說明
學習數字信號處理演算法時整理的學習筆記,同系列文章目錄可見 《DSP 學習之路》目錄,本篇介紹 AM 調幅信號的調制與解調,內附全套 MATLAB 代碼,
目錄- 說明
- 1. AM 調制演算法
- 1.1 演算法描述
- 1.2 調制信號 m(t) 為確知信號時
- 1.3 調制信號 m(t) 為隨機信號時
- 2. AM 解調演算法
- 2.1 非相干解調(包絡檢波)
- 2.2 相干解調
- 2.3 數字正交解調
- 2.4 非相干解調(包絡檢波 - 希爾伯特變換法)
- 3. AM 仿真(MATLAB Communications Toolbox)
- 參考資料
- 附錄代碼
- 附.1 檔案 mod_am.m
- 附.2 檔案 main_modAM_example1.m
- 附.3 檔案 main_modAM_example2.m
- 附.4 檔案 demod_am_method1.m
- 附.5 檔案 main_demodAM_example1.m
- 附.6 檔案 demod_am_method2.m
- 附.7 檔案 main_demodAM_example2.m
- 附.8 檔案 demod_am_method3.m
- 附.9 檔案 main_demodAM_example3.m
- 附.10 檔案 demod_am_method4.m
- 附.11 檔案 main_demodAM_example4.m
- 附.12 檔案 main_CommAM_example.m
1. AM 調制演算法
1.1 演算法描述
用調制信號去控制載波的幅度,使其按照調制信號的規律變化,當調制信號是模擬信號時,這個程序就被稱為調幅(AM),AM 信號的時域運算式為:
\[s_{AM}(t)=\left[A_0+m(t)\right]cos{\omega_ct} \tag{1} \]式中:\(A_0\) 為外加的直流分量;\(m(t)\) 是調制信號(攜帶要發出去的資訊),它可以是確知信號,也可以是隨機信號,其均值通常為 0;\(cos{\omega_ct}\) 是載波,\(\omega_c\) 是載波角頻率,與載波頻率 \(f_c\) 之間的關系為 \(\omega_c=2{\pi}f_c\),
對式 \((1)\) 進行傅里葉變換,得到 AM 信號的頻譜(幅度譜)運算式:
\[S_{AM}(\omega)={\pi}A_0\left[\delta(\omega+\omega_c)+\delta(\omega-\omega_c)\right]+\frac{1}{2}\left[M(\omega+\omega_c)+M(\omega-\omega_c)\right] \tag{2} \]式中,\(M(\omega)\) 是調制信號 \(m(t)\) 的頻譜,AM 信號的特性如下:
-
\({\lvert}m(t){\rvert}_{max}\) 與 \(A_0\) 的比值被稱為調幅深度,或者調制指數,即 \({\beta}={{\lvert}m(t){\rvert}_{max}}/{A_0}\),取值范圍為 \((0,1]\),若調幅深度比 1 大,AM 信號的包絡會出現嚴重失真,此時無法用包絡檢波法從 \(s_{AM}(t)\) 中解調出 \(m(t)\),在接收端估算調制指數時,可以先提取信號包絡 \(A(t)\),然后使用公式
\[\hat{\beta}=\frac{A_{max}-A_{min}}{A_{max}+A_{min}} \tag{3} \]對調制指數進行估算,
-
AM 信號的頻譜由載波分量、上邊帶、下邊帶三部分組成,上邊帶的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構相同,下邊帶是上邊帶的鏡像,因此,AM 信號是帶有載波分量的雙邊帶信號,它的帶寬是基帶信號(調制信號)帶寬 \(f_H\) 的 2 倍,即 \(B_{AM}=2f_{H}\),
-
有用功率 \(P_s\)(用于傳輸有用資訊的總邊帶功率)占信號總功率 \(P_{AM}\) 的比例被稱為調制效率,即
\[{\eta}_{AM}=\frac{P_s}{P_{AM}}=\frac{P_s}{{P_c}+{P_s}}=\frac{\overline{m^2(t)}}{A_0^2+\overline{m^2(t)}} \tag{4} \]式中 \(P_c\) 為載波功率,有 \(P_c={A_0^2}/2\),\(P_s\) 為邊帶功率,有 \(P_s=\overline{m^2(t)}/2\),當調制信號 \(m(t)\) 為單頻信號時,調制效率 \({\eta}_{AM}\) 與調制指數 \({\beta}_{AM}\) 存在如下關系:
\[{\eta}_{AM}=\frac{{\beta}_{AM}^2}{2+{\beta}_{AM}^2} \tag{5} \]可得最大 AM 調制效率為 \(1/3\),因此 AM 信號的功率利用率比較低,
1.2 調制信號 m(t) 為確知信號時
不妨假設確知信號 \(m(t)\) 的時域運算式如下:
\[m(t) = sin(2{\pi}{f_m}t)+cos({\pi}{f_m}t) \tag{6} \]各調制引數取值:\(f_m=2500Hz\),\({\beta}=0.8\),\(f_c=20000Hz\),信號采樣率 \(f_s=8{f_c}\),仿真總時長為 \(2s\),AM 調制效果如下圖所示(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),調制信號 \(m(t)\) 雙邊幅度譜有四根離散譜線(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),高頻載波 \(c(t)\) 雙邊幅度譜有兩根離散譜線(\({\pm}20000Hz\)),AM 調幅信號 \(s(t)\) 雙邊幅度譜有十根離散譜線(\({\pm}22500Hz\)、\({\pm}21250Hz\)、\({\pm}20000Hz\)、\({\pm}18750Hz\)、\({\pm}17500Hz\)),
代碼詳見附錄 main_modAM_example1.m
與 mod_am.m
,
1.3 調制信號 m(t) 為隨機信號時
不妨假設基帶信號帶寬為 \({f_H}=3000Hz\),各調制引數取值:\({\beta}=0.8\),\(f_c=20000Hz\),信號采樣率 \(f_s=8{f_c}\),仿真總時長為 \(2s\),AM 調制效果如下圖所示(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),調制信號 \(m(t)\) 雙邊幅度譜中間譜峰的范圍約為 \(-3000Hz{\sim}3000Hz\),高頻載波 \(c(t)\) 雙邊幅度譜有兩根離散譜線(\({\pm}20000Hz\)),AM 調幅信號 \(s(t)\) 雙邊幅度譜有兩根離散譜線(\({\pm}20000Hz\))及兩個譜峰(范圍約為 \(-23000Hz{\sim}-17000Hz\)、\(17000Hz{\sim}23000Hz\)),
代碼詳見附錄 main_modAM_example2.m
與 mod_am.m
,
2. AM 解調演算法
解調是調制的逆程序,其作用是從接收的已調信號中恢復原基帶信號(即調制信號),AM 解調的方法可分為兩類:相干解調和非相干解調(包絡檢波),一般都采用包絡檢波,對上面 1.2 節中生成的 AM 信號加高斯白噪聲,假設信噪比 \(SNR=50dB\),加噪后的波形及頻譜如下圖所示(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),頻譜中有十根離散譜線(\({\pm}22500Hz\)、\({\pm}21250Hz\)、\({\pm}20000Hz\)、\({\pm}18750Hz\)、\({\pm}17500Hz\)):
下面分別用幾種不同方法對這個 AM 接收信號進行解調,
2.1 非相干解調(包絡檢波)
AM 信號在滿足 \({\beta}{\leq}1\) 的條件下,其包絡與調制信號 \(m(t)\) 的形狀完全一樣,因此可以從信號包絡中提取調制信號,AM 非相干解調(包絡檢波)一般有以下三個步驟:
- 第一步:全波整流(對 \(s(t)\) 取絕對值)或半波整流(將 \(s(t)\) 小于 \(0\) 的地方置零),
- 第二步:低通濾波器濾除高頻載波,濾除 \(2{\omega}_c\) 或 \({\omega}_c\),
- 第三步:去除直流分量(減去自身均值),
每一步結果的時域波形及頻譜如下(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),全波整流結果的雙邊幅度譜中有二十根離散的譜線(\(0Hz\)、\({\pm}1250Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}37500Hz\)、\({\pm}38750Hz\)、\({\pm}40000Hz\)、\({\pm}41250Hz\)、\({\pm}42500Hz\)、\({\pm}77500Hz\)、\({\pm}78750Hz\)、\(-80000Hz\)),經過低通濾波后,只剩零頻附近的五根譜線強度較大(\(0Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,進一步去除直流后,只剩下調制信號中的四根譜線(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,此時的時域波形就是 AM 非相干解調的結果,
解調信號 \(\hat{m}(t)\) 與調制信號 \(m(t)\) 的對比效果如下:
解調信號與調制信號波形基本一致,它們之間只相差一個比例系數,由 \(k=\overline{{\lvert}m(t){\rvert}}/\overline{{\lvert}\hat{m}(t){\rvert}}\) 可計算出這個比例系數約為 \(1.6567\),使用這個系數放大解調信號幅值,然后計算誤差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-k\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0054\),代碼詳見附錄 main_demodAM_example1.m
與 demod_am_method1.m
,
2.2 相干解調
相干解調時,為了無失真地恢復原基帶信號,接收端必須提供一個與調制載波嚴格同步(同頻同相)的本地載波(稱為相干載波,可使用鎖相環技術得到),AM 相干解調一般有以下三個步驟:
- 第一步:乘以相干載波(即乘以 \(2cos({\omega_ct}+{\phi_0})\),前面的 2 被用來做幅度補償,詳見《通信原理》教材),
- 第二步:低通濾波器濾除高頻載波,濾除 \(2{\omega}_c\),
- 第三步:去除直流分量(減去自身均值),
解調時不妨取相干載波初相位為 \({\phi_0}=0\),更靠譜點的需使用鎖相環技術,每一步結果的時域波形及頻譜如下(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),乘以相干載波結果的雙邊幅度譜中有十五根離散的譜線(\(0Hz\)、\({\pm}1250Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}37500Hz\)、\({\pm}38750Hz\)、\({\pm}40000Hz\)、\({\pm}41250Hz\)、\({\pm}42500Hz\)),經過低通濾波后,只剩零頻附近的五根譜線強度較大(\(0Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,進一步去除直流后,只剩下調制信號中的四根譜線(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,此時的時域波形就是 AM 相干解調的結果,
解調信號 \(\hat{m}(t)\) 與調制信號 \(m(t)\) 的對比效果如下:
解調信號與調制信號波形基本重回,計算誤差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0053\),更改相干載波的初始相位為 \({\phi_0}=\pi/4,\pi/2\),或者更改相干載波的中心頻率為 \(0.8f_c,1.2f_c\) 后,解調效果變差,說明這種方法對相干載波同頻同相的要求較高,魯棒性不夠強悍,可使用鎖相環技術來改善這一缺點,代碼詳見附錄 main_demodAM_example2.m
與 demod_am_method2.m
,
2.3 數字正交解調
數字正交解調也屬于相干解調的一種,但這種方法具有較強的抗載頻失配能力,不要求相干載波嚴格的同頻同相,AM 數字正交解調一般有以下四個步驟:
- 第一步:乘以正交相干載波得到 \({s_I}(t)\) 與 \({s_Q}(t)\),即 \({s_I}(t)=2s(t)cos({\omega_ct}+{\phi_0})\),\({s_Q}(t)=-2s(t)sin({\omega_ct}+{\phi_0})\),前面的 2 被用來做幅度補償,
- 第二步:低通濾波器濾除 \({s_I}(t)\) 與 \({s_Q}(t)\) 中的高頻分量,
- 第三步:計算包絡 \(A(t)=\sqrt{{s_I^2}(t)+{s_Q^2}(t)}\),
- 第四步:去除直流分量(減去自身均值),
解調時不妨取相干載波初相位為 \({\phi_0}=0\),第一步結果的時域波形及頻譜如下(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),乘以正交相干載波后,\(I\) 路雙邊幅度譜中有十五根離散譜線(\(0Hz\)、\({\pm}1250Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}37500Hz\)、\({\pm}38750Hz\)、\({\pm}40000Hz\)、\({\pm}41250Hz\)、\({\pm}42500Hz\)),\(Q\) 路雙邊幅度譜中有十根離散譜線(\({\pm}37500Hz\)、\({\pm}38750Hz\)、\({\pm}40000Hz\)、\({\pm}41250Hz\)、\({\pm}42500Hz\)),
第二步結果的時域波形及頻譜如下(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),經過低通濾波后,\(I\) 路雙邊幅度譜只剩零頻附近的五根譜線強度較大(\(0Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,\(Q\) 路雙邊幅度譜各譜線相對于 \(I\) 路而言都可忽略,
第三步以及第四步的時域波形及頻譜如下(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),計算所得包絡的雙邊幅度譜中,只剩零頻附近的五根譜線強度較大(\(0Hz\)、\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,進一步去除直流后,只剩下調制信號中的四根譜線(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,此時的時域波形就是 AM 相干解調的結果,
解調信號 \(\hat{m}(t)\) 與調制信號 \(m(t)\) 的對比效果如下:
解調信號與調制信號波形基本重回,計算誤差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0053\),更改相干載波的初始相位為 \({\phi_0}=\pi/4,\pi/2\),或者更改相干載波的中心頻率為 \(0.8f_c,1.2f_c\) 后,解調效果依然很好,說明這種方法具有較好的抗載頻失配能力,代碼詳見附錄 main_demodAM_example3.m
與 demod_am_method3.m
,
2.4 非相干解調(包絡檢波 - 希爾伯特變換法)
根據信號的希爾伯特變換,可以計算出 AM 信號的包絡,這種方法用 MATLAB 實作極為簡單,解調時無需任何載頻資訊:
-
第一步:計算 AM 信號的希爾伯特變換,得到一個復信號(實部為原 AM 信號,虛部為其希爾伯特變換結果),對所得復信號取模,即為 AM 信號的包絡,
-
第二步:去除直流分量(減去自身均值),
每一步結果的時域波形及頻譜如下(為了美觀,時域只顯示前 500 個點),希爾伯特變換所得包絡的雙邊幅度譜中有五根離散的譜線(\(0Hz\)、\({\pm}1250Hz\)、\({\pm}2500Hz\)),去除直流后,只剩下調制信號中的四根譜線(\({\pm}2500Hz\)、\({\pm}1250Hz\)),剩余譜線可忽略,此時的時域波形就是 AM 非相干解調的結果,
解調信號 \(\hat{m}(t)\) 與調制信號 \(m(t)\) 的對比效果如下:
解調信號與調制信號波形基本重回,計算誤差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0054\),代碼詳見附錄 main_demodAM_example4.m
與 demod_am_method4.m
,
3. AM 仿真(MATLAB Communications Toolbox)
MATLAB 的 Communications Toolbox 中提供了 AM 調制函式 ammod,高斯白噪聲函式 awgn,以及 AM 解調函式 amdemod,可以很方便地完成 AM 信號仿真,使用這三個函式實作上面 1.2 節中確知信號 \(m(t)\) 的 AM 調制解調,調制后加噪聲的效果如下:
解調效果如下:
解調信號與調制信號波形基本重回,計算誤差,有:\(\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i)-\hat{m}(t_i){\rvert}^2}}/\sqrt{\sum{{\lvert}m(t_i){\rvert}^2}}\approx0.0074\),代碼詳見附錄 main_CommAM_example.m
,
參考資料
[1] 樓才義,徐建良,楊小牛.軟體無線電原理與應用[M].電子工業出版社,2014.
[2] 樊昌信,曹麗娜.通信原理.第7版[M].國防工業出版社,2012.
[3] CSDN - 幅度調制AM,
[4] 知乎 - 什么是AM波的調制指數和傳輸效率?,
附錄代碼
附.1 檔案 mod_am.m
function [ sig_am ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t)
% MOD_AM AM 調幅
% 輸入引數:
% fc 載波中心頻率
% beta 調幅深度/調制指數
% fs 信號采樣率
% mt 調制信號
% t 采樣時間
% 輸出引數:
% sig_am 調幅(AM)實信號
% @author 木三百川
% 計算直流分量
A0 = max(abs(mt))/beta;
% 生成信號
ct = cos(2*pi*fc*t); % 載波信號
sig_am = (A0+mt).*ct; % AM調幅信號
% 繪圖
nfft = length(sig_am);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am));
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('調制信號m(t)');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(mt,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('調制信號m(t)雙邊幅度譜');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), ct(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('高頻載波c(t)');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(ct,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('高頻載波c(t)雙邊幅度譜');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_am(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM調幅信號s(t)');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM調幅信號s(t)雙邊幅度譜');
end
附.2 檔案 main_modAM_example1.m
clc;
clear;
close all;
% AM 調制仿真(調制信號為確知信號)
% @author 木三百川
% 調制引數
fm = 2500; % 調制信號引數
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為確知信號
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% AM 調制
[ sig_am ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);
附.3 檔案 main_modAM_example2.m
clc;
clear;
close all;
% AM 調制仿真(調制信號為隨機信號)
% @author 木三百川
% 調制引數
fH = 3000; % 基帶信號帶寬
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為隨機信號
mt = randn(size(t));
b = fir1(512, fH/(fs/2), 'low');
mt = filter(b,1,mt);
mt = mt - mean(mt);
% AM 調制
[ sig_am ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);
附.4 檔案 demod_am_method1.m
function [ sig_am_demod ] = demod_am_method1(sig_am_receive, fc, fs, t)
% DEMOD_AM_METHOD1 AM 非相干解調(包絡檢波)
% 輸入引數:
% sig_am_receive AM 接收信號,行向量
% fc 載波中心頻率
% fs 信號采樣率
% t 采樣時間
% 輸出引數:
% sig_am_demod 解調結果,與 sig_am_receive 等長
% @author 木三百川
% 第一步:全波整流
sig_am_abs = abs(sig_am_receive);
% 第二步:低通濾波(補零進行時延修正)
b = fir1(256, fc/(fs/2), 'low');
sig_am_lpf = filter(b,1,[sig_am_abs,zeros(1, fix(length(b)/2))]);
sig_am_lpf = sig_am_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);
% 第三步:去除直流分量
sig_am_demod = sig_am_lpf - mean(sig_am_lpf);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_abs);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_abs));
subplot(3,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_abs(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('全波整流結果');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_abs,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('全波整流結果雙邊幅度譜');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_am_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通濾波結果');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通濾波結果雙邊幅度譜');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('(去除直流)解調結果');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('(去除直流)解調結果雙邊幅度譜');
end
附.5 檔案 main_demodAM_example1.m
clc;
clear;
close all;
% AM 解調仿真(調制信號為確知信號,非相干解調/包絡檢波)
% @author 木三百川
% 調制引數
fm = 2500; % 調制信號引數
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為確知信號
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% AM 調制
[ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);
% 加噪聲
snr = 50; % 信噪比
sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');
% 非相干解調
[ sig_am_demod ] = demod_am_method1(sig_am_receive, fc, fs, t);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信號');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信號雙邊幅度譜');
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_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解調效果');
legend('調制信號','解調信號');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod));
fprintf('norm(調制信號 - %.2f * 解調信號)/norm(調制信號) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));
附.6 檔案 demod_am_method2.m
function [ sig_am_demod ] = demod_am_method2(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0)
% DEMOD_AM_METHOD2 AM 相干解調
% 輸入引數:
% sig_am_receive AM 接收信號,行向量
% fc 載波中心頻率
% fs 信號采樣率
% t 采樣時間
% phi0 相干載波初始相位
% 輸出引數:
% sig_am_demod 解調結果,與 sig_am_receive 等長
% @author 木三百川
% 第一步:乘以相干載波
ct = 2*cos(2*pi*fc*t+phi0);
sig_am_ct = sig_am_receive.*ct;
% 第二步:低通濾波(補零進行時延修正)
b = fir1(256, fc/(fs/2), 'low');
sig_am_lpf = filter(b,1,[sig_am_ct,zeros(1, fix(length(b)/2))]);
sig_am_lpf = sig_am_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);
% 第三步:去除直流分量
sig_am_demod = sig_am_lpf - mean(sig_am_lpf);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_ct);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_ct));
subplot(3,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_ct(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('乘以相干載波結果');
subplot(3,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_ct,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('乘以相干載波結果雙邊幅度譜');
subplot(3,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_am_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通濾波結果');
subplot(3,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通濾波結果雙邊幅度譜');
subplot(3,2,5);
plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('(去除直流)解調結果');
subplot(3,2,6);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('(去除直流)解調結果雙邊幅度譜');
end
附.7 檔案 main_demodAM_example2.m
clc;
clear;
close all;
% AM 解調仿真(調制信號為確知信號,相干解調)
% @author 木三百川
% 調制引數
fm = 2500; % 調制信號引數
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為確知信號
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% AM 調制
[ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);
% 加噪聲
snr = 50; % 信噪比
sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');
% 非相干解調
phi0 = 0; % 相干載波初相位
[ sig_am_demod ] = demod_am_method2(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信號');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信號雙邊幅度譜');
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_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解調效果');
legend('調制信號','解調信號');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod));
fprintf('norm(調制信號 - %.2f * 解調信號)/norm(調制信號) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));
附.8 檔案 demod_am_method3.m
function [ sig_am_demod ] = demod_am_method3(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0)
% DEMOD_AM_METHOD3 AM 數字正交解調/相干解調
% 輸入引數:
% sig_am_receive AM 接收信號,行向量
% fc 載波中心頻率
% fs 信號采樣率
% t 采樣時間
% phi0 相干載波初始相位
% 輸出引數:
% sig_am_demod 解調結果,與 sig_am_receive 等長
% @author 木三百川
% 第一步:乘以正交相干載波
sig_am_i = 2*sig_am_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0);
sig_am_q = -2*sig_am_receive.*sin(2*pi*fc*t+phi0);
% 第二步:低通濾波(補零進行時延修正)
b = fir1(256, fc/(fs/2), 'low');
sig_am_i_lpf = filter(b,1,[sig_am_i,zeros(1,fix(length(b)/2))]);
sig_am_q_lpf = filter(b,1,[sig_am_q,zeros(1,fix(length(b)/2))]);
sig_am_i_lpf = sig_am_i_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);
sig_am_q_lpf = sig_am_q_lpf(fix(length(b)/2)+1:end);
% 第三步:計算包絡
At = sqrt(sig_am_i_lpf.^2 + sig_am_q_lpf.^2);
% 第四步:去除直流分量
sig_am_demod = At - mean(At);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_receive));
subplot(2,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_i(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('乘以正交相干載波 I 路結果');
subplot(2,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_i,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('乘以正交相干載波 I 路結果雙邊幅度譜');
subplot(2,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_am_q(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('乘以正交相干載波 Q 路結果');
subplot(2,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_q,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('乘以正交相干載波 Q 路結果雙邊幅度譜');
figure;set(gcf,'color','w');
subplot(2,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_i_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通濾波 I 路結果');
subplot(2,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_i_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通濾波 I 路結果雙邊幅度譜');
subplot(2,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_am_q_lpf(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('低通濾波 Q 路結果');
subplot(2,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_q_lpf,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('低通濾波 Q 路結果雙邊幅度譜');
figure;set(gcf,'color','w');
subplot(2,2,1);
plot(t(1:plot_length), At(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('計算包絡結果');
subplot(2,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(At,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('計算包絡結果雙邊幅度譜');
subplot(2,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('(去除直流)解調結果');
subplot(2,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('(去除直流)解調結果雙邊幅度譜');
end
附.9 檔案 main_demodAM_example3.m
clc;
clear;
close all;
% AM 解調仿真(調制信號為確知信號,數字正交解調/相干解調)
% @author 木三百川
% 調制引數
fm = 2500; % 調制信號引數
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為確知信號
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% AM 調制
[ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);
% 加噪聲
snr = 50; % 信噪比
sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');
% 非相干解調
phi0 = 0; % 相干載波初相位
[ sig_am_demod ] = demod_am_method3(sig_am_receive, fc, fs, t, phi0);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信號');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信號雙邊幅度譜');
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_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解調效果');
legend('調制信號','解調信號');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod));
fprintf('norm(調制信號 - %.2f * 解調信號)/norm(調制信號) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));
附.10 檔案 demod_am_method4.m
function [ sig_am_demod ] = demod_am_method4(sig_am_receive, fs, t)
% DEMOD_AM_METHOD1 AM 非相干解調(包絡檢波,Hilbert變換計算包絡)
% 輸入引數:
% sig_am_receive AM 接收信號,行向量
% fs 信號采樣率
% t 采樣時間
% 輸出引數:
% sig_am_demod 解調結果,與 sig_am_receive 等長
% @author 木三百川
% 第一步:計算信號包絡
sig_am_envelope = abs(hilbert(sig_am_receive));
% 第二步:去除直流分量
sig_am_demod = sig_am_envelope - mean(sig_am_envelope);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_envelope);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_envelope));
subplot(2,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_envelope(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('Hilbert變換計算包絡結果');
subplot(2,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_envelope,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('Hilbert變換計算包絡結果雙邊幅度譜');
subplot(2,2,3);
plot(t(1:plot_length), sig_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('(去除直流)解調結果');
subplot(2,2,4);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_demod,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('(去除直流)解調結果雙邊幅度譜');
end
附.11 檔案 main_demodAM_example4.m
clc;
clear;
close all;
% AM 解調仿真(調制信號為確知信號,非相干解調,包絡檢波,Hilbert變換計算包絡)
% @author 木三百川
% 調制引數
fm = 2500; % 調制信號引數
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為確知信號
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% AM 調制
[ sig_am_send ] = mod_am(fc, beta, fs, mt, t);
% 加噪聲
snr = 50; % 信噪比
sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');
% 非相干解調
[ sig_am_demod ] = demod_am_method4(sig_am_receive, fs, t);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信號');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信號雙邊幅度譜');
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_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解調效果');
legend('調制信號','解調信號');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod));
fprintf('norm(調制信號 - %.2f * 解調信號)/norm(調制信號) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));
附.12 檔案 main_CommAM_example.m
clc;
clear;
close all;
% AM 調制解調仿真(使用Communications Toolbox工具箱)
% @author 木三百川
% 調制引數
fm = 2500; % 調制信號引數
beta = 0.8; % 調幅深度/調制指數
fc = 20000; % 載波頻率
fs = 8*fc; % 采樣率
total_time = 2; % 仿真時長,單位:秒
% 采樣時間
t = 0:1/fs:total_time-1/fs;
% 調制信號為確知信號
mt = sin(2*pi*fm*t)+cos(pi*fm*t);
% AM 調制
A0 = max(abs(mt))/beta;
ini_phase = 0;
sig_am_send = ammod(mt, fc, fs, ini_phase, A0);
% 加噪聲
snr = 50; % 信噪比
sig_am_receive = awgn(sig_am_send, snr, 'measured');
% AM 解調
[ sig_am_demod ] = amdemod(sig_am_receive, fc, fs, ini_phase, A0);
% 繪圖
nfft = length(sig_am_receive);
freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft);
figure;set(gcf,'color','w');
plot_length = min(500, length(sig_am_receive));
subplot(1,2,1);
plot(t(1:plot_length), sig_am_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('AM接收信號');
subplot(1,2,2);
plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_am_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]);
xlabel('頻率/hz');ylabel('幅度/dB');title('AM接收信號雙邊幅度譜');
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_am_demod(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]);
xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('解調效果');
legend('調制信號','解調信號');
coef = mean(abs(mt))/mean(abs(sig_am_demod));
fprintf('norm(調制信號 - %.2f * 解調信號)/norm(調制信號) = %.4f.\n', coef, norm(mt-coef*sig_am_demod)/norm(mt));
本文作者:木三百川
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