【调制解调】SSB 单边带调幅

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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。

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：

[H_{SSB}(omega)=H_{USB}(omega)= begin{cases} 1, & text {if ${lvert}{omega}{rvert} > omega_c$} \[1em] 0, & text {if ${lvert}{omega}{rvert} leq omega_c$} tag{1} end{cases} ]

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：

[H_{SSB}(omega)=H_{LSB}(omega)= begin{cases} 1, & text {if ${lvert}{omega}{rvert} < omega_c$} \[1em] 0, & text {if ${lvert}{omega}{rvert} geq omega_c$} tag{2} end{cases} ]

因此，SSB 信号的频谱表达式为：

[S_{SSB}(omega)=S_{DSB}(omega) cdot H(omega) tag{3} ]

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：

[m(t)=A_mcos(omega_mt) tag{4} ]

载波为：

[c(t)=cos(omega_ct) tag{5} ]

则 DSB 信号的时域表达式为：

[begin{aligned} s_{DSB}(t)&=A_mcos(omega_mt)cos(omega_ct) \[1em] &=frac{1}{2}A_mcosleft[(omega_c+omega_m)tright]+frac{1}{2}A_mcosleft[(omega_c-omega_m)tright] end{aligned} ]

保留上边带，则有：

[begin{aligned} s_{USB}(t)&=frac{1}{2}A_mcosleft[(omega_c+omega_m)tright] \[1em] &=frac{1}{2}A_mcos(omega_mt)cos(omega_ct)-frac{1}{2}A_msin(omega_mt)sin(omega_ct) end{aligned} tag{6} ]

保留下边带，则有：

[begin{aligned} s_{LSB}(t)&=frac{1}{2}A_mcosleft[(omega_c-omega_m)tright] \[1em] &=frac{1}{2}A_mcos(omega_mt)cos(omega_ct)+frac{1}{2}A_msin(omega_mt)sin(omega_ct) end{aligned} tag{7} ]

把上、下边带公式合并起来写，可以写成：

[s_{SSB}(t)=frac{1}{2}A_mcos(omega_mt)cos(omega_ct) mp frac{1}{2}A_msin(omega_mt)sin(omega_ct) tag{8} ]

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：

[A_mhat{cos}(omega_mt)=A_msin(omega_mt) ]

据此，式 ((8)) 可以改写为：

[s_{SSB}(t)=frac{1}{2}A_mcos(omega_mt)cos(omega_ct) mp frac{1}{2}A_mhat{cos}(omega_mt)sin(omega_ct) ]

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：

[s_{SSB}(t)=frac{1}{2}m(t)cos(omega_ct) mp frac{1}{2}hat{m}(t)sin(omega_ct) tag{9} ]

若 (M(omega)) 为 (m(t)) 的傅里叶变换，则 (hat{m}(t)) 的傅里叶变换为：

[hat{M}(omega)=M(omega) cdot H_h(omega)=M(omega) cdot left[-jsgn(omega)right] tag{10} ]

式中 (sgn(omega)) 为符号函数：

[sgn(omega)= begin{cases} 1, & text {if $omega > 0$} \[1em] 0, & text {if $omega = 0$} \[1em] -1, & text {if $omega < 0$} end{cases} ]

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：

[m(t) = sin(2{pi}{f_m}t)+cos({pi}{f_m}t) tag{11} ]

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)-khat{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)-khat{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：

[begin{aligned} s_{SSB}(t){cdot}cos{(omega_ct)}&={left[frac{1}{2}m(t)cos(omega_ct) mp frac{1}{2}hat{m}(t)sin(omega_ct)right]}{cdot}cos{(omega_ct)}\[1em] &=frac{1}{2}m(t)cos^2(omega_ct) mp frac{1}{2}hat{m}(t)sin(omega_ct)cos(omega_ct) \[1em] &=frac{1}{4}m(t)left[1+cos(2omega_ct)right] mp frac{1}{4}hat{m}(t)sin(2omega_ct) \[1em] &=frac{1}{4}m(t)+frac{1}{4}m(t)cos(2omega_ct) mp frac{1}{4}hat{m}(t)sin(2omega_ct) end{aligned} tag{12} ]

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)。

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 “(-)”）：

[hat{s}_{SSB}(t)=frac{1}{2}m(t)sin(omega_ct) pm frac{1}{2}hat{m}(t)cos(omega_ct) tag{13} ]

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：

[begin{aligned} m_o(t)&=s(t)cos(omega_ct)+hat{s}(t)sin(omega_ct) \[1em] &=left[frac{1}{2}m(t)cos(omega_ct) mp frac{1}{2}hat{m}(t)sin(omega_ct)right] cdot cos(omega_ct)\[1em] &quadquad+left[frac{1}{2}m(t)sin(omega_ct) pm frac{1}{2}hat{m}(t)cos(omega_ct)right] cdot sin(omega_ct)\[1em] &=frac{1}{2}m(t)cos^2(omega_ct)+frac{1}{2}m(t)sin^2(omega_ct)\[1em] &=frac{1}{2}m(t) end{aligned} tag{14} ]

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)+2hat{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？。

[7] 知乎 - matlab希尔伯特变换实现(Hilbert transfrom)。

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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