基于MATLAB的模拟信号频率调制FM与解调分析概要.docx
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基于MATLAB的模拟信号频率调制FM与解调分析概要
课程设计任务书
学生姓名:
杨刚专业班级:
电信1302
指导教师:
工作单位:
武汉理工大学
题目:
信号分析处理课程设计
-基于MATLAB的模拟信号频率调制(FM)与解调分析
初始条件:
1.Matlab6.5以上版本软件;
2.先修课程:
通信原理等;
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
1、利用MATLAB中的simulink工具箱中的模块进行模拟频率(FM)调制与解调,观察波形变化
2、画出程序设计框图,编写程序代码,上机运行调试程序,记录实验结果(含计算结果和图表等),并对实验结果进行分析和总结;
3、课程设计说明书按学校统一规范来撰写,具体包括:
⑴目录;⑵理论分析;
⑶程序设计;⑷程序运行结果及图表分析和总结;
⑸课程设计的心得体会(至少800字,必须手写。
);
⑹参考文献(不少于5篇)。
时间安排:
周一、周二查阅资料,了解设计内容;
周三、周四程序设计,上机调试程序;
周五、整理实验结果,撰写课程设计说明书。
指导教师签名:
2013年7月2日
系主任(或责任教师)签名:
2013年7月2日
目录
1Simulink简介1
1.1Matlab简介1
1.2Simulink介绍1
2原理分析3
2.1通信系统3
2.1.1通信系统的一般模型1
2.1.2模拟通信系统3
2.2FM调制与解调原理4
3基于Matlab方案设计6
3.1Matlab代码6
3.2Matlab仿真8
4基于Simulink方案设计12
4.1使用Simulink建模和仿真的过程12
4.1.1Simulink模块库简介12
4.1.2调制解调模块库简介13
4.2FM调制与解调电路及仿真14
4.3仿真结果分析17
5心得体会18
6参考文献20
本科生课程设计评定表
1Simulink简介
Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulink作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具,目前已被越来越多的工程技术人员所青睐,它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观,而且已经在各个领域得到了广泛的应用。
本课题主要是以simulink为基础平台,对FM信号的调制与解调进行分析。
1.1Matlab简介
Matlab是Matrix Laboratory的缩写,意为矩阵实验室。
它具有强大的矩阵处理功能和绘图功能,进还能进行文字处理,绘图,建模仿真等功能。
Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括Matlab和Simulink两大部分。
Matlab已经发展成为多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。
Matlab的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用Matlab来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且Matlab也吸收了像Maple等软件的优点,使Matlab成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到Matlab函数库中方便自己以后调用,此外许多的Matlab爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。
Matlab的帮助功能很强大,自带有详细的帮助手册,基于HTML的完整的帮助功能,也可以用help命令来得到帮助信息。
程序语法与C语言类似,设计自由度大,方便我们编程。
Matlab有高级的程序环境,但程序环境很简单易用。
Matlab源程序具有很大的开放性。
Matlab有强大的的图形绘制功能。
Matlab还拥有功能强大的各种工具箱。
这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的,所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序,而直接进行高,精,尖的研究,能极大地促进我们的学习研究工作。
1.2Simulink介绍
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink框图提供了交互性很强的仿真环境,既可以通过下拉菜单执行仿真,也可以通过命令行进行仿真。
菜单方式对于交互工作非常方便,而命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。
Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能:
采用Matlab、FORTRAN和C代码生成自定义模块库,并拥有自己的图标和界面。
因此用户可以将使用FORTRAN或C编写的代码链接进来,或者购买使用第三方开发提供的模块库进行更高级的系统设计、仿真与分析。
从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的,通过系统的仿真与分析可以看出Simulink在系统建模和仿真中的巨大优势,是学习、研究和设计通信系统强有力的工具。
Simulink可以直接利用Matlab的诸多资源与功能,Simulink具有以下特点:
基于矩阵的数值计算,高级编程语言,图形与可视化。
利用可视化仿真工具Simulink对通信系统进行了仿真分析的技术路线分为:
对仿真数学模型的有效性验证;对通信系统仿真模型(程序)的验证;对仿真算法的验证;对仿真结果置信度分析。
2原理分析
2.2FM调制与解调原理
频率调制又称调频(FM),它是高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化,而振幅保持恒定的一种调制方式。
相位调制或调相(PM)是使高频振荡的相位按调制信号的规律变化,而振幅保持不变的一种调制方式。
由于频率与相位间存在微分与积分的关系,故调频与调相之间存在着密切的关系,即调频必调相,调相必调频。
因此,调频和调相统称为角(度)调(制)。
若只给一个波形或表达式是无法确定调制方式是调频还是调相的。
设载波信号为
调制信号为
调频信号的一般表达式为
调相信号的一般表达式为
以单音调制为例,对于调频信号而言,它的瞬时角频率、瞬时相位分别为:
式中
为调频指数。
因而,调频波的表达式为
为等幅疏密波,疏密的变化与调制信号有关,调制信号寄托于等幅波的疏密之中或单位时间内过零点的数目之中。
调频信号的参数主要有:
(1)最大角频偏
它是瞬时角频率
的最大值;最大频偏
是瞬时频偏
的最大值。
或
反映了频率受调制的程度,是衡量调频质量的重要指标。
或
与
和
成正比,与调制信号频率
无关。
FM波瞬时频率变化范围为
~
,最大变化量为
。
(2)调制系数(调制灵敏度)
它表示
对瞬时(角)频率的控制能力,是产生FM信号电路的重要参数。
(3)调频指数
它是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移量。
但
与F成反比。
可以大于1,而且常常远远大于1。
FM信号的频谱有如下特点:
(1)以载频
为中心,由无穷多对以调制信号频率F为间隔的边频分量组成,各分量幅值取决于Bessel函数,且以
对称分布;
(2)载波分量并不总是最大,有时为零;
(3)FM信号的功率大部分集中在载频附近;
(4)频谱结构与F密切相关;
调频波解调又称鉴频,其中一种方法为将输入调频信号进行特定波形变换,使变换后波形包含反映瞬时频率变化的平均分量。
然后通过低通滤波器就能输出所需的解调电压。
3基于Matlab方案设计
3.1Matlab代码
t0=0.2;
tz=0.0001;%设定时间步长
fz=1/tz;%设定抽样频率
t=[-t0:
tz:
t0];%产生时间向量
kf=100;%设定调频指数
fc=1000;%设定载波频率
%kd=0.5;%设定鉴频增益/鉴频器灵敏度
df=0.05;%设定分辨率
m_fun=cos(400*pi*t);
int_m
(1)=0;%对m_fun积分
fori=1:
length(t)-1
int_m(i+1)=int_m(i)+m_fun(i)*tz;
end
x=cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m);%调制信号
y=m_fun.*kf;%解调信号
[M,m_fun,df1]=fftseq(m_fun,tz,df);%对原始信号快速傅里叶变换
M=M/fz;
f=[0:
df1:
df1*(length(m_fun)-1)]-fz/2;
[X,x,df1]=fftseq(x,tz,df);%对已调信号快速傅里叶变换
X=X/fz;
[Y,y,df1]=fftseq(y,tz,df);%对解调信号快速傅里叶变换
Y=Y/fz;
figure
(1);%生成原始信号的时域图形
plot(t,m_fun(1:
length(t)),'linewidth',3);
axis([-0.010.01-1.51.5]);
title('原始信号的时域图形');
xlabel('时间');
legend('m(t)')
figure
(2);%生成原始信号的频域图形
plot(f,abs(fftshift(M)),'linewidth',3);
axis([-400400-0.010.1]);
title('原始信号的频域图形');
xlabel('频率');
legend('M(f)');
figure(3);%生成已调信号的时域图形
plot(t,x(1:
length(t)),'linewidth',3);
axis([-0.0150.015-1.51.5]);
title('已调信号的时域图形');
xlabel('时间');
legend('x(t)');
figure(4);%生成已调信号的频域图形
plot(f,abs(fftshift(X)),'linewidth',3);
axis([-1500150000.1]);
title('已调信号的频域图形');
xlabel('频率');
legend('X(f)');
figure(5);%生成解调信号的时域图形
plot(t,y(1:
length(t)),'linewidth',3);
axis([-0.010.01-100100]);
title('解调信号的时域图形');
xlabel('时间');
legend('y(t)');
figure(6);%生成解调信号的频域图形
plot(f,abs(fftshift(Y)),'linewidth',3);
axis([-600600-0.00015]);
title('解调信号的频域图形');
xlabel('频率');
legend('Y(f)');
3.2Matlab仿真
根据上述实验代码在Matlab中运行后可得如下所示图形:
原始信号的时域图形如图3-1所示:
图3-1原始信号的时域图形
原始信号的频域图形如图3-2所示:
图3-2原始信号的频域图形
已调信号的时域图形如图3-3所示:
图3-3已调信号的时域图形
已调信号的频域图形如图3-4所示:
图3-4已调信号的频域图形
解调信号的时域图形如图3-5所示:
图3-5解调信号的时域图形
解调信号的频域图形如图3-6所示:
图3-6解调信号的频域图形
4基于Simulink方案设计
启动Matlab后,在命令窗口中输入命令“simulink”或单击Matlab工具栏上的simulink图标,打开simulink模块库窗口(使用命令‘simulink3’可以打开老版本的simulink模块库界面)。
典型的Simulink模块包括三个部分:
输入模块、状态模块、输出模块。
4.1使用Simulink建模和仿真的过程
4.1.1Simulink模块库简介
(1)Continuous(连续模块)库
(2)Discrete(离散模块)库
(3)函数与表格模块库
(4)Math(数学模块)库
(5)Sinks(信号输出模块)库:
常用模块为Scope(示波器模块)、XYGraph(二维信号显示模块)、Display(显示模块)
(6)Sources(信号源模块)库(如图4-1所示),常见模块有:
Constant(输入常数模块)、SignalGenerator(信号源发生器模块)。
SignalGenerator用于产生不同的信号波形,其中包括:
正弦波、方波、锯齿波信号。
Sources(信号源模块)还包括其它常用模块:
Ramp(斜坡输入信号)、SineWave(正弦波输入信号)、Step(阶跃输入信号)、Clock(时间信号)、Pulse(脉冲信号)等。
图4-1Sources(信号源模块)库
4.1.2调制解调模块库简介
CommunicationsBlockset(通信模块集)中包含了通信仿真模块,要打开通信工具箱的模块库,可以在Matlab的命令窗口输入以下命令:
>>commlib
此时,系统会打开工具箱模块库的窗口,模块库中包括子模块库时,用鼠标双击就可以打开下级子库。
要查看通信工具箱中的函数名称和内容列表,可以在Matlab的命令窗口输入以下命令:
>>helpcomm.
如通信模块集(CommunicationsBlockset)中的Modulation(调制库)。
Modulation/Demodulation.
ademod-Analogpassbanddemodulator.(通带模拟解调)
ademodce-Analogbasebanddemodulator.(基带模拟解调)
amod-Analogpassbandmodulator.(通带模拟调制)
amodce-Analogbasebandmodulator.(基带模拟调制)
apkconst-PlotacombinedcircularASK-PSKsignalconstellation.(计算和绘制QASK调制图)
ddemod-Digitalpassbanddemodulator.(通带数字解调)
ddemodce-Digitalbasebanddemodulator.(基带数字解调)
demodmap-Demapadigitalmessagefromademodulatedsignal.(数字解调逆映射)
dmod-Digitalpassbandmodulator.(通带数字调制)
dmodce-Digitalbasebandmodulator.(基带数字调制)
modmap-Mapadigitalsignaltoananalogsignal.(数字调制映射)
qaskdeco-DemapamessagefromaQASKsquaresignalconstellation.(矩形QASK码译码)
qaskenco-MapamessagetoaQASKsquaresignalconstellation.(计算和绘制QASK矩形图)
4.2FM调制与解调电路及仿真
FM调制与解调电路如图4-2所示:
图4-2FM调制与解调电路
SourceBlock的参数设置图如图4-3所示:
图4-3SourceBlock的参数设置图
FunctionBlock的参数设置图如图4-4所示:
图4-4FunctionBlock的参数设置图
FunctionBlock的参数设置图如图4-5所示:
图4-5FunctionBlock的参数设置图
调制后波形图如图4-6所示:
图4-6调制后波形图
解调后波形如图4-7所示:
图4-7解调后波形
已调信号频域图如图4-8所示:
图4-8已调信号频域图
解调信号频域图如图4-9所示:
图4-9解调信号频域图
4.3仿真结果分析
在此次仿真中,对FM调制解调原理的仿真实现,通过波形图4-6,4-7的对比,还是有不足的,有时间的延迟和波形的少许失真,产生的原因主要是滤波器的参数设置不够细腻。
间接调频,其中心频率稳定,但是实现复杂,还涉及到了调相法。
而对于直接调频法,方便实用,但其载波频率不稳定的。
在解调过程中,从仿真波形图可以得知,滤波器的参数设置还需要细究,这些不足还需要改进。
5心得体会
6参考文献
[1]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理,第五版.北京:
国防工业出版社,2001.
[2]沈辉.精通SIMULINK系统仿真与控制.北京:
北京大学出版社,2003.
[3]陈怀琛,吴大正,高西全.Matlab及在电子信息课程中的应用,第三版.北京:
电子工业出版社,2006.
[4]DavidG.Messerschmitt.HowDigitalCommunicationsWorks[J].MorganKaufmann,1999,26:
205
[5]张化光,孙秋野.MATLAB/SIMULINK实用教程.北京:
人民邮电出版社,2009.
[6]陈怀琛.Matlab及其在理工课程中的应用指南.西安:
西安电子科技大学出版社,2000.
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- 基于 MATLAB 模拟 信号 频率 调制 FM 解调 分析 概要
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