基于MATLABSimulink的模拟通信系统的仿真(非线性调制).doc

通信原理课程设计任务书院(系) 物 电 学 院 专业班级 通信1104 学生姓名 王彦云 一、通信原理课程设计题目 基于MATLAB/Simulink的模拟通信系统的仿真(非线性调制) 二、通信原理课程设计工作自2014年2月24日 起至2014年3月14日止三、通信原理课程设计进行地点: 物 电 学 院 实 验 室 四、通信原理课程设计的内容要求： 1. 非线性模拟调制（调频FM、调相PM）。利用MATLAB/Simulink软件进行模拟非线性调制和解调进行仿真。 2.设计题目的详细建模仿真过程分析和说明，仿真的结果可以以时域波形，频谱图，星座图，误码率与信噪比曲线的形式给出。课程设计说明书中应附仿真结果图及仿真所用到的程序代码（MATLAB）或仿真模型图（Simulink/SystemView）。如提交仿真模型图，需提交相应模块的参数设置情况。 3.每人提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或仿仿真文件。 参考文献： 1邓华.MATLAB通信仿真及其应用实例详解M.人民邮电出版社.2003年 2郑智琴.Simulink电子通信仿真与应用M.国防工业出版社.2002年 3赵鸿图.通信原理MATLAB仿真教程M.人民邮电出版社.2010年 4刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M.电子工业出版社.2011年 5达新宇.通信原理实验与课程设计M.北京邮电大学出版社.2005年 6邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析M.清华大学出版社.2008年 指 导 教 师 侯 宝 生 系(教 研 室) 通 信 工 程 系 接受论文 (设计)任务开始执行日期 2014年2月24日 学生签名 王 彦 云 基于MATLAB/Simulink的模拟通信系统的仿真（非线性调制）王彦云（陕西理工学院物理与电信工程学院通信班，陕西 汉中 723003）指导教师：侯宝生摘 要在模拟通信系统中，由模拟信源产生的携带有信息的消息经过传感器转换成电信号。模拟基带信号在经过调制将低通频谱搬移到载波频率上适应信道，最终解调还原成电信号。本文应用了频率调制法产生调制解调信号。本论文中主要通过对SIMULINK工具箱的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对通信原理知识的掌握，完成了FM信号的调制与解调，作为延伸，还进行歌曲作为信源的FM调制与解调过程，以及用SIMULINK进行设计和仿真。首先利用简单的正弦波信号发生器作为信源，对模拟信号进行FM调制解调原理的仿真。然后，利用歌曲作为信源，进行FM调制解调过程，在输出端播放出音乐，并且调整参数直到仿真波形输出，对信号还进行了PCM量化编码过程，观察效果，最终对设计结论进行总结。关 键 词通信系统 FM 调制 解调 SIMULINKFM signal modulation and demodulationABSTRACT In the simulation of communication systems, generated by the analog source carrying a message through the sensor into electrical signals. Analog baseband signal after the modulation of the low pass spectrum to carrier frequency to adapt to the channel, the final reduction into electrical signal demodulation. This paper applied the frequency modulation method to generate the signal modulation and demodulation. Mainly through the study and use of SIMULINK toolbox in this thesis, with its rich template and undergraduate course on communication theory knowledge, the modulation and demodulation of FM signal, as the extension, also performed songs as FM modulation and demodulation process source, as well as the design and simulation with SIMULINK. Firstly, sine wave signal generator is simple as the source, simulation FM modulation and demodulation principle of analogue signals. Then, using the song as the source, FM modulation and demodulation process, play music in the output, and adjusting the parameters until the simulation waveform output, the signal has also carried on the PCM quantization coding process, observe the effect, the final design result are summarized. Keywords: communication system ,FM , modulation& demodulation , simulink II 目 录摘 要.IABSTRACT.II1 绪论.12 通信系统.22.1 通信系统的一般模型.22.2 模拟通信系统.33 FM调制与解调原理.34 FM调制器和解调器的设计与仿真（一）.64.1 仿真软件介绍.64.2 FM调制器的设计与仿真.74.3 FM解调器的设计与仿真.104.4 调制与解调的完整过程.135 FM调制解调的设计与仿真（二）.14结 论.17致 谢.19参考文献.201 绪论 随着现代通信系统的高速发展,计算机仿真已经成为分析和设计通信系统的主要工具,在通信系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的相当重要的工具,它通过构建模型运行结果来分析实物系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。通过模拟仿真,可以降低新系统失败的可能性,消除系统中潜在的缺陷,优化系统的整体质量和性能。因此,仿真是通信系统研究和工程建设中不可缺少的环节。仿真也称模拟,在本质上,系统的计算机仿真就是根据实际的物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数值求解。对用户而言，使用仿真软件的平台不同，所建立的计算机仿真模型形式也不同，可以是字符形式的一系列程序代码，也可以是图形化的一些列一组信号流程图、系统方框图或者状态转移图。在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。通信系统及其仿真技术根据通信的业务和用途分类，有常规通信、控制通信等。其中常规通信又分为话务通信和非话务通信。对于数据信息，通常情况下更关注传输的准确性，有时要求实时传输，有时又可能对实时性要求不高。在本文的设计思路中，最重要的就是两个仿真图的搭建以及实现，分别是模拟信号的FM调制解调原理设计与仿真以及语音信号的FM调制解调设计与仿真，分别如图1-1,1-2所示。 模拟信源 间接调频 示波器波 解调输出 非相干解调图1-1 FM调制解调原理 频谱显示 音频文件 直接调频 PCM编码 音频输出 相干解调图1-2 语音信号FM调制解调框图 本文经过对FM信号的调制和解调，加深了对FM信号的理解和认识，也对世界通信科技有一个更前沿的认识。同时，此次仿真也可以作为课堂教学的演示，让同学能更深刻的认识和理解模拟信号的FM调制和解调和语音信号的FM的调制解调。所以说此课题具有很深的教育和科研意义。2 通信系统2.1 通信系统的一般模型 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成，通常也称为一般模型。如图 2-1 所示 信源 发送设备 信道 接收设备 信宿（发送端） （接收端） 噪声源 图2-1通信系统的一般模型发送设备的基本功能是将信源和信道结合匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等等信息。 在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从信道中接收的带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号。2.2 模拟通信系统 我们把信道中传输模拟信号的系统统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成，如图 2-2 所示。在这里一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所替换。 对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号（发送端信息源完成）和把电信号恢复成最初的连续消息（接收端信宿完成）。由信源输出的电信号（基带信号），由于它具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中进行远距离传输。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零点频率。因而已调信号又常称为频带信号。 信源 调制器 信道 解调器 信宿 （发送端） （接收端） 噪声源图2-2 模拟通信系统模型3 FM调制与解调原理 角度调制是频率调制和相位调制的总称。角度调制是使正弦载波信号的角度随着基带调制信号的幅度变化而改变。也就是说，比如在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小），调制信号幅度变小时，载波信号的频率也变小（或变大）；而在调相信号中，载波信号的相位随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号幅度变大时，载波信号的相位也变大（或变小），调制信号幅度变小时，载波信号的相位也变小（或变大）；实际上，在某种意义上，调频和调相是等同的，所以我们都称之为角度调制；而在这种调制方式中，载波的幅度保持不变（这就是FM叫做恒包络的原因）。 调频信号可以被看作调制信号在调制前先积分的调相信号。这意味着先对m(t)积分，再将结果作为调相器的输入即可得到调频信号。相反，先微分m(t)，再将结果作为调频器的输入也可得到调相信号。在模拟蜂窝移动通信中，调频是更为普遍应用的角度调制，这是因为FM不管信号的幅度如何，抗干扰能力都很强，而在调幅中，正如前面所说的那样，抗干扰能力要弱得多。 有两种基本的方法来产生调频信号：直接法和间接法。在直接法中，载波的频率直接随着输入的调制信号的变化而改变。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带调频信号，然后通过倍频的方式把载波频率提高到需要的水平。FM 图（3-1）所示的产生调频信号的方法称为直接调频法。PM 图（3-2）所示的产生调频信号的方法称为间接调频法非线形调制要完成频谱的搬移但是他所形成的信号频谱不再保持原来基带频谱的结构，也就是说已调信号频谱与基带信号频谱存在着非线形关系，而解调正是从已调波中不失真地检出调制信号的过程。频率调频制：是瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制。原理公式如(3.1),(3.2),(3.3),(3.4),(3.5)所示。 = (3.1) (3.2)FM公式： (3.3)也可以表示成： (3.4)调频指数： (3.5) max最大相偏，max最大频偏。m为调制信号角频率，m为解调器中低通滤波器的截止频率。 调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需同步信号，且对于NBFM信号和WBFM信号均适用，因此是FM系统的主要解调方式。在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。鉴频器 包络检波低通滤波器限幅器及带通微分器 图3-3 FM解调模型 非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图3-3所示。限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。设输入调频信号为 (3.6)微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为 (3.7)包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为 (3.8)称为鉴频灵敏度（），是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度，经低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得 (3.9)相干解调法需要用到同步信号，首先是已调信号首先经过带通滤波器，滤除信道噪声，再和载波进行相乘利用低通滤波器进行滤波，再次微分即可。原理框图如图3-4所示。 微分 LPF BPF 图3-4 相干解调法框图4 FM调制器和解调器的设计与仿真4.1 仿真软件介绍 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。 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。 从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的，本文对通信系统中的一些重要环节，如数字信号的调制解调，模拟信号的数字化传输等有着深入的研究学习。本文在深刻理解通信系统理论的基础上，利用MATLAB提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，对通信系统中的典型信号进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示。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。 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。4.2 FM调制器的设计与仿真 在FM信号调制解调过程中，最主要的部分就是调制器与解调器的设计与仿真实现。 第一步，设计原理框图。 在调制过程中，有两种实现过程，即直接调频与间接调频。由于实际相位调制器的调节范围不可能超出（ ），因而间接调频的方法仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情形，而直接调频则适用于宽带调制情形。在本文的模拟信号的调制解调中，我选择了间接调频法。间接调频，首先需要对调制信号进行积分，然后将积分过后的信号作为调制信号对载频信号进行调相。原理框图如图4-1所示。 PM 图4-1 间接调频法原理框图第二步，参数设置。1 信号源的设置在仿真过程中，由于运用了间接调频法，所以在信号发生器后面紧接着积分器，作为调相的输入，其参数设置如图4-2所示。2 载波的设置在载波的设置中，用到了调相原理，即高频载波的相移受调制信号的电压的控制，用公式表示即 ，然后分别乘上高频载波，即频率为1000Hz的两路载波，载波参数设置如图4-3,4-4所示。两路载波相乘出来的结果，需要进行积化和差，随后两个信号相减就形成了已调信号。 图4-2 信号源参数设置 图4-3 cos载波参数设置 图4-4 sin载波参数值设置 第三步，仿真图的搭建。 有了第一步以及第二部的理论基础和参数设置，仿真的搭建很容易就出来了，仿真模块图如4-5所示。 图4-5 FM调制过程仿真模块图4.3 FM解调器的设计与仿真 在上文的介绍中，我们已经得知非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成。 第一步，设计原理框图。 非相干解调器原理框图如图4-6所示。限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。鉴频器包络检波低通滤波器限幅器及带通微分器 图4-6 非相干解调器原理框图第二步，参数设置。 非相干解调器的重要部件是限幅器和带通滤波器。已调信号首先经过限幅器1，为5-5的范围，参数设置如4-7所示。然后经过带通滤波器1，截止频率分别为800Hz10000Hz，从而对应的角频率为4944rad/s和61800rad/s，如图4-8所示。包络检波器由限幅器和低频滤波器组成，其中限幅器是2-2的范围，低通滤波器截止频率为300Hz，角频率为1854rad/s，如图4-9。而最后一个带通滤波器，为了和还原出原信号，使用50Hz150Hz的带通滤波器2，相应的角频率为309rad/s和927rad/s，如图4-10。从此滤波器输出的信号，就是取出调制信号。 图4-7限幅器1参数设置 图4-8 低通滤波器1参数设置图4-9 带通滤波器参数设置图4-10带通滤波器2参数设置 第三步，仿真图的搭建。解调仿真模块图如图4-11所示。图4-11 解调过程仿真模块图4.4 调制与解调的完整过程经过4.2和4.3章节的介绍，将图 4-5和图 4-11 两个仿真模块连接起来就形成完整的调制解调仿真。其完整过程如图4-12所示，调制解调前后以及已调信号的波形图对比分别图4-13,4-14,4-15所示。 图4-12 调制解调完整仿真图图4-13 信号源波形图 图4-14 解调后波形图 图4-15 已调波波形图仿真结果分析。在此次仿真中，对FM调制解调原理的仿真实现，通过波形图4-13,4-14,4-15的对比，还是比较成功的，但是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。本文用到了间接调频，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。在此方法的选择上，由于仿真低频信号需要严格的载波频率，所以我使用了间接调频法。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 FM调制解调的设计与仿真（二） 我们小组设计的第二种FM调制解调仿真方案及调制解调波形如下图5-1 第二种FM调制解调完整仿真图 图5-2 第二种FM调制解调波形对比图 图5-3 经调制后的频谱图 图5-4 解调后的频谱图 图5-5 信号源的频谱图结 论从接到题目到设计结束的过程中经历了很多，总的来说可以概括为以下几点。 （1）查资料，结合任务书写开题报告。拿到论题后，我首先见了指导老师，听取了侯老师给我们对该课题大概的讲解的和一些重要建议，先找相关方面的资料并对论题进行分析。接着便是看与此有关的资料，复习以前的知识，读懂这方面的知识，从而列出该设计的具体步骤。 （2）遇到困难，锲而不舍。从前在学习过程中遇见困难就想着去找老师和同学询问，但是现在指导老师只在一些大的方面给了我一些提示，细节必须由自己来完成。侯老师还不断提醒我设计方向，而对于一些小的方面，一些细节性的问题要求我自己去思考。这样就提高了我的独立思考和动手实践能力，这对我们以后不管是进入社会工作还是继续学习深造都有极其重要的帮助。 （3）相信自己，必有所成。设计不仅是对所学理论知识的考核，更是对把所学习理论知识运用的实践操作中的一次检验。一心想把设计搞出，这也正是一个相互学习的过程，其间期中碰到了不少的问题，同学之间的相互学习探讨、相互帮助是相当重要也是极为必要的，当然自信是最重要的。遇到问题，要学会面对和相信自己。此次设计中不足的地方，我也进行了相应的总结： （1）在整个仿真模块的实现过程中，没有用到高斯白噪声或者加性高斯白噪声来替代实际信道带来的干扰，并没有完全体现信道中噪声和干扰源对于信号解调调制之后的产生的影响，以后可以考虑使用信道模块进行更为细致的仿真。 （2）在使用SIMULINK工具箱的模块来进行参数设置的时候，基本上只改变了模块中重要元件的重要参数，并不能很好的体现这个模拟的仿真系统的性能，如果以后有时间，应该对参数值进行细致的控制变量法来观察分析，如滤波器的参数，通阻带频率，类型选择等。 （3）在通信原理的掌握上不是很好。以前学习时基础知识掌握的不是很好，在随后的时间里也没有对其进行复习，以至于在毕业设计初级阶段时进度很慢。这也提醒我在以后的工作和学习中要养成及时复习的习惯，进行重复记忆，充实自己。 （4）对于误码率的计算问题，我在文章中解决的很不好，很想做出来，但是由于个人问题，时间原因以及篇幅所限，在这里并未详细的介绍以及仿真出结果，是在很遗憾，在以后的时间里，我会继续努力，解决误码率的计算问题。 （5）模块的选择使用上并不熟练，没有熟知MATLAB中其他工具箱和模块的作用，因此在实现仿真的过程中，仿真的部件选择没有灵活性，这会给实验的结果带来一定的负面影响，以后应该多加熟悉，精益求精。致 谢 我刚接到这个论