低通滤波器的频率根据原始信号的频率可确定。
图13是AM解调中的低通滤波器设计：

				图13 契比雪夫型低通滤波器

2.2.6 模拟噪声设计仿真

信道中存在不需要的电信号统称为噪声。通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号时通信系统中也有噪声，噪声是永远存在于通信系统中的。噪声可以看成是信道中的一种干扰，也称为加性噪声，因为它是叠加在信号之上的。噪声又可以分为人为噪声和自然噪声两大类。其中以自然噪声最难处理，而自然噪声中最重要的噪声为热噪声。由于在一般通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，所以热噪声又常称为白噪声。由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。所以本次设计中模拟信道噪声可以用SystemView仿真软件中的Gauss Noise(高斯白噪声信道)加入一个随机的高斯白噪声在复用信号中。其中可以调节参数里的Std Deviation来改变加入噪声的标准偏差，进而观察对解调结果的影响

	图14 高斯噪声

2.2.7 线性调制频分复用系统的仿真

采样频率设置为100KHz，采样点数8192。

						图15 系统总仿真

2.3 实现的具体步骤

						图16 模拟系统模拟

根据模拟通信系统模型，我们可以把整个实现过程分为以下几个步骤，首先是添加信源，之后对加入的信源调制后进行相加（以上为发送端），在传输信道中加入噪声，之后在接收端对信号进行解调，最后将信宿的波形输出。

具体则以扫频信号来模拟语音输入信号，即模拟信息源。其中一共有三个信号源，为了实现频分复用，三个语音信号的高频载波分别为10KHz，20KHz和40KHz，幅度均为1V。发送端分别用AM调制，DSB调制和SSB调制的上下两个边频来传送语音信号。将调制后的信号相加混叠并在信道传输钟中加入高斯白噪声来模拟噪声干扰，并通过改变噪声的功率大小来分析对信号传输的影响。在输出端根据所需频段通过带通滤波器筛选出需要的语音信号，再通过相应的解调方式还原相应的语音信号。其中带通和低通滤波器均采用契比雪夫型模拟滤波器。在加入信源刚开始将三个信源波形输出，之后将每个解调后的波形输出，与其原波形进行比较观察并对结果进行分析。

2.4 结果分析

首先将信道中的高斯噪声的标准差设为0，均值为0，即不加入噪声。参数设置如图16所示：

图17 标准差为0，均值为0的高斯噪声

其中三个信号源的原波形如下，分别为1KHz，2KHz和4KHz：

		   图18 三个语音源信号

2.4.1 频分复用的验证

将三个信号分别通过AM调制，DSB调制和SSB调制后加在一起后的波形：

			图19 三个语音源信号叠加的波形

观察三个语音信号叠加后的频谱：

				图20 三个语音源信号叠加的频谱

其中通过AM调制的信号（1KHz）进行包络检波解调后的波形：

					图21 信号1包络检波解调

通过AM调制的信号（1KHz）进行相干解调后的波形：

					图22 信号1相干解调

通过DSB调制的信号（2KHz）进行相干解调后的波形：

					图23 信号2相干解调

通过SSB调制的信号（4KHz）进行相干解调后的波形：

				图24 信号3相干解调（上边带）

				图25 信号3相干解调（下边带）

由图20可以观察出三个信号确实占用了不同的频段，并在同一时间内进行传输，由图21，22，23，24，25可知，通过频分复用技术传输后，恢复出来的原始信号与输入的信源相比基本没有误差，且恢复出来的信号也没有失真，频分复用的仿真过程得到了成功，验证了频分复用的可行性。

2.4.2 噪声对信号传输产生的影响

改变信道高斯噪声参数标准差为0.1，均值为0。
加入噪声后三个信源叠加的波形图：

				图26 三个语音源信号叠加

AM调制的1KHz的源信号通过相干解调后：

		图27 AM调制的1KHZ的源信号加入噪声通过相干解调

改变信道高斯噪声参数标准差为0.5，均值为0。
以上两个图变化为：

			图28 三个语音源信号叠加

		图29 AM调制的1KHZ的源信号加入噪声通过相干解调

由图26、27、28和29可知，在小噪声下解调器能正常解调出原信号，但是当加入大噪声时，解调出来的信号有失真，可见噪声对信道有干扰作用，但在一定范围内的噪声对信道的干扰不是很大，解调器能正常恢复原信号。

2.4.3 包络检波与相干解调性能对比

在噪声的标准偏差为0.1V时，原信号与包络检波和相干解调三个信号叠加进行对比：

				图30 大信噪比时包络与相干对比

在噪声的标准偏差为1V时，原信号与包络检波和相干解调三个信号叠加进行对比：

				图31 小信噪比时包络与相干对比

由图30和31可以观察出，对于AM调制系统，在输入大信噪比的条件下，采用包络检波器解调时的性能与相干解调器时的性能几乎一样。但在输入小信噪比的情况下，当输入信噪比低于门限值时，将会出现门限效应，这时解调器的输出信噪比将急剧恶化，系统无法正常工作。
可见，在小信噪比的情况下，相干解调的性能要优于包络检波。

3 总结

通过这次课程设计，我进一步理解了《通信原理》这一本书上所讲的内容，把之前所学习的知识加深理解并应用出来。

从第一章里先了解通信系统的一般模型，再到模拟系统的一般模型，又从网上搜索了有关频分复用系统的一般模型，才大致了解了整个系统设计的结构是怎样。之后再通过老师所发的pdf讲义，在SystemView上练习各种器件的摆放，参数的设置以及解调和调制的方法，不仅加深了对调制与解调公式的记忆，另一方面也加深了对调制解调原理的理解与应用。

在设计过程中也遇到了不少的困难，通过问同学、老师和网上查阅也解决了不少，例如采样频率必须是滤波器截至频率的两倍以上等。总体来说SystemView是一款十分强大的软件，可以设计各种通信系统，不管是模拟还是数字，线性还是非线性都可以在这款软件上得以很好的展现，个人感觉也是加深理解课本上知识的一个非常好的软件。

参考文献

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附：

一、全套完整资源链接

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内包含：
1.【通信原理工程实训】语音信号的线性调制频分复用系统设计——电子版报告
2.【通信原理工程实训】语音信号的线性调制频分复用系统设计——电子版PDF
3.【通信原理工程实训】语音信号的线性调制频分复用系统设计——systemview仿真设计图
4.【通信原理工程实训】语音信号的线性调制频分复用系统设计——答辩讲解PPT

二、哔站答辩视频

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