SSB调制解调与仿真
目录
摘要 (1)
第1章设计意义及要求 (2)
1.1 设计意义 (2)
1.2 设计要求 (2)
第二章、SSB调制与解调的基本原理 (3)
2.1：软件简介 (3)
2.2、幅度调制的原理 (3)
2.3边带调制 (4)
2.4单边带调制 (5)
2.5相干解调 (7)
2.6调制的意义 (8)
第三章、单边带调制与解调电路设计 (9)
3.1、SSB电路的设计过程 (9)
3.3、切比雪夫型带通滤波器 (11)
3.4、二阶有源滤波电路 (12)
SSB总电路 (15)
3.5.1信号源 (15)
第四章总结 (16)
参考文献 (17)
摘要
本文介绍了SSB信号的调制与解调的仿真分析。单边带SSB节约频带，节省功率，具有较高的保密性，因此，国内外使用的短波电台均为单边带电台。本课程设计就是产生单边带并进行解调。使用乘法器生产DSB信号，然后经过带通滤波器进行滤波生成SSB信号，再通过同步检波进行解调。通过输入检测信号进行检测，设计的电路可以完成单边带的调制和解调。
关键字：单边带、滤波器、调制、解调、仿真
第1章设计意义及要求
1.1 设计意义
随着通信业务的不断发展，频道拥挤的问题日益突出，占用较窄频带或能在同一频段内容纳更多用户的通信技术日渐受到了人们的重视。本次课设的目的是通过学习和掌握电路设计于仿真软件的基础上，按照要求设计一个普通调幅的调制解调电路并进行仿真，综合应用所学知识，为今后的学习和工作积累经验。此外，该题目涵盖了《通信原理》、《电路分析》、《模拟电子》、《通信电子线路》等主要课程的知识点，学生通过该题目的设计过程，可以初步掌握各种元器件工作原理和电路设计、开发原理，得到系统的训练，提高解决实际问题的能力。实现SSB的调制解调系统的设计与仿真。单边带幅度调制（Single Side Band Amplitude Modulation）只传输频带幅度调制信号的一个边带，使用的带宽只有双边带调制信号的一半，具有更高的频率利用率，成为一种广泛使用的调制方式。本文在介绍单边带调制与解调的方法后，利用Multisim对单边带调制与解调系统进行了仿真。
1.2 设计要求
学习掌握SSB调幅的调制和解调电路原理，包括：SSB调幅调制电路的分析；调制电路的分析；学习和初步掌握电路设计仿真软件包括：原理图设计的基本操作；电路仿真的基本操作；设计一个SSB调幅电路并仿真，绘制其电路图；包括:SSB调幅调制及解调电路的设计；电路仿真及结果分析；
第二章 、SSB 调制与解调的基本原理
2.1：软件简介
MUltisim 软件前身是加拿大IIT 公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件EWB （Electronics Workbench ）,后来，EWB 将原先版本中的仿真设计更名为multisim ，2005年之后，加拿大IIT 公司隶属于美国国家仪器公司（National Instrument ，简称NI 公司），美国NI 公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美国NI 公司推出的multisim10。包含了电路原理图的图形输入、电路的硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真能力。它具有更形象直观的人机交互界面，并且提供了更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法。完全满足电路的各种仿真需要。
Multisim 软件是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件，其基本元件的数学模型是基于Spice 版本，但增加了大量的VHDL 元件模型，可以仿真更复杂的数学元器件，另外解决了Spice 模型对高频仿真不精确的问题。Multisim 在保留了EWB 形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应得元件模型，使得仿真设计的结果更加精确、更可靠、更具有实用性。
2：Multisim 的特点
1：可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器； 2：所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的电路上；
3：所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析； 2.2、幅度调制的原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，是指随调制信号做线性变化的过程。设正弦载波为
)sin()(0?+=t w A t C C （2-1）
式中：A 为载波幅度；
为载波角频率；
为载波初始相位。
根据调制定义，幅度调制信号一般可表示成
t w t Am t S C M cos )()(= （2-2）
式中：m(t)为基带调制信号。
设调制信号m(t)
的频率
，则由式（2.1
）不难得到已调信号的频谱
：
)]()([2
)(c c m w w w w M A
w S -++=
（2-3）
由以上表示式可见，在波形上，幅度已调信号，它的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单的搬移。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程 。
2.3边带调制
在AM 信号中，载波分量并不携带信息，信息完全有边带传送。如果在AM 调制模型中将直流分量去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式—抑制载波双边带信号（DSB-SC ），简称双边带信号（DSB ），其时域表示式为
t w t m t S c D SB cos )()(= (2-4)
式中，假设m(t)的平均值为0。DSB 的频谱与AM 的频谱相近，只是没有了在处的φ函数，即
)]()([2
1
)(c c DSB w w w w M w S -++= (2-5)
与AM 信号比较，因为不存在载波分量，DSB 信号的调制效率是100％，即全部功率都用于信息传输。但由于DSB 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络来恢复调制信号。DSB 信号解调时需采用想干解调，也称同步检波。
图1 AM 信号的数学模型
图2 DSB调制器模型
DSB调制过程的波形及频谱
2.4单边带调制
单边带调制（SSB）信号时将双边带信号中断一个边带滤掉二形成的。根据滤除方法的不同，产生SSB信号的方法有：滤波法和相依法。
2.4.1滤波法即SSB信号的频域表示
单边带信号的频谱
产生SSB 信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其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。我们把这种方法称为滤波法，他是最简单也是最常用的方法。Ｈ（）为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：
{
c c c w w w w w
w w USB w H w H ><>>=
=,,1,0,)()( (2-6)
则可以滤除下边带,保留上边带(USB):否则可以滤除上边带,保留下边带(LSB).
因此,SSB 信号的频谱可以表示为
)(*)()(w H w S w S D SB SSB = (2-7)
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(2-6)或（2-7）所描述的理想特性，即在载频处不具有陡峭的截止特性，而是有一定的过渡带。
形成SSB 信号的滤波特性
2.5相干解调
相干解调器的数学模型
相干解调也是同步检波。解调与调制的是指一样，军事频谱搬移。调制是把基带信号的频谱搬移到了载频的位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。解调则调制的反过程，即把在载频的位置的已调信号的频谱搬移回到原来原始基带位置，因此同样可以用相乘器的一般模型。
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（称为想干载波），它与接收的已调喜欢相乘后，经低通滤波器取出低频风量，即可得到原始的基带调制信号。 相干解调器适用于所有线性调制信号的解调。送入解调器的已调信号的一般表达式为
t w t S t w t S t S c Q c m sin )(cos )()(1+= （2-8）
与同频同相的相干载波c 相乘后，得到
t w t S t S c m P cos )()(= （2-9）
t w t S t w t S t S c Q c 2sin )(2
1
)(2cos )(21)(2111++=
（2-10） 经低通滤波器（LPF ）后，得到
)
(2
1
)(1t S t S d = （2-11）
由此可见，相干解调适用与所有线性调制信号的解调，即对于AM 、DSB 、
SSB 、和ＶＳＢ都是适用的。只是ＡＭ信号的解调结果中含有直流成分，这时
在解调后加上一个简单隔直流电容即可。
从以上分析可知，实现相干解调的关键是接受端要提供一个与载波信号严格同步的想干载波。否则，相干解调后将会是原始信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号是尤为严重。 2.6调制的意义
在现实的环境中，我们所得到的一般信号振幅，频率都比较低，不能满足远距离，高清度的传输要求，必须将信号采用高频载波调制传输。我们在实际的生活中要将声音，图像，语言，文字等这些采集的低频信号进行远距离的传输是不理性的信号。由于要传输的基于低频范围，如果信号直接发射出去，需要的发射和接受天线尺寸太大，辐射效率太低，不易实现。我们知道，天线如果要想有效的辐射，需要天线的尺寸l 与信号的波长v 可以比拟。即使天线的尺寸为波长的十分之一，即l=v/10，对于频率为10kHz 的信号，需要的天线长度为3Km ，这样长的天线几乎是无法实现的。若将信号调制到10MHz 的载波频率上，需要的天线长度仅为3m ，这样的天线尺寸小，实现起来也比较容易。
如果要传输多个信号而不进行调制，那么它们在空中就会混在一起，相互干扰，接受断就无法将这些信息选择区分开来。若将不同的信息调制道不同但能区分开的高频载波上，就可以实现多路复用，提高频带的利用率。实际上，采用特殊的措施，如正交频分复用（OFDM ）等技术，换可以进一步提高频带利用率。 此外，更高的频段，可用的频带更宽，可以传输更多的信息或容纳更多的用户，频带 c w BW =利用率也更高
第三章、单边带调制与解调电路设计
3.1、SSB 电路的设计过程
产生SSB 信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其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。
)()()(1t S t m t S SSB ?= （3-1）
3.2、带通滤波器
图3 滤波法产生SSB 的多级频率搬移过程
由ＳＳＢ的分析原理我们知道，当载波信号
t
t m 310102cos )(??=π （3-2）
与调制信号
t t S 31101002cos )(??=π （3-3）
相乘以后产生了相同的上下两个边带
310)10100(2?±=πw （3-4）
如图4，
图4
为了节约带宽我们取下边带
3
w（3-5）
=π
2?
10
10
如图5
我们采用切比雪夫型带通滤波器如图6
?
图6切比雪夫带通滤波器
3.3、切比雪夫型带通滤波器
如图7
图7 通过带通滤波器与双边带的信号
通过带通滤波器与双边带的信号。
低通滤波器是通过从零到某一截止角频率的低频信号，而对大于的所有频率
则完全衰减，因此其带宽
c
w BW = （3-6）
3.4、二阶有源滤波电路
集成运放在有源RC 滤波电路中作为高增益有源器件使用时，可组成无限增益多反馈环形有源滤波电路，而当作为有限增益有源器件使用时，则可组成所谓言控电压源滤波电路VCVS 。
二阶压控电压源的通滤波电路如图8所示。
图8二阶有源滤波器
由图可见，他是有两节RC 滤波电路和同相比列放大电路组成，其中同相比列放大电路实际上就是所谓的压控电压源。其特点是，输入阻抗高，输出阻抗低。
前一指出，同相李烈放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即
101R R A A f
VF +
== （3-7）
（1） 传递函数
考虑到集成运放的同相输入端电压为
VF P A s V S V )
()(0=
（3-8）
与
的关系为
SRC
S V s V A P +=
1)
()( （3-9）
对于节点A ，引用KCL 可得
2
2
2
)(n
n n VF w s Q
w s
W A S A ++=
（3-10）
其中
RC
w n
1
=
（3-11）
VF
A Q -=
31
（3-12）
式（3.10
）为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。其中
=为特征角频
率，而Q 则称为等效品质因数。是 （3.10）表明，
30<=VF A A （3-13）
才能稳定的工作。当
30>=VF A A （3-14）
时，A(s)将有极点处于右半s 平面或虚轴上，电路将自激振荡。
幅频相应
用s=j 代入式（3-10），可得幅频相应和相频相应的表达式，分别为
)()](
1[1
)
(200
n
n g
w w
w w A jw A l +-=
（3-15）
2
)
(1)
(arct an )(n
nQ w w w w
w --=? （3-16）
式（3-15）表明，当时，
当
时，
。显然，这是低通滤波电路的特性。由式 （3.15）
可得出不同Q 值下的幅频相应，当Q=0.707时有最佳滤波特性。这表明二阶比一阶低通滤波电路低滤波效果好得多。当进一步增加滤波电路的接数，其幅频响应就更接进里想特性。如图9
图9解调信号与原始信号
得到的解调信号与原始信号。 计算过程如下； 由式
（3.4-5）
=，设c=10nF,且
，则R=1.6k 。
设Q=0.707 （3-18）
由式（3-12）和（3-8）可得到
SSB总电路
3.5.1信号源
载波：0.2V，100kHz, 正弦型
调制：5V，10kHz, 正弦型
带通滤波器：4阶切比雪夫型
低通滤波器：二阶有源滤波器型
第四章总结
在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我们没有经验，理论基础知识掌握得不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，拖了好久，同学在这方面的知识比较缺乏，幸好得到了王老师的指点，找到了方法，把问题解决了。还有一些问题在同学的帮助下逐步解决了。这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！
本次的课程设计，培养了我通信电子线路课程及其他课程的理论知识和理论联系实际，应用生产实际知识解决工程实际问题的能力；在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。但是由于水平有限，难免会有错误。还望老师批评指正。
参考文献
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