【调制解调】DSB 双边带调幅

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 DSB 双边带调幅信号的调制与解调，内附全套 MATLAB 代码。

目录

• 说明
• 1. DSB 调制算法
  • 1.1 算法描述
  • 1.2 DSB 信号调制示例
• 2. DSB 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
• 3. DSB 仿真（MATLAB Communications Toolbox）
• 参考资料
• 附录代码
  • 附.1 文件 mod_dsb.m
  • 附.2 文件 main_modDSB_example.m
  • 附.3 文件 demod_dsb_method1.m
  • 附.4 文件 main_demodDSB_example1.m
  • 附.5 文件 lpf_filter.m
  • 附.6 文件 demod_dsb_method2.m
  • 附.7 文件 main_demodDSB_example2.m
  • 附.8 文件 demod_dsb_method3.m
  • 附.9 文件 main_demodDSB_example3.m
  • 附.10 文件 main_CommDSB_example.m

1. DSB 调制算法

1.1 算法描述

在 AM 调幅信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果在 AM 调制模型中将直流 (A_0) 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, Double Side Band with Suppressed Carrier），简称双边带信号（DSB），其时域表达式为：

[s_{DSB}(t)=m(t)cos{omega_ct} tag{1} ]

式中：(m(t)) 是调制信号（携带要发出去的信息），它可以是确知信号，也可以是随机信号，其均值通常为 0；(cos{omega_ct}) 是载波，(omega_c) 是载波角频率，与载波频率 (f_c) 之间的关系为 (omega_c=2{pi}f_c)。DSB 的频谱与 AM 频谱相近，只是没有了在 (pmomega_c) 处的 (delta) 函数，对式 ((1)) 进行傅里叶变换，得到 DSB 信号的频谱（幅度谱）表达式：

[S_{DSB}(omega)=frac{1}{2}left[M(omega+omega_c)+M(omega-omega_c)right] tag{2} ]

式中，(M(omega)) 是调制信号 (m(t)) 的频谱。DSB 信号的特性如下：

• DSB 信号的频谱由上边带与下边带两部分组成，不存在载波分量，它的带宽仍是基带信号（调制信号）带宽 (f_H) 的 2 倍，即 (B_{DSB}=2f_{H})，与 AM 信号带宽相同。

  

• 由于不存在载波分量，有用功率 (P_s) 就是信号总功率 (P_{DSB})，即 (P_s=P_{DSB})，全部功率都用于信息传输，调制效率 ({eta_{DSB}}=100%)。

1.2 DSB 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：

[m(t) = sin(2{pi}{f_m}t)+cos({pi}{f_m}t) tag{3} ]

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)。DSB 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)），载波 (c(t)) 的双边幅度谱有两根离散谱线（({pm}20000Hz)），DSB 信号有八根离散谱线（(pm17500Hz)、(pm18750Hz)、(pm21250Hz)、(pm22500Hz)），代码详见附录 main_modDSB_example.m 与 mod_dsb.m。

2. DSB 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）。DSB 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。下面介绍三种解调方法并对 1.2 节中的 DSB 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：

[s_{DSB}(t)+{A_0}cos{omega_ct}=left[A_0+m(t)right]cos{omega_ct} tag{4} ]

其中 (A_0 geq {lvert}{m(t)}{rvert}_{max})，这样就得到了一个 AM 信号，使用 AM 解调器进行解调即可，步骤如下：

1. 第一步：加上载波 ({A_0}cos{omega_ct})，其中 (A_0 geq {lvert}{m(t)}{rvert}_{max})，获得 AM 信号。
2. 第二步：使用 AM 解调器进行解调。

对 1.2 节中的 DSB 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)。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。

代码详见 demod_dsb_method1.m 和 main_demodDSB_example1.m。AM 解调器详见本人同系列博客 【调制解调】AM 调幅。

2.2 相干解调（同步检测）

将 DSB 信号与同频同相的相干载波相乘，得到：

[begin{aligned} s_{DSB}(t){cdot}cos{(omega_ct)}&=m(t)cos{(omega_ct)}{cdot}cos{(omega_ct)}\[1em] &=frac{1}{2}m(t)+frac{1}{2}m(t)cos(2omega_ct) end{aligned} tag{5} ]

然后通过一个低通滤波器即可获得解调结果，步骤如下：

1. 第一步：乘以相干载波（即乘以 (2cos({omega_ct}+{phi_0}))，前面的 2 被用来做幅度补偿。
2. 第二步：低通滤波器滤除高频载波，滤除 (2{omega}_c)。

对 1.2 节中的 DSB 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}}approx0.0016)。更改相干载波的初始相位为 ({phi_0}=pi/4,pi/2) 后，解调幅值发生失真，当与真实相位相差 (pi/2) 时幅值失真最大；但更改相干载波的中心频率为 (0.8f_c,1.2f_c) 后，解调效果变得很差，波形完全失真，说明这种方法对相干载波同频同相的要求也较高。

代码详见 lpf_filter.m、demod_dsb_method2.m 和 main_demodDSB_example2.m。

2.3 数字正交解调

DSB 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：

1. 第一步：乘以正交相干载波得到 ({s_I}(t)) 与 ({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 被用来做幅度补偿。
2. 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 1.2 节中的 DSB 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}}approx0.0016)。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。

代码详见 lpf_filter.m、demod_dsb_method3.m 和 main_demodDSB_example3.m。

3. DSB 仿真（MATLAB Communications Toolbox）

MATLAB 的 Communications Toolbox 中提供了 AM 调制函数 ammod，高斯白噪声函数 awgn，以及 AM 解调函数 amdemod，可以很方便地完成 DSB 信号仿真，设置 ammod 与 amdemod 的输入参数 carramp = 0 即为 DSB 的调制与解调（carramp 参数的默认值就是 0，不显式设定这个参数也可以）。使用这三个函数实现上面 1.2 节中确知信号 (m(t)) 的 DSB 调制解调，调制后加噪声的效果如下：

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}}approx0.0025)。代码详见附录 main_CommDSB_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。

附录代码

附.1 文件 mod_dsb.m

function [ sig_dsb ] = mod_dsb(fc, fs, mt, t) % MOD_DSB        DSB 双边带调幅 % 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_dsb DSB 双边带调幅实信号 % @author 木三百川  % 生成信号 ct = cos(2*pi*fc*t);   sig_dsb = mt.*ct;   % DSB 双边带调幅信号  % 绘图 nfft = length(sig_dsb); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_dsb)); 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), ct(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('载波c(t)'); subplot(3,2,4); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(ct,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('载波c(t)双边幅度谱');  subplot(3,2,5); 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(3,2,6); 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');  end 

附.2 文件 main_modDSB_example.m

clc; clear; close all; % DSB 调制仿真(调制信号为确知信号) % @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);  % DSB 调制 [ sig_dsb ] = mod_dsb(fc, fs, mt, t); 

附.3 文件 demod_dsb_method1.m

function [ sig_dsb_demod ] = demod_dsb_method1(sig_dsb_receive, fc, fs, t, phi0) % DEMOD_DSB_METHOD1        DSB 插入载波包络检波法 % 输入参数： %       sig_dsb_receive     DSB 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_dsb_demod       解调结果，与 sig_dsb_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：插入载波 A0 = max(abs(sig_dsb_receive))/0.8; sig_dsb2am = sig_dsb_receive + A0*cos(2*pi*fc*t+phi0);  % 第二步：使用 AM 解调器进行解调 [ sig_dsb_demod ] = demod_am_method4(sig_dsb2am, fs, t);  end 

附.4 文件 main_demodDSB_example1.m

clc; clear; close all; % DSB 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);  % DSB 调制 [ sig_dsb_send ] = mod_dsb(fc, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_dsb_receive = awgn(sig_dsb_send, snr, 'measured');  % 插入载波包络检波法 phi0 = 0; [ sig_dsb_demod ] = demod_dsb_method1(sig_dsb_receive, fc, fs, t, phi0);  % 绘图 nfft = length(sig_dsb_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_dsb_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_dsb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('DSB接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_dsb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('DSB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_dsb_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_dsb_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_dsb_demod)/norm(mt)); 

附.5 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.6 文件 demod_dsb_method2.m

function [ sig_dsb_demod ] = demod_dsb_method2(sig_dsb_receive, fc, fs, t, phi0) % DEMOD_DSB_METHOD2        DSB 相干解调（同步检测） % 输入参数： %       sig_dsb_receive     DSB 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_dsb_demod       解调结果，与 sig_dsb_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：乘以相干载波 sig_dsbct = 2*sig_dsb_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0);  % 第二步：低通滤波 sig_dsb_demod = lpf_filter(sig_dsbct, fc/(fs/2));  end 

附.7 文件 main_demodDSB_example2.m

clc; clear; close all; % DSB 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);  % DSB 调制 [ sig_dsb_send ] = mod_dsb(fc, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_dsb_receive = awgn(sig_dsb_send, snr, 'measured');  % 相干解调（同步检测） phi0 = 0; [ sig_dsb_demod ] = demod_dsb_method2(sig_dsb_receive, fc, fs, t, phi0);  % 绘图 nfft = length(sig_dsb_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_dsb_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_dsb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('DSB接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_dsb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('DSB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_dsb_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_dsb_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_dsb_demod)/norm(mt)); 

附.8 文件 demod_dsb_method3.m

function [ sig_dsb_demod ] = demod_dsb_method3(sig_dsb_receive, fc, fs, t, phi0) % DEMOD_DSB_METHOD3        DSB 数字正交解调，与相干解调（同步检测）是等效的 % 输入参数： %       sig_dsb_receive     DSB 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_dsb_demod       解调结果，与 sig_dsb_receive 等长 % @author 木三百川  % 第一步：乘以正交相干载波 sig_dsb_i = 2*sig_dsb_receive.*cos(2*pi*fc*t+phi0); sig_dsb_q = -2*sig_dsb_receive.*sin(2*pi*fc*t+phi0);  % 第二步：低通滤波 sig_dsb_i_lpf = lpf_filter(sig_dsb_i, fc/(fs/2)); sig_dsb_q_lpf = lpf_filter(sig_dsb_q, fc/(fs/2)); sig_dsb_demod = sig_dsb_i_lpf;  end 

附.9 文件 main_demodDSB_example3.m

clc; clear; close all; % DSB 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);  % DSB 调制 [ sig_dsb_send ] = mod_dsb(fc, fs, mt, t);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_dsb_receive = awgn(sig_dsb_send, snr, 'measured');  % 数字正交解调 phi0 = 0; [ sig_dsb_demod ] = demod_dsb_method3(sig_dsb_receive, fc, fs, t, phi0);  % 绘图 nfft = length(sig_dsb_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_dsb_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_dsb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('DSB接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_dsb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('DSB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_dsb_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_dsb_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_dsb_demod)/norm(mt)); 

附.10 文件 main_CommDSB_example.m

clc; clear; close all; % DSB 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);  % DSB 调制 ini_phase = 0; sig_dsb_send = ammod(mt, fc, fs, ini_phase);  % 加噪声 snr = 50;               % 信噪比 sig_dsb_receive = awgn(sig_dsb_send, snr, 'measured');  % DSB 解调 [ sig_dsb_demod ] = amdemod(sig_dsb_receive, fc, fs, ini_phase);  % 绘图 nfft = length(sig_dsb_receive); freq = (-nfft/2:nfft/2-1).'*(fs/nfft); figure;set(gcf,'color','w'); plot_length = min(500, length(sig_dsb_receive)); subplot(1,2,1); plot(t(1:plot_length), sig_dsb_receive(1:plot_length));xlim([t(1),t(plot_length)]); xlabel('t/s');ylabel('幅度');title('DSB接收信号'); subplot(1,2,2); plot(freq, 10*log10(fftshift(abs(fft(sig_dsb_receive,nfft)/nfft))+eps));xlim([freq(1),freq(end)]); xlabel('频率/hz');ylabel('幅度/dB');title('DSB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_dsb_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_dsb_demod)); fprintf('norm(调制信号 - %.2f * 解调信号)/norm(调制信号) = %.4f.n', coef, norm(mt-coef*sig_dsb_demod)/norm(mt));