说明
学习数字信号处理算法时整理的学习笔记。同系列文章目录可见 《DSP 学习之路》目录,代码已上传到 Github - ModulationAndDemodulation。本篇介绍 SSB 单边带调幅信号的调制与解调,内附全套 MATLAB 代码。
- 说明
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1. SSB 调制算法
- 1.1 算法描述
- 1.2 滤波法及 SSB 信号的频域表示
- 1.3 相移法及 SSB 信号的时域表示
- 1.4 滤波法 SSB 信号调制示例
- 1.5 相移法 SSB 信号调制示例
-
2. SSB 解调算法
- 2.1 插入载波包络检波法
- 2.2 相干解调(同步检测)
- 2.3 数字正交解调
- 2.4 希尔伯特变换解调
- 3. SSB 仿真(MATLAB Communications Toolbox)
- 参考资料
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附录代码
- 附.1 文件 lpf_filter.m
- 附.2 文件 hpf_filter.m
- 附.3 文件 mod_lsb_method1.m
- 附.4 文件 mod_lsb_method2.m
- 附.5 文件 mod_usb_method1.m
- 附.6 文件 mod_usb_method2.m
- 附.7 文件 main_modSSB_example1.m
- 附.8 文件 main_modSSB_example2.m
- 附.9 文件 demod_ssb_method1.m
- 附.10 文件 demod_ssb_method2.m
- 附.11 文件 demod_ssb_method3.m
- 附.12 文件 demod_ssb_method4.m
- 附.13 文件 main_demodSSB_example1.m
- 附.14 文件 main_demodSSB_example2.m
- 附.15 文件 main_demodSSB_example3.m
- 附.16 文件 main_demodSSB_example4.m
- 附.17 文件 main_CommSSB_example.m
1. SSB 调制算法
1.1 算法描述
DSB 信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱 \(M(\omega)\) 的所有信息,因此仅传输其中一个边带即可,这样既节省发送功率,还节省 \(1/2\) 的传输带宽,这种方式称为单边带调制(SSB, Single Side Band)。SSB 信号的带宽等于基带信号(调制信号)带宽 \(f_H\),即 \(B_{SSB}=f_{H}\),根据传输的边带位置,SSB 信号可分为上边带信号(USB, Upper Side Band)和下边带信号(LSB, Lower Side Band)。SSB 信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的,根据滤除方法的不同,产生SSB 信号的方法有:滤波法和相移法。
1.2 滤波法及 SSB 信号的频域表示
产生 SSB 信号最直观的方法是,先产生一个双边带 DSB 信号,然后让其通过一个边带滤波器(理想高通滤波器或理想低通滤波器),滤除不必要的边带,即可得到单边带 SSB 信号,这种方法被称为滤波法。其原理框图如下:
其中 \(H_{SSB}(\omega)\) 为单边带滤波器的传输函数,当它为理想高通滤波器时,可以滤除 DSB 信号的下边带,获得上边带 USB 信号:
当 \(H_{SSB}(\omega)\) 为理想低通滤波器时,可以滤除 DSB 信号的上边带,获得下边带 LSB 信号:
因此,SSB 信号的频谱表达式为:
滤波法的技术难点是边带滤波器的制作,因为实际滤波器都不具有理想滤波器这么陡峭的截止特性,而是有一定的过渡带。例如,若经过滤波后的语音信号的最低频率为 \(300Hz\),则上、下边带之间的频率间隔为 \(600Hz\),即允许过渡带为 \(600Hz\)。实现滤波器的难易程度与过渡带相对载频的归一化值有关,该值越小,边带滤波器就越难实现。因此在 \(600Hz\) 过渡带和不太高的载频情况下,滤波器不难实现;但当载频较高时,采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。这时可以采用多级(一般采用两级)DSB 调制及边带滤波的方法,即先在较低的载频上进行 DSB 调制,目的是增大过渡带的归一化值,以利于滤波器的制作,经单边带滤波后再在要求的载频上进行第二次调制及滤波(常称为变频)。但当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了。
1.3 相移法及 SSB 信号的时域表示
SSB 信号时域表达式的推导比较困难,需借助希尔伯特变换来表述,先以单频调制为例,然后推广到一般情况。设单频调制信号为:
载波为:
则 DSB 信号的时域表达式为:
保留上边带,则有:
保留下边带,则有:
把上、下边带公式合并起来写,可以写成:
式中:“\(-\)” 表示上边带 USB 信号,“\(+\)” 表示下边带 LSB 信号。在式 \((8)\) 中 \(A_msin(\omega_mt)\) 可以看成是 \(A_mcos(\omega_mt)\) 相移 \(\pi/2\) 的结果,而幅度大小保持不变,我们把这一过程称为希尔伯特变换,记为 “\(\land\)”,则有:
据此,式 \((8)\) 可以改写为:
这个关系虽然是在单频调制下得到的,但是因为任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和,所以不失一般性,可得到调制信号为任意信号时 SSB 信号的时域表达式,式中 \(\hat{m}(t)\) 为 \(m(t)\) 的希尔伯特变换:
若 \(M(\omega)\) 为 \(m(t)\) 的傅里叶变换,则 \(\hat{m}(t)\) 的傅里叶变换为:
式中 \(sgn(\omega)\) 为符号函数:
式 \((10)\) 表明:除直流外,模值 \(H_h(\omega)=1\),希尔伯特滤波器 \(H_h(\omega)\) 将 \(m(t)\) 中的正频率偏移 \(-\pi/2\),负频率偏移 \(\pi/2\) 后就可以得到 \(\hat{m}(t)\)。根据 SSB 信号时域表达式式 \((9)\) 可以设计出相移法 SSB 调制器的一般模型:
相移法的思路是利用相移网络 \(H_h(\omega)\) 对载波和调制信号进行适当的相移,以便在合成过程中将其中的一个边带抵消而获得 SSB 信号,这种方法不需要滤波器具有陡峭的截止特性,不论载频有多高,均可一次实现 SSB 调制。相移法的技术难点是 \(H_h(\omega)\) 的制作,它必须对调制信号 \(m(t)\) 的所有频率成分均精确相移 \(\pi/2\),达到这一点比较困难,可以采用维弗法(Weaver),感兴趣的可查阅相关资料。
1.4 滤波法 SSB 信号调制示例
调制信号 \(m(t)\) 可以是确知信号,也可以是随机信号。当 \(m(t)\) 是确知信号时,不妨假设 \(m(t)\) 的时域表达式如下:
各调制参数取值:\(f_m=2500Hz\),\(f_c=20000Hz\)。信号采样率 \(f_s=8{f_c}\),仿真总时长为 \(2s\)。LSB 调制效果如下图所示(为了美观,时域只显示前 500 个点),调制信号 \(m(t)\) 双边幅度谱有四根离散谱线(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),DSB 信号有八根离散谱线(\(\pm17500Hz\)、\(\pm18750Hz\)、\(\pm21250Hz\)、\(\pm22500Hz\)),LSB 信号有四根离散谱线(\(\pm17500Hz\)、\(\pm18750Hz\))。
USB 调制效果如下图所示(为了美观,时域只显示前 500 个点),调制信号 \(m(t)\) 双边幅度谱有四根离散谱线(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),DSB 信号有八根离散谱线(\(\pm17500Hz\)、\(\pm18750Hz\)、\(\pm21250Hz\)、\(\pm22500Hz\)),USB 信号有四根离散谱线(\(\pm21250Hz\)、\(\pm22500Hz\))。
代码详见 mod_lsb_method1.m
、mod_usb_method1.m
、main_modSSB_example1.m
。
1.5 相移法 SSB 信号调制示例
使用 1.4 节中相同的调制信号,LSB 调制效果如下图所示(为了美观,时域只显示前 500 个点),调制信号 \(m(t)\) 双边幅度谱有四根离散谱线(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),\(m(t)\) 的希尔伯特变换 \(\hat{m}(t)\) 有四根离散谱线(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),LSB 信号有四根离散谱线(\(\pm17500Hz\)、\(\pm18750Hz\))。
USB 调制效果如下图所示(为了美观,时域只显示前 500 个点),调制信号 \(m(t)\) 双边幅度谱有四根离散谱线(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),\(m(t)\) 的希尔伯特变换 \(\hat{m}(t)\) 有四根离散谱线(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),USB 信号有四根离散谱线(\(\pm21250Hz\)、\(\pm22500Hz\))。
代码详见 mod_lsb_method2.m
、mod_usb_method2.m
、main_modSSB_example2.m
。
2. SSB 解调算法
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)。SSB 信号的包络不再与调制信号 \(m(t)\) 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,通常采用相干解调的方法来进行解调。另一种方法是,插入很强的载波,使其成为或近似为 AM 信号,则可利用包络检波器恢复调制信号,这种方法被称为插入载波包络检波法,为了保证检波质量,插入的载波振幅应远大于信号的振幅,同时也要求插入的载波与调制载波同频同相。下面介绍四种解调方法并对 1.5 节中的 SSB 信号进行解调。
2.1 插入载波包络检波法
插入幅值为 \(A_0\) 的载波,得到一个近似的 AM 信号,使用 AM 解调器进行解调即可,步骤如下:
- 第一步:加上载波 \({A_0}cos{\omega_ct}\),其中 \(A_0 \geq {\lvert}{s_{SSB}(t)}{\rvert}_{max}\),获得 AM 信号。
- 第二步:使用 AM 解调器进行解调。
对 1.5 节中的 LSB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,解调后幅度放大系数 \(k=\overline{{\lvert}m(t){\rvert}}/\overline{{\lvert}\hat{m}(t){\rvert}}\approx2.09\),使用这个系数放大解调信号幅值,然后计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-k\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.2282\)。
对 1.5 节中的 USB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,解调后幅度放大系数 \(k=\overline{{\lvert}m(t){\rvert}}/\overline{{\lvert}\hat{m}(t){\rvert}}\approx2.09\),使用这个系数放大解调信号幅值,然后计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-k\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.2282\),与 LSB 相同。
代码详见 demod_ssb_method1.m
和 main_demodSSB_example1.m
。AM 解调器详见本人同系列博客 【调制解调】AM 调幅。更改插入载波的初始相位为 \({\phi_0}=\pi/4,\pi/2\),或者更改插入载波的中心频率为 \(0.8f_c,1.2f_c\) 后,解调效果变差,说明这种方法对插入载波同频同相的要求较高。
2.2 相干解调(同步检测)
将 SSB 信号与同频同相的相干载波相乘,得到:
然后通过一个低通滤波器即可获得解调结果,步骤如下:
- 第一步:乘以相干载波(即乘以 \(4cos({\omega_ct}+{\phi_0})\),前面的 4 被用来做幅度补偿。
- 第二步:低通滤波器滤除高频载波,滤除 \(2{\omega}_c\)。
对 1.5 节中的 LSB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0022\)。
对 1.5 节中的 USB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0022\),与 LSB 相同。
代码详见 demod_ssb_method2.m
和 main_demodSSB_example2.m
。更改相干载波的初始相位为 \({\phi_0}=\pi/4,\pi/2\),或者更改相干载波的中心频率为 \(0.8f_c,1.2f_c\) 后,解调效果变差,说明这种方法对相干载波同频同相的要求也较高。
2.3 数字正交解调
SSB 数字正交解调一般有以下两个步骤,它与相干解调(同步检测)法是等效的:
- 第一步:乘以正交相干载波得到 \({s_I}(t)\) 与 \({s_Q}(t)\),即 \({s_I}(t)=4s(t)cos({\omega_ct}+{\phi_0})\),\({s_Q}(t)=-4s(t)sin({\omega_ct}+{\phi_0})\),前面的 4 被用来做幅度补偿。
- 第二步:低通滤波器滤除 \({s_I}(t)\) 与 \({s_Q}(t)\) 中的高频分量,所得的 \(s_I(t)\) 即为解调结果。
对 1.5 节中的 LSB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0022\)。
对 1.5 节中的 USB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0022\),与 LSB 相同。
代码详见 demod_ssb_method3.m
和 main_demodSSB_example3.m
。与相干解调(同步检测)一样,这种方法对相干载波同频同相的要求较高。
2.4 希尔伯特变换解调
根据 Hilbert 变换的性质,在 \(f_c \gg f_{max}\) 的条件下(\(f_c\) 为信号的载波频率,\(f_{max}\) 为调制信号的最大频率分量),有以下近似的表达式(USB 信号时为 “\(+\)”,LSB 信号时为 “\(-\)”):
可据此设计出以下解调方法:
联立式 \((9)\) 和式 \((13)\) 可得解调输出为:
这一方法的解调步骤如下(注意:这一解调方法需满足的条件是 \(f_c \gg f_{max}\)):
- 第一步:计算信号 \(s_{SSB}(t)\) 的希尔伯特变换 \(\hat{s}_{SSB}(t)\)。
- 第二步:\(s_{SSB}(t)\) 与 \(\hat{s}_{SSB}(t)\) 分别乘以正交载波 \(2cos(\omega_ct+{\phi_0})\) 与 \(2sin(\omega_ct+{\phi_0})\) 后相加,前面的 2 被用来做幅度补偿,获得解调输出 \(m_o(t)=2s_{SSB}(t)cos(\omega_ct)+2\hat{s}_{SSB}(t)sin(\omega_ct)\)。
对 1.5 节中的 LSB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0032\)。
对 1.5 节中的 USB 信号,设定信噪比 \(SNR=50dB\),解调效果如下,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0032\),与 LSB 相同。
代码详见 demod_ssb_method4.m
和 main_demodSSB_example4.m
。更改正交载波的初始相位为 \({\phi_0}=\pi/4,\pi/2\),或者更改正交载波的中心频率为 \(0.8f_c,1.2f_c\) 后,解调效果变差,说明这种方法对正交载波同频同相的要求也较高。
3. SSB 仿真(MATLAB Communications Toolbox)
MATLAB 的 Communications Toolbox 中提供了 SSB 调制函数 ssbmod,高斯白噪声函数 awgn,以及 SSB 解调函数 ssbdemod,可以很方便地完成 SSB 信号仿真。使用这三个函数实现上面 1.4 节中确知信号 \(m(t)\) 的 USB 调制解调,调制后加噪声的效果如下:
USB 解调效果如下,解调信号与调制信号波形基本重回,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0036\)。
使用这三个函数实现上面 1.4 节中确知信号 \(m(t)\) 的 LSB 调制解调,调制后加噪声的效果如下:
LSB 解调效果如下,解调信号与调制信号波形基本重回,计算误差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0036\)。
代码详见附录 main_CommSSB_example.m
。
参考资料
[1] 楼才义,徐建良,杨小牛.软件无线电原理与应用[M].电子工业出版社,2014.
[2] 樊昌信,曹丽娜.通信原理.第7版[M].国防工业出版社,2012.
[3] CSDN - 通信原理之模拟幅度调制(线性调制)详解。
[4] 简书 - 第五章 模拟调制系统。
[5] CSDN - 现代通信原理6.2:单边带(SSB)调制。
[6] 知乎 - 希尔伯特变换如何理解?。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-548843.html
[7] 知乎 - matlab希尔伯特变换实现(Hilbert transfrom)。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-548843.html
附录代码
附.1 文件 lpf_filter.m
function sig_lpf = lpf_filter(sig_data, cutfre)
% LPF_FILTER 自定义理想低通滤波器
% 输入参数:
% sig_data 待滤波数据
% cutfre 截止频率,范围 (0,1)
% 输出参数:
% sig_lpf 低通滤波结果
% @author 木三百川
nfft = length(sig_data);
lidx = round(nfft/2-cutfre*nfft/2);
ridx = nfft - lidx;
sig_fft_lpf = fftshift(fft(sig_data));
sig_fft_lpf([1:lidx,ridx:nfft]) = 0;
sig_lpf = real(ifft(fftshift(sig_fft_lpf)));
end
附.2 文件 hpf_filter.m
function sig_hpf = hpf_filter(sig_data, cutfre)
% HPF_FILTER 自定义理想高通滤波器
% 输入参数:
% sig_data 待滤波数据
% cutfre 截止频率,范围 (0,1)
% 输出参数:
% sig_hpf 高通滤波结果
% @author 木三百川
nfft = length(sig_data);
lidx = round(nfft/2-cutfre*nfft/2);
ridx = nfft - lidx;
sig_fft_hpf = fftshift(fft(sig_data));
sig_fft_hpf(lidx:ridx) = 0;
sig_hpf = real(ifft(fftshift(sig_fft_hpf)));
end
附.3 文件 mod_lsb_method1.m
function [ sig_lsb ] = mod_lsb_method1(fc, fs, mt, t)
% MOD_LSB_METHOD1 LSB 下边带调幅(滤波法)
% 输入参数:
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% mt 调制信号
% t 采样时间
% 输出参数:
% sig_lsb LSB 下边带调幅实信号
% @author 木三百川
% 生成 DSB 信号
ct = cos(2*pi*fc*t);
sig_dsb = mt.*ct; % DSB 双边带调幅信号
% 使用理想低通滤波器获得 LSB 信号
sig_lsb = lpf_filter(sig_dsb, fc/(fs/2));
% 绘图
nfft = length(sig_lsb);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_lsb));
subplot(3,2,1);
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(mt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)双边幅度谱');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_dsb(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('DSB双边带调幅信号s(t)');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_dsb,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('DSB双边带调幅信号s(t)双边幅度谱');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_lsb(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('LSB下边带调幅信号s(t)');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_lsb,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('LSB下边带调幅信号s(t)双边幅度谱');
end
附.4 文件 mod_lsb_method2.m
function [ sig_lsb ] = mod_lsb_method2(fc, fs, mt, t)
% MOD_LSB_METHOD2 LSB 下边带调幅(相移法)
% 输入参数:
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% mt 调制信号
% t 采样时间
% 输出参数:
% sig_lsb LSB 下边带调幅实信号
% @author 木三百川
% 计算 m(t) 的希尔伯特变换(相移)
hmt = imag(hilbert(mt));
% 与正交载波相合成
sig_lsb = 1/2*mt.*cos(2*pi*fc*t)+1/2*hmt.*sin(2*pi*fc*t);
% 绘图
nfft = length(sig_lsb);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_lsb));
subplot(3,2,1);
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(mt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)双边幅度谱');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), hmt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)希尔伯特变换');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(hmt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)希尔伯特变换双边幅度谱');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_lsb(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('LSB下边带调幅信号s(t)');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_lsb,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('LSB下边带调幅信号s(t)双边幅度谱');
end
附.5 文件 mod_usb_method1.m
function [ sig_usb ] = mod_usb_method1(fc, fs, mt, t)
% MOD_USB_METHOD1 USB 上边带调幅(滤波法)
% 输入参数:
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% mt 调制信号
% t 采样时间
% 输出参数:
% sig_usb USB 上边带调幅实信号
% @author 木三百川
% 生成 DSB 信号
ct = cos(2*pi*fc*t);
sig_dsb = mt.*ct; % DSB 双边带调幅信号
% 使用理想高通滤波器获得 USB 信号
sig_usb = hpf_filter(sig_dsb, fc/(fs/2));
% 绘图
nfft = length(sig_usb);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_usb));
subplot(3,2,1);
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(mt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)双边幅度谱');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_dsb(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('DSB双边带调幅信号s(t)');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_dsb,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('DSB双边带调幅信号s(t)双边幅度谱');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_usb(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('USB上边带调幅信号s(t)');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_usb,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('USB上边带调幅信号s(t)双边幅度谱');
end
附.6 文件 mod_usb_method2.m
function [ sig_usb ] = mod_usb_method2(fc, fs, mt, t)
% MOD_USB_METHOD2 USB 上边带调幅(相移法)
% 输入参数:
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% mt 调制信号
% t 采样时间
% 输出参数:
% sig_usb USB 上边带调幅实信号
% @author 木三百川
% 计算 m(t) 的希尔伯特变换(相移)
hmt = imag(hilbert(mt));
% 与正交载波相合成
sig_usb = 1/2*mt.*cos(2*pi*fc*t)-1/2*hmt.*sin(2*pi*fc*t);
% 绘图
nfft = length(sig_usb);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_usb));
subplot(3,2,1);
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(mt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)双边幅度谱');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), hmt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('调制信号m(t)希尔伯特变换');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(hmt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('调制信号m(t)希尔伯特变换双边幅度谱');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_usb(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('USB上边带调幅信号s(t)');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_usb,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('USB上边带调幅信号s(t)双边幅度谱');
end
附.7 文件 main_modSSB_example1.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 调制仿真(调制信号为确知信号,滤波法)
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% LSB 调制
[ sig_lsb ] = mod_lsb_method1(fc, fs, mt, t);
% USB 调制
[ sig_usb ] = mod_usb_method1(fc, fs, mt, t);
附.8 文件 main_modSSB_example2.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 调制仿真(调制信号为确知信号,相移法)
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% LSB 调制
[ sig_lsb ] = mod_lsb_method2(fc, fs, mt, t);
% USB 调制
[ sig_usb ] = mod_usb_method2(fc, fs, mt, t);
附.9 文件 demod_ssb_method1.m
function [ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method1(sig_ssb_receive, fc, fs, t, phi0)
% DEMOD_SSB_METHOD1 SSB 插入载波包络检波法
% 输入参数:
% sig_ssb_receive SSB 接收信号,行向量
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% t 采样时间
% phi0 载波初始相位
% 输出参数:
% sig_ssb_demod 解调结果,与 sig_ssb_receive 等长
% @author 木三百川
% 第一步:插入载波
A0 = max(abs(sig_ssb_receive))/0.8;
sig_ssb2am = sig_ssb_receive + A0*cos(2*pi*fc*t+phi0);
% 第二步:使用 AM 解调器进行解调
[ sig_ssb_demod ] = demod_am_method4(sig_ssb2am, fs, t);
end
附.10 文件 demod_ssb_method2.m
function [ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method2(sig_ssb_receive, fc, fs, t, phi0)
% DEMOD_SSB_METHOD2 SSB 相干解调(同步检测)
% 输入参数:
% sig_ssb_receive SSB 接收信号,行向量
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% t 采样时间
% phi0 载波初始相位
% 输出参数:
% sig_ssb_demod 解调结果,与 sig_ssb_receive 等长
% @author 木三百川
% 第一步:乘以相干载波
sig_ssbct = 4*sig_ssb_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0);
% 第二步:低通滤波
sig_ssb_demod = lpf_filter(sig_ssbct, fc/(fs/2));
end
附.11 文件 demod_ssb_method3.m
function [ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method3(sig_ssb_receive, fc, fs, t, phi0)
% DEMOD_SSB_METHOD3 SSB 数字正交解调,与相干解调(同步检测)是等效的
% 输入参数:
% sig_ssb_receive SSB 接收信号,行向量
% fc 载波中心频率
% fs 信号采样率
% t 采样时间
% phi0 载波初始相位
% 输出参数:
% sig_ssb_demod 解调结果,与 sig_ssb_receive 等长
% @author 木三百川
% 第一步:乘以正交相干载波
sig_ssb_i = 4*sig_ssb_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0);
sig_ssb_q = -4*sig_ssb_receive.*sin(2*pi*fc*t+phi0);
% 第二步:低通滤波
sig_ssb_i_lpf = lpf_filter(sig_ssb_i, fc/(fs/2));
sig_ssb_q_lpf = lpf_filter(sig_ssb_q, fc/(fs/2));
sig_ssb_demod = sig_ssb_i_lpf;
end
附.12 文件 demod_ssb_method4.m
function [ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method4(sig_ssb_receive, fc, t, phi0)
% DEMOD_SSB_METHOD4 SSB 希尔伯特变换解调
% 输入参数:
% sig_ssb_receive SSB 接收信号,行向量
% fc 载波中心频率
% t 采样时间
% phi0 载波初始相位
% 输出参数:
% sig_ssb_demod 解调结果,与 sig_ssb_receive 等长
% @author 木三百川
% 第一步:计算希尔伯特变换
hsig_ssb_receive = imag(hilbert(sig_ssb_receive));
% 第二步:乘以正交相干载波
sig_ssb_demod = 2*sig_ssb_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0)+2*hsig_ssb_receive.*sin(2*pi*fc*t+phi0);
end
附.13 文件 main_demodSSB_example1.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 解调仿真(调制信号为确知信号,插入载波包络检波法)
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% SSB 调制
[ sig_ssb_send ] = mod_usb_method2(fc, fs, mt, t);
% 加噪声
snr = 50; % 信噪比
sig_ssb_receive = awgn(sig_ssb_send, snr, 'measured');
% 插入载波包络检波法
phi0 = 0;
[ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method1(sig_ssb_receive, fc, fs, t, phi0);
% 绘图
nfft = length(sig_ssb_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_ssb_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('SSB接收信号');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_ssb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('SSB接收信号双边幅度谱');
figure;set(gcf,'color','w');
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
hold on;
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果');
legend('调制信号','解调信号');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_ssb_demod));
fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_ssb_demod)/norm(mt));
附.14 文件 main_demodSSB_example2.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 解调仿真(调制信号为确知信号,相干解调(同步检测))
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% SSB 调制
[ sig_ssb_send ] = mod_usb_method2(fc, fs, mt, t);
% 加噪声
snr = 50; % 信噪比
sig_ssb_receive = awgn(sig_ssb_send, snr, 'measured');
% 相干解调(同步检测)
phi0 = 0;
[ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method2(sig_ssb_receive, fc, fs, t, phi0);
% 绘图
nfft = length(sig_ssb_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_ssb_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('SSB接收信号');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_ssb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('SSB接收信号双边幅度谱');
figure;set(gcf,'color','w');
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
hold on;
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果');
legend('调制信号','解调信号');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_ssb_demod));
fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_ssb_demod)/norm(mt));
附.15 文件 main_demodSSB_example3.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 解调仿真(调制信号为确知信号,数字正交解调)
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% SSB 调制
[ sig_ssb_send ] = mod_usb_method2(fc, fs, mt, t);
% 加噪声
snr = 50; % 信噪比
sig_ssb_receive = awgn(sig_ssb_send, snr, 'measured');
% 数字正交解调
phi0 = 0;
[ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method3(sig_ssb_receive, fc, fs, t, phi0);
% 绘图
nfft = length(sig_ssb_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_ssb_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('SSB接收信号');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_ssb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('SSB接收信号双边幅度谱');
figure;set(gcf,'color','w');
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
hold on;
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果');
legend('调制信号','解调信号');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_ssb_demod));
fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_ssb_demod)/norm(mt));
附.16 文件 main_demodSSB_example4.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 解调仿真(调制信号为确知信号,希尔伯特变换解调)
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% SSB 调制
[ sig_ssb_send ] = mod_usb_method2(fc, fs, mt, t);
% 加噪声
snr = 50; % 信噪比
sig_ssb_receive = awgn(sig_ssb_send, snr, 'measured');
% 希尔伯特变换解调
phi0 = 0;
[ sig_ssb_demod ] = demod_ssb_method4(sig_ssb_receive, fc, t, phi0);
% 绘图
nfft = length(sig_ssb_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_ssb_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('SSB接收信号');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_ssb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('SSB接收信号双边幅度谱');
figure;set(gcf,'color','w');
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
hold on;
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果');
legend('调制信号','解调信号');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_ssb_demod));
fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_ssb_demod)/norm(mt));
附.17 文件 main_CommSSB_example.m
clc;
clear;
close all;
% SSB 调制解调仿真(使用Communications Toolbox工具箱)
% @author 木三百川
% 调制参数
fm = 2500; % 调制信号参数
fc = 20000; % 载波频率
fs = 8*fc; % 采样率
total_time = 2; % 仿真时长,单位:秒
% 采样时间
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 调制信号为确知信号
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% SSB 调制
ini_phase = 0;
sig_ssb_send = ssbmod(mt,fc,fs,ini_phase); % LSB 调制
% sig_ssb_send = ssbmod(mt,fc,fs,ini_phase,'upper'); % USB 调制
% 加噪声
snr = 50; % 信噪比
sig_ssb_receive = awgn(sig_ssb_send, snr, 'measured');
% SSB 解调
[ sig_ssb_demod ] = ssbdemod(sig_ssb_receive, fc, fs, ini_phase);
% 绘图
nfft = length(sig_ssb_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_ssb_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('SSB接收信号');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_ssb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('SSB接收信号双边幅度谱');
figure;set(gcf,'color','w');
plot(t(1:plot_length), mt(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
hold on;
plot(t(1:plot_length), sig_ssb_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解调效果');
legend('调制信号','解调信号');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_ssb_demod));
fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_ssb_demod)/norm(mt));
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