毕业设计（论文）-基于GUI的模拟通信系统仿真.doc

大庆石油学院本科生毕业设计 论文 摘 要 在通信系统的设计实验过程中 通信信号仿真具有灵活性好经济等诸多优点 为通信系统研究工作带来了极大的方便 GUI Graphical User Interface 的广泛 应用是当今计算机发展的重大成就之一 极大地方便了非专业用户的使用 本设 计任务是对模拟通信系统包括幅度调制 AM 方法 DSB AM SSB AM和常规AM 和角调制方法 频率和相位调制 通过GUI编程仿真来实现 本设计可以实现各个 信号的时域和频域的图形的绘制 通过GUI编程仿真来实现对信号的建模计算 得到了时域波形和频谱 能够直观的显示各种调制样式的模拟通信系统 本文设 计的系统具有设计界面简洁方便 操作简单 系统运行稳定的特点 关键词 模拟通信系统 幅度调制 角调制 MATLAB GUI 全套设计加扣 3012250582 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 Abstract In the design of communication systems in the experimental process the communication signal simulation has the flexibility and many other economic advantages it has brought great convenience to the research work for the communications system GUI Graphical User Interface widely used in the development of today s computers is one of the major achievements it greatly facilitated the use of non professional users The design of analog communication systems including amplitude modulation AM method DSB AM SSB AM and conventional AM and angle modulation methods frequency and phase modulation use GUI programming through simulation to achieve The design can be achieved the graphics of various signals in time domain and frequency domain using GUI programming through simulation to achieve the modeling of the signal calculated Received time domain waveform and spectrum can show a variety of intuitive style analog modulation communication systems In this paper the design of the system has the characteristics of simple and convenient interface design simple operation stable system operation Key words Analog communication systems Amplitude modulation angle modulation MATLAB GUI 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 I 目目 录录 第第 1 1 章章 概述概述 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 通信系统仿真的研究现状 2 1 3 设计研究的主要内容 2 1 4 本章小结 3 第第 2 2 章章 模拟信号的调制和解调模拟信号的调制和解调 4 2 1 模拟通信系统概述 4 2 2 幅度调制 5 2 3 幅度解调 9 2 4 角调制 11 2 5 角调制的解调 13 2 6 本章小结 19 第第 3 3 章章 MATLABMATLAB GUIGUI 的相关知识简介的相关知识简介 20 3 1 MATLAB 概述 20 3 2 基于 GUI 的程序设计 22 3 3 本章小结 23 第第 4 4 章章 基于基于 GUIGUI 的模拟通信系统仿真设计的模拟通信系统仿真设计 24 4 1 用户显示界面设计 24 4 2 模拟信号的调制与解调 26 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 II 4 3 综合仿真 34 4 4 本章小结 39 结结 论论 40 参考文献参考文献 41 致致 谢谢 42 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 概述 随着技术的发展 现代无线通信系统功能日趋强大 性能指标越来越高 无 线通信系统越来越复杂 其工作的过程描述又很抽象 与此相对应的是 研制费 用不断上升 对各部分及系统的研究变得更加困难 如果无线通信系统的研究全 部用实际设备来实现 人力 物力 财力花费都是巨大的 而且研制周期也会增 加 此外有的研究实际的设备也不一定能有效地实现 因此 通信信号模拟仿真 以其经济 灵活和逼真等特点逐渐成为通信系设计 分析过程中不可或缺的手段 通信信号模拟仿真是系统模拟仿真技术与通信技术相结合的产物 它模拟的对象 是各种通信信号的调制和解调以及通信的环境 所以 通信信号模拟系统具有很 高的实用价值和战略意义 仿真理论的日益成熟和计算机及数字技术的飞速进步 使通信信号的仿真可以做到交互性好 直观 精确 1 1 课题研究的背景 通信技术是现在人们经常提到的 高新技术 的一个重要的组成部分 日新 月异的现代通信技术不仅推动了社会信息化 提高了劳动生产率 改善了人们的 生活质量 也使得人们的工作 学习和生活方式发生了越来越多的改善 越来 越多的高等院校建立了通信工程或与之相关的专业 相应地 通信原理的教学发 展到了一个新的阶段 面临着许多新问题需要研究和探索 1 新的通信系统的出现在很大程度上是以通信理论的发展为基础的 通信原理 是通信工程专业 电子信息专业的一门重要的专业基础课程 它以各种通信系统 的基本理论为研究对象 内容涉及典型的现代通信系统各个组成部分的工作原理 分析和设计方法 随着通信系统的规模和复杂度不断增加 传统的设计方法已经 不能适应发展的需要 通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视 传统的通信仿真 技术可以得到与真实环境十分接近的结果 但耗时长 方法比较繁杂 而通信系统 的计算机模拟仿真技术是一种系统设计方法 它可以让用户在很短的时间内建立 整个通信系统模型 并对其进行模拟仿真 掌握这门课程对于学生学习 研究有 关具体通信系统的后续专业课程 以及将来从事相关的科研生产和管理工作都是 十分重要的 通信原理与实际应用联系密切 又具有很强的理论性和抽象性 并且需要应用概率论 随机过程 信号与系统 模拟与数字电路等多门课程知识 为基础 给学生的学习造成了一定的困难 形成学习困难的原因是多方面的 但其中最主要的是学生缺乏一个直观认识通信系统的感性基础 利用 MATLAB 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 2 图形设计工具 设计出直观的可视化通信系统作为辅助教学课件 使它能够很好 地解决该问题 1 2 通信系统仿真的研究现状 系统建模和仿真技术已经日益成为现代理工科各专业进行科学探索 系统可 行性研究和工程设计不可缺少的重要环节 2 在通信与电子工程领域 系统仿真 技术一直是进行新型通信协议研发 通信体制的性能研究 通信系统设计 算法 分析和改进 通信信号处理 电子系统设计的重要手段 传统的仿真技术基于 C 语言等计算机专业编程工具 编程的工作量极大 仿真程序的可读性 可重用性 可靠性都很难适应大型复杂通信系统仿真的需要 通信与电子工程师和科研工作 者迫切需要一种仿真工具 以摆脱复杂的编程工作 将精力和时间集中到解决科 学问题 提出和验证创新思想和算法上来 MATLAB 科学计算 建模和仿真软 件是为了适应这一要求而产生的优秀仿真平台软件 并已成为全世界科学工作者 共同的学术交流工具以及系统仿真界事实上的工业标准 3 现在 我国教育科研 部门对 MATLAB 的地位和重要作用也逐渐达成了共识 尤其是在硬件设施有限 科研经费不足的情况下 MATLAB 的广泛应用必将大大提升我国科教事业的基 础研究水平 4 应用 MATLAB 软件对通信电子体统进行建模和仿真试验的研究方法 在内 容上不追求对 MATLAB 软件的完整和系统描述 而是针对教学 科研开发的实 际 选择通信与电子工程实践中最基本 同时也是最重要的内容作为仿真试验的 研究对象 5 同时 还结合数字通信系统的基本技术介绍了 MATLAB 软件在仿 真试验建模中的应用 特别是应用 GUI 工具结合 MATLAB 混合编程简历的仿真 系统模型 已经不再是 MATLAB 仿真工具的初级应用 而是该仿真工具在通信 工程实践中真实应用的展现 有很高的工程参考价值 可以为在通信工程领域中 进行系统设计和测试的科技工作者提供具有使用价值的系统仿真模型 1 3 设计研究的主要内容 本文对模拟通信系统进行了仿真设计 全文共分 4 章 第 1 章介绍课题研究 的背景 意义及研究现状 第 2 章阐述了模拟通信系统的基础知识 包括幅度调 制和角度调制两种形式 以及它们的解调等 第 3 章重点讨论了 MATLAB 通信 工具箱和 GUI 了解 MATLAB 通信工具箱内所提供的常用函数 以及利用 GUI 进行用户界面设计的基础知识 第 4 章针对前面的模拟通信和 MATLAB 知识构 造了模拟通信系统的仿真模型并利用 GUI 进行了相关仿真 并讨论了几种通信信 号模型的建立 本文中采用了 MATLAB 语言编写 M 文件 利用 MATLAB 的 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 3 GUI 进行图形界面设计 展现了模拟信号的各种调制过程 1 4 本章小结 模拟通信是当代信息高科技的热点之一 本章主要针对课题研究的背景 研 究现状以及研究的意义作了一下简要地介绍 指出利用 MATLAB 进行模拟通信 系统的仿真的优越性 它的研究有利于学生对模拟通信的理解 把抽象的通信过 程生动化 使之学习起来更加容易 最后交待了本课题研究的主要方面和所做的 工作 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 模拟信号的调制和解调 本设计的几种信号的产生和解调在通信原理中都建立了数学模型 这些数学 模型的任务是用某种等价方程来表示通信系统中的信号 可由这些方程求解各种 信号在通信过程中各时段的时域波形和频谱 由这些方程推导出有用的结论 2 1 模拟通信系统概述 在信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 6 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 1 所示 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 解调器所代替 图 2 1 模拟通信系统的模型 模拟通信的优点是直观且容易实现 但存在两个主要缺点 1 保密性差 模拟通信 尤其是微波通信和有线明线通信 很容易被窃 听 只要收到模拟信号 就容易得到通信内容 2 抗干扰能力弱 电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系 统内部的各种噪声干扰 噪声和信号混合后难以分开 从而使得通信质量下降 线路越长 噪声的积累也就越多 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 发端信息源完成 和把电信号恢复成最初的连续消息 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去 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 且中心频率远离零频 因而已调信号又常称为频带信号 必须指出 从消息的发送到消息的恢复 事实上并非仅有以上两种变换 通 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 5 常在一个通信系统里可能还有滤波 放大 天线辐射与接收 控制等过程 对信 号传输而言 由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用 它们是通信 过程中的重要方面 而其它过程对信号变化来说 没有发生质的作用 只不过是 对信号进行了放大和改善信号特性等 因此 这些过程认为都是理想的 而不去 讨论它 模拟调制的分为两类 1 线性调制 已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构相同 其频谱 是调制信号频谱沿频率轴平移的结果 包括 调幅 单边带 双边带 残留边 带 2 非线性调制 角度调制 已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结 构有很大的不同 除了频谱搬移外 还增加了许多新的频率成分 包括 频率调 制 相位调制 本设计利用 GUI 来模拟模拟通信系统的主要性能 要讨论的系统包括幅度调 制 AM 方法 DSB AM SSB AM 和常规 AM 和角调制方法 频率和相位调制 每 种模拟调制系统都可以用下面五个方面的基本特征来表征 1 已调信号的时域表示 2 已调信号的频域表示 3 已调信号的带宽 4 已调信号的功率含量 5 解调后的信噪比 SNR 很显然 这些性质互相不是相互独立的 通过傅里叶变换关系 可以反映出 信号的信号的时域和频域之间存在很密切的关系 另外 信号的带宽也是用它的 频域特性来定义的 2 2 幅度调制 幅度调制 Amplitude Modulation 简称 AM 往往为线性调制 它是调制方法 中的一类 其中一个正弦载波的幅度作为调制信号的函数而改变 7 这一类调制 方法由 DSB AM 双边带幅度调制 常规幅度调制 SSB AM 单边带幅度调制 和 VSB AM 残留边带幅度调制 等组成 调制信号和已调载波之间的关系可以很 简单 如 DSB AM 也可以很复杂 如 SSB AM 或 VSB AM 与角调制方法相 比 幅度调制的通常特点是带宽要求相对较低 并且功率效率不高 AM 系统的 带宽要求在 W 和 2W 之间变化 这里的 W 是消息信号的带宽 对于 SSB AM 带 宽是 W 对于 DSB AM 和常规 AM 带宽都是 2W 对于 VSB AM 带宽则位于 W 和 2W 之间 这些系统广泛应用于广播 AM 无线电广播和 TV 视频广播 点 对点通信 SSB AM 和多路复用 如很多电话信道在微波链路上传输 等系统中 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 6 2 2 1 DSB AM 调制 DSB 调制器模型如图 2 2 所示 图 2 2 DSB AM 的调制器模型 可见 DSB 信号实质上就是基带信号与载波直接相乘 在 DSB AM 中 已调 信号正比于消息信号 这意味着 已调信号的时域表示有下式给出 2 1 2cos tftmAtu cc 其中 2 2 2cos tfAtc cc 是载波 而 m t 是消息信号 取 u t 的复里叶变换 可以得到 DSB AM 信号 的频域表示为 2 3 2 2 c C c c ffM A ffM A fU 其中 M f 是 m t 的傅里叶变换 很显然 这种调制形式将消息信号的频谱做 了的频移 并在幅度上乘以 Ac 2 传输带宽 BT 是消息信号带宽的两倍 即 c f 2 4 WBT2 图 2 3 显示的是一个典型消息信号频谱及其相应得 DSB AM 已调信号的频谱 图 2 3 消息信号和 DSB AM 已调信号的频谱 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 7 已调信号的功率由下式给出 dt tf tm T dt tm T A dt tf tmA T dttftmA T dttu T p c T T T T T T c c T T c T c T T c T T T T u 2 4cos 1 lim 2 1 lim 2 4cos 1 1 lim 2 cos 1 lim 1 lim 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 dt tm T A T T T c 2 2 2 2 2 1 lim 2 5 m c P A 2 2 其中 Pm 是消息信号的功率 式 2 5 是根据这一点直接得出来的 m t 是一个低 通信号 其频率分量远远小于 2fc 即频率分量 因此下面的积分tfc 4cos 2 6 dt tf tm c T T 2 4cos 2 2 2 随而趋于零 最后 DSB AM 系统的 SNR 等于基帯的 SNR 即 T 2 7 WN P N S R 0 2 2 2 常规 AM 调制 在很多方面 常规 AM 和 DSB AM 是类似的 唯一的差别是在常规 AM 中 m t 被 1 amn t 代替 这里的 mn t 是经过归一化后的消息信号 也就是说 a 是调制指数 而且是位于 0 和 1 之间的一个正整数 由此有 1 tmn 2 8 2cos 1 tftamAtu cnc 和 2 9 2 cnccnc c ffaMffffaMff A fU 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 8 将消息信号幅度加权并对其加一个常数的净效果是使 1 amn t 这一项总是正 的 这就使得这些信号的解调变得十分容易 使用包络检波器就能顺利完成 注 意在 U f 中频率为 fc的正弦分量存在 这意味着发射功率中有相当一部分是在信 号载波上 而信号载波其实并没有用于信息的传输 这一点表明 与 DSB AM 相比 常规 AM 在功率利用率上是一种不够经济 的调制方式 当然 带宽等于 DSB AM 的带宽 为 2 10 W BT 2 假设消息信号是零均值信号 已调信号的功率就为 2 11 1 2 2 2 n m c u Pa A P 它由两部分组成 是载波的功率 是已调信号中携带的消息 2 2 c A n mc paA 22 2 部分的功率 而这个功率才是真正用于传送消息的功率 用于传送消息的功率与 已调信号的总功率的比称为调制效率 定义为 2 12 n n m m Pa Pa 2 2 1 因为和 所以总有 然而 实际上的值大约在 0 1 左1 tmn1 a5 0 右 信噪比为 2 13 WN P N S R 00 其中是调制效率 可见 与 DSB AM 相比 SNR 减小了倍 总功率中 相当大的一部分是在载波上 频谱图中的冲激 而它又不携带任何信息 在接收 端最终要被滤去 这就是造成性能下降的直接原因 2 2 3 SSB AM 调制 除掉 DSB AM 的一个边带就可以得到 SSB AM 因此 SSB AM 占有 DSB AM 一半的带宽 8 依据所保留的边带是上边带还是下边带 就有两种类型的 SSB AM USSB AM 和 LSSB AM 这些信号的时域表示为 2 14 2sin 2 2cos 2 tftm A tftm A tu c c c c 其中减号对应 USSB AM 加号对应 LSSB AM 是的希尔伯特变 tm tm 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 9 换 定义为 在频域中则是 换句话 1 ttmtm sgn fMfjFM 说 一个信号的希尔伯特变化代表全部信号分量上的进行的相移 这样 在2 频域中有 2 15 f ffffMffM fU ccc USB 其余 0 和 2 16 f ffffMffM fU ccc LSB 其余 0 SSB AM 信号的带宽是 DSB AM 的和常规 AM 的带宽的一半 所以等于消 息信号的带宽 即 2 17 W BT SSB AM 信号的功率为 2 18 m c u P A P 4 2 注意 由于己经除去了一个边带 所以 SSB MA 的功率是对应得 DSB AM 的一半 另一方面 因为这个已调信号只有对应得 DSB AM 信号带宽的一半 所 以在接收机前端点上的噪声功率也使其对应的 DSB AM 情况下的一半 因此在这 两种系统中 SNR 是相同的 即 2 19 WN P N S o R o 2 3 幅度解调 解调是从已调信号中提取消息信号的过程 解调过程取决于所使用的调制方 式 对于 DSB AM 来说 解调的方法是相干解调 它要求在接收端有一个与载波 同频同相位的信号存在 对于常规 AM 用包络检波器解调 这时关于载波频率 和相位的精确了解在接收端已不是十分重要了 所以解调十分容易 对于 DSB AM 和 SSB AM 相干解调 他们由两部分组成 用一个与载波同频和同相位的正 弦信号乘以已调信号 即混频 然后将乘积通过一个低通滤波器来完成 在接收 端产生的所要求的正弦振荡振荡器称为本地振荡器 9 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 10 2 3 1 DSB AM 的解调 在 DSB AM 中已调信号由给出 当将它乘以或者 2cos tftmA cc 2cos tfc 说与混频后 就可以得到了 2cos tfc 2 20 4cos 2 2 2cos 2cos tftm A tm A tftfAty c cc ccc 其中 y t 为混频器输出 而它的傅里叶变换由下式给出 2 21 2 4 2 4 2 c c c cc ffM A ffM A fM A fY 由上可知 混频器输出中有一个低频分量 AC 2M f 和附近的高频分量 c f2 当 y t 通过带宽为 W 的低通滤波器时 高频分量被滤去了 而正比于消息信号的 低频分量被调制出 2 tm Ac 2 3 2 SSB AM 的解调 SSB AM 信号的解调过程基本上与 DSB AM 信号的解调过程是相同的 也就 是说混频之后紧接着低通滤波器 这时 2 22 2sin 2 2cos 2 tftm A tftm A tu c c c c 其中减号对应于 USSB 加号对应于 LSSB u t 与本地振荡器混频之后得到 输出 2 23 4sin 4 4cos 4 4 tftm A tftm A tm A ty c c c cc 其中含有在的带通分量和正比于消息信号的低频分量 低频分量用低通 c f2 滤波器滤出 以恢复消息信号 2 3 3 常规 AM 的解调 当考虑功率和 SNR 时 常规 AM 是比较差的调制方式 其原因是已调信号 的大部分功率在不携带信息的载波分量上 载波分量的作用时通过包络检波器而 使常规 AM 的解调更容易些 与此同时 对 DSB AM 和 SSB AM 则要求相干解 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 11 调 因此 AM 信号的解调比 DSB AM 和 SSB AM 信号的解调明显简单的多 所以 这种解调方法广泛用于广播系统中 在那里只有一台发射机 而有众多的 接收机 接收机价格应保持低廉 在包络检波中 经由二极管 电阻和电容器所 组成的简单电路来检测出已调信号 从数学上说 包络检波器所产生的常规 AM 信号的包络为 2 24 1 tamtV n 由于 1 mn t 0 可以得到 2 25 1 tamtV n 其中 mn t 正比于消息信号 m t 而 1 相应于载波分量 这个分量可用于一个 搁直流电路分隔开 正如前面所讨论的 它不需要知道载波相位的任何知识 这 就是把这种解调方法称为非相干解调或非同步解调的原因 一个带通信号的包络 可以表示成它的低通等效信号的幅度 因此 如果 u t 是一个带通信号 其载波 为 fc u t 的低通等效信号记为 ul t 那么 u t 的包络 V t 可以表示为 2 26 2222 tututututV sclilr 这里的 uc t 和 us t 代表着带通信号 u t 的同相和正交分量 因此 为了得到 这个包络 只要求的该带通信号的低通等效信号就足够了 这个包络就是带通信 号的低通等效的幅度 2 4 角调制 角调制属于一类非线性调制方法 其中包括频率调制 FM 和相位调制 PM 10 这类调制方法以其较高的带宽要求和在噪声存在情况下具有好的性能为特征 这 些方法可以看成是以带宽来交换功率的调制技术 因此应用在带宽不是一个主要 的问题而希望在有高的信噪比 SNR 的场合 频率调制广泛用于高保真度的 FM 广播 TV 音频广播 微波载波调制和点对点通信系统中 相位调制和频率调制有很大部分是相同的 相位调制和频率调制相比较 1 在相位调制中载波相位 t 随调制信号 m t 线性地变化 而在频率调制中载 波相位 t 随调制信号 m t 的积分线性地变化 2 若将 m t 先积分 再对载波 进行相位调制 即得到频率调制信号 类似地 若将 m t 先微分 再对载波进行 频率调制 就得到相位调制信号 3 仅从已调信号波形上看无法区分二者 二 者的区别仅在于已调信号和调制信号的关系不同 角度调制的振幅是恒定的 经过变参信道传输后 不会因信号振幅的改变而 使信息受到损失 信道中衰落及噪声对于信号角度 频率和相位 的影响与振幅 相比要小得多的缘故 其抗干扰能力较强 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 12 在讨论调制方法时 还是重点关注 5 个基本特征 包括适于表示 频域表示 频域表示 带宽 功率和 SNR 当载波是 并且消息信号是 m t 时 角调制信号的时域表 2cos tfAtc cc 示 PM 2 27 2cos tmktfAtu pcc FM 2 28 22cos dmktfAtu t fcc 其中 kf和 kp分别表示 FM 和 PM 的偏离常数 由于这些调制方法的非线性 一般来说角调制的频域表示很复杂 现仅讨论消息信号 m t 是正弦信号的情况 假设对 PM 来说 对于 FM 来说 那么已调 2cos tfatm m 2sin tfatm m 信号就具有如下表 PM 2 29 2cos 2cos tftfAtu mpcc FM 2 30 2cos 2cos tftfAtu mfcc 其中 2 31 akp p 2 32 m f f f ak 和分别是 PM 和 FM 的调制指数 一般情况下 对于一个非正弦 m t p f 调制指数定义为 2 33 maxtmkp p 2 34 W tmk f f max 其中 W 是消息信号的 m t 的带宽 在正弦消息信号中 已调信号可以表示为 2 35 2cos tnffJAtu mn n c 其中 Jn 是 n 阶的第类贝塞尔函数 而是 p或f之一 这取决于处 理的是 PM 还是 FM 这个已调信号的带宽不是有限的 然而 可以把包含已调 信号功率的 98 99 的带宽定义为信号的有效带宽 这个带宽用卡尔松法则给出 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 13 为 2 36 W BT 1 2 其中 是调制指数 W 是消息信号的带宽 而 BT是已调信号的带宽 角调制信号功率的表达是很简单 因为角调制信号是正弦的 具有变化的瞬 时频率的恒定的幅度 它的功率是常数 与消息信号无关 无论是 FM 还是 PM 其功率均为 2 37 2 C u A P 当不采用任何预加重和去加重过滤时 角调制信号的 SNR 由下式给出 PM 2 38 WN P tm P N S R pm 0 2 2 0 max FM 2 39 WN P tm P N S R fm 0 2 2 0 max 3 因为消息信号的最大幅度记为 max m t 所以可将 PM max m t 2 理解为归一化消息信号的功率 并记为 当使用了 3dB 的截止频率为 fo的预 N M P 加重和去加重过滤时 对 FM 的 SNR 给出 2 40 000 3 0 0 arctan 3 N S fWfW fW N S PD 其中 S N 是由式 2 41 给出的无预加重和去加重过滤时的 SNR 2 5 角调制的解调 角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程 11 调频波的解调电 路称为频率检波器或鉴频器 FD 调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器 PD 图 2 4 所示的是鉴频器特性曲线 鉴频器的特性指标有 1 鉴频跨导或鉴频灵敏度 D 所谓鉴频跨导 D 就是鉴频特性曲线在载频处的斜率 它表示的是单位频 偏所能产生的解调输出电压 鉴频跨导又叫鉴频灵敏度 2 线性范围 带宽 BW 线性范围指的是鉴频特性曲线近似为直线的范围 BW 它表示的是鉴频器不 失真解调时所允许的最大频率变化范围 即 2 fmax 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 14 3 非线性失真 图 2 4 鉴频器及鉴频特性 鉴频方法 1 斜率鉴频法 调频波振幅恒定 故无法直接用包络检波器解调 鉴于二极管峰值包络检波 器线路简单 性能好 把包络检波器用于调频解调器中 显然 将等幅的调频信 号变换成振幅也随瞬时频率变化 既调频又调幅的 FM AM 波 就可以通过包络 检波器解调此调频信号 12 用此原理构成的鉴频器称为斜率鉴频器 其工作原理 如图 2 5 所示 a 斜率鉴频器框图 b 变换电路特性 图 2 5 斜率鉴频器原理 1 直接时域微分法 微分鉴频法 设调制信号为 u f t 调频波为 2 41 cos 0 dfktwUtu t fccmFM 对此式直接微分可得 2 42 sin 0 dfktwtfkwu t fcfc 由上式的振幅可知它与调制信号是线性关系 它是通过微分变换得到的 可 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 15 以通过包络检波将调制信号解调出来 电路框图如 2 6 所示 具体电路如图 2 7 所示 图 2 6 微分鉴频原理 图 2 7 微分鉴频电路 2 斜率鉴频法 1 单失谐回路斜率鉴频器 利用失谐回路把调频信号变换成调幅 调频波 再通过振幅检波器检出调幅 调频波的包络 还原出原调制信号 图 2 8 单失谐回路斜率鉴频器的电路和波形变换 ui t Ec C uc t ii t R Cc Ec RoCo uo 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 16 图 2 8 所示的是单失谐回路斜率鉴频器的电路及波形变换 实际工作中通过调整 LC 谐振频率 f0 使调频波的中心频率 fc处于 LC 回路 幅频特性曲线倾斜部分 接近直线段的中心点 这样单失谐回路即可将等幅的调 频波变换成幅度随瞬时频率变化的调幅 调频波 然后再通过二极管峰值包络检 波还原出原调制信号 2 双失谐回路斜率鉴频器 双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差 该鉴频器的传输特性或鉴频特 性 如图 2 9 中的实线所示 其中虚线为两回路的谐振曲线 从图看出 它可获 得较好的线性响应 频带宽度 失真较小 灵敏度也高于单失谐回路鉴频器 图 2 9 双失谐平衡鉴频器 图 2 10 图 2 9 各点波形 图 2 11 双失谐鉴频器的鉴频特性 双失谐回路斜率鉴频器的电路及波形变换如图 2 10 2 11 所示 实际工作时 为了保证工作的线性范围 应调整 f02和 f03 使 f02 f03大于调频 Bm 0 Uo fA f 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 17 波最大频偏 fm 的两倍 且 f02 fc fc f03 2 相位鉴频法 相位鉴频法的原理框图如图 2 12 所示 图中的频率 相位线性变换网络 可 以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的 既调频又调相的 FM PM 波 图 2 12 相位鉴频法的原理框图 相位鉴频法的关键是相位检波器 相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信 号之间的相位差 完成相位差 电压变换作用的部件或电路 设输入鉴相器的两 个信号分别为 2 43 ttwUu cm111 cos 2 44 sin 2 cos 22222 ttwUttwUu cmcm 同时加于鉴相器 鉴相器的输出电压 u0 是瞬时相位差的函数 即 2 45 120 ttfu 1 乘积型相位鉴频法 利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分 Quadrature 鉴频法 在乘积型相位鉴频器中 线性相移网络通常是单谐振回路 或耦合回路 而相位检波器为乘积型鉴相器 如图 2 13 所示 图 2 13 乘积型相位鉴频法 设乘法器的乘积因子为 K 则经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为 2 46 2 sin arctan 2 0 0 210 f fQ UU K u mm 当时 上式变为 可见鉴频器输出与输入信号1 0 ffffQUKUu mm 0210 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 18 的频偏成正比 2 叠加型相位鉴频法 利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称为叠加型相位鉴频法 13 对于叠加型鉴 相器 就是先将 u1和 u2相加 把两者的相位差的变化转换为合成信号的振幅变 化 然后用包络检波器检出其振幅变化 从而达到鉴相的目的 如图 2 14 所示的 是平衡式叠加型相位鉴频器的框图 图 2 14 平衡式叠加型相位鉴频器框图 3 直接脉冲计数式鉴频法 调频信号的信息寄托在已调波的频率上 从某种意义上讲 信号频率就是信 号电压或电流波形单位时间内过零点 或零交点 的次数 对于脉冲或数字信号 信号频率就是信号脉冲的个数 基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲 计数式鉴频器 图 2 15 所示的是直接脉冲计数式鉴频器的原理框图和波形变换图 包 络 检波器 包 络 检波器 2 us ur us ur uD1 uD2 uo1 uo2 uo 限幅放大微分 uFMu1 半波整流 u2 单稳 u3 低通滤波 u4uo a b uFMt u1t u2t u3t u4t uot 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 19 图 2 15 直接脉冲计数式鉴频器 2 6 本章小结 本章主要介绍了一些关于模拟通信的基础知识 首先简单介绍了模拟通信系 统的基本组成和基本原理 然后又介绍了幅度调制 AM 方法 DSB AM SSB AM 和常规 AM 及解调的基本方法和原理和角调制方法 频率和相位调制 幅度调制与 解调的基本方法和原理 并简单介绍了它们的基本数学模型 以及关于角解调的 几个基本电路等等 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 20 第 3 章 MATLAB GUI 的相关知识简介 3 1 MATLAB 概述 MATLAB是美国Mathwork公司开发的新一代科学计算软件 MATLAB是英 文MATrix LABoratory 矩阵实验室 的缩写 MATLAB是一个专门为科学计算而设 计的可视化计算器 利用这个计算器中的简单命令 能快速完成其他高级语言只 有通过复杂编程才能实现的数值计算和图形显示 MATLAB是一种既可交互使用又能解释执行的计算机编程语言 14 所谓交互 使用 是指用户输入一条语句后立即就能得到该语句的计算结果 而无需像c语 言那样首先编写源程序 然后对之进行编译 连接 才能最终形成可执行文件 MATLAB语言可以用直观的数学表达式来描述问题 从而避开繁琐的底层编 程 并把有限的时间和精力更多地花在要解决的问题上 因此可大大提高工作效 率 MATLAB的编程语法与交互使用是一致的 因此交互使用时输入的代码能够 很方便地转化为可重用的函数或过程 MATLAB 是解决工程技术问题的计算平台 利用它能够轻松完成复杂的数 值计算 数据分析 符号计算和数据可视化等任务 其中 符号计算能够得到符 号表达式的符号解 如函数积幻和任意精度数值解咖精确到小数点后 10 位的 Pi 值 相对于数值计算 符号计算不会带来任何机器误差 但是需要耗费更多的计算机 内存和时间 另外 利用 MATLAB 软件包中的 Simulink 等组件 能够对各种动 态系统进行仿真分析 并且能为多种实时目标生成可执行代码 这显然有利于缩 短软硬件系统的研发周期 MATLAB 软件由主包和各类工具箱构成 其中 主包基本上是一个用 C C 等语言编写成的函数库 该函数库提供矩阵域数组的各种算法以及建立在 此基础上的各种应用函数和一些相关的用户友好操作界面 而工具箱则从深度和广 度上大大扩展了 MATLAB 主包的功能和应用领域 从使用角度看 这些工具箱 可分为功能性工具箱和学科性工具箱两大类 前一类工具箱通用于各个学科领域 如 符号工具箱 后一类工具箱则与专门学科密切相关 如 信号处理工具箱 神经网络工具箱 金融分析工具箱 等 此外 市场上还有大量不断涌现的基 于 MATLAB 的第三方软硬件产品 随着自身的不断完善和发展 MATLAB功能越来越强大 应用也越来越广泛 无论是在教育研究单位 还是在工业商业部门 MATLAB是能有效提高工作效率 的首选软件工具 在学术界 MATLAB被认为是科学计算的标准软件 IEEE称其为 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 21 同类产品中最具特色的软件 在许多学术刊物上都可以看到MATLAB应用的文 章 在大学里 MATLAB成为理工科广大教师和学生常用的辅助教学工具 甚至 在中小学教学中也能看到MATLAB的各种应用 在工业界 诸如 Boeing Motorola Nokia Quantum Ti等公司都在利用MATLAB来加快产品的 研发程 可见 MATLAB已经不仅仅是一个 矩阵实验室 而是一个能够满足不 同科技工程领域中不同层次计算需要的高级计算工具 与其 他 高 级语言例如 c 相比 MATLAB 语言具有以下 6 个显著特点 1 MATLAB 的基本数据类型是双精度的 无须定义的 下标从 1 开始的复数 矩阵 其中 行向量是 lxn 的矩阵 列向量是 n 1 的矩阵 标量是 lxl 的矩阵 这就意味着能够在 MATLAB 程序中使用高度 向量化 的语句以使整个程序易 写易读 例如要得到 t 1 2 3 时刻信号 y sin t 的值 MATLAB 只需两条语句 t 1 2 3 y sin t 就能完成 省却了循环 这也就是 MATLAB 中频繁使用的 数 组运算 再例如要求解代数方程组 MATLAB 只需一条指令 x A b 就能完成 该指令虽然简单 但其内涵却非常丰富 可以求解恰定 欠定或超定方程组 2 MATLAB有命令行操作 像一个高级计算器 和编程执行两种使用方法 分别适用于简单的草稿式计算和复杂的应用开发 3 绝大多数MATLAB函数的输入输出参数个数都是可变的 调用函数时输 入输出参数的个数不同 函数完成的功能会有一定的差异 4 MATLAB操作界面友好 编程语言简练 算法高效准确 图形显示和数据 可视化功能强大 5 MATLAB 的帮助系统非常完善 内容包括各个组件的入门指南 完全用户 手册和示例演宗等 且有多种获取和使用帮助的简便方法 例如 即使是在 help 和 helpdesk 帮助中显示的代码也可通过现场菜单执行或直接打开编辑 另外 MATLAB 帮助内容有 PDF 格式和 Html 格式两套 用户既可以通过阅读相关的 PDF 文档来系统地学习 MATLAB 也可以在使用中随时查找需要的信息 6 MATLAB采用开放性结构设计 这具体体现在以下三个方面 一是除少数 内部函数外 所有MATLAB主包函数和各种工具箱函数都是可读可改的M文件 纯文本格 这也使得新工其箱的开发和扩展非常方便 例如用户可通过修改已 有的M文件或添加新的M文件来生成用户自定义工具箱 二是支持 DDE OM ActiveX等技术 可以提供和接受Active组件服务 三是对外提供了 MATLAB的C C 数学函数库 图形函数库以及相关的API 函数 这就便于在其 他开发环境 如Ms Vc 中使用MATLAB的强大功能 或在MATLAB中使用由其 他语言 如C C十十或Fortran 编写的程序以提高执行速度 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 22 3 2 基于 GUI 的程序设计 所谓 GUI 程序设计 简单地说就是使应用程序具有图形用户界面 以方便 用户操作 GUI设计原则和一般步骤为 简单 的 说 来 一个好的界面应遵循以 下3个原则 简单性 一致性及习常性 1 简单性 设计 界 面 时 应力求简洁 直接 清晰地体现出界面的功能和特征 那 些可有可无的功能 尽量删去 以保持界面的整洁 设计的图形界面要直观 为 此应多采用图形 而尽量避免数值 设计界面尽量减少窗口数目 力避在不同窗口 之间进行来回切换 2 一致性 所谓一致性有两层含义 一是 读者自己开发的界面风格要尽量一致 二是 设计的界面要与其他已有的界面风格不要截然相左 3 习常性 设计新界面时 应尽量使用人们所熟悉的标志和符号 用户可能并不了解新 界面的具体含义及操作方法 但他完全可以根据熟悉的其它界面作出正确猜测 自学入门 其一般制作步骤为 1 分析界面所要求实现的主要功能 明确设计任务 2 在稿纸上绘出界面草图 并站在使用者的角度来审查草图 3 按构思的草图 上机编写或制作界面 并检查之 4 编写界面动态功能的程序 对功能进行逐项检查 在 MATLAB 环境中 GUI 程序的界面其实就是一个或多个包含各种图形对 象 这些图形对象在 GUI 设计中也称为控件 的图形窗 而 GUI 程序的具体功能由 M 文件实现 即需要为界面上的各个控件编写行为函数 所谓行为函数 就是当 用户激活该控件时要执行的回调函数 因此理解句柄图形系统 控件的回调属性 和回调函数是编写 GUI 程序的关键 下面介绍图形对象的回调属性和回调函数 回调属性 Callback 是控件众多属性中的一个 它指定了在控件上发生特定 事件时必须执行的函数 除Callback属性外 所有控件还有另外3个可以定义回调 函数的属性 ButtonDownFcn 定义在控件上单击鼠标左键时执行的函数 CreateFcn 定义对象创建时执行的函数 DeleteFCn 定义对象被删除时执行的 函数 此外还有部分控件支持更多的回调函数 如图形窗控件 在控件属性中指定回调函数的名字后 下一步就是要编写该回调函数 回调 函数虽然与一般的函数没什么区别 但是它必须至少包含两个输入参数 一个是 调用该函数的控件的句柄 一个是与事件相关的结构 目前该参数被MATLAB保 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 23 留 这两个参数是隐含传递给回调函数的 例如语句 figure WindowButtonDownFcn callback 把回调函数mycallback指定给了图形窗的 WindowButtonDownFcn 属性 则该回 调函数就应该定义为functionmycallback obj eventdada 若回调函数本身还需要包含其他的输入参数 则必须在设置控件的回调属性 时使用单元数组 单元数组中的第一个元素是回调函数的句柄 后面的元素则是 该回调函数的输入参数 GUI程序可以完全采用直接编写M文件的方式来实现 也可以利用MATLAB 提供的GUIDE辅助工具来实现 本程序中用到的内容主要有自制界面菜单和几种用户控件 1 自制的用户菜单 自制用户菜单 通过uimenu指令创建 其典型的调用格式为 Hm uimenu H parent PropertyName propertyValue 其中Hm为该用户菜单的句柄 H parent为其父对象的句柄 该父对象只能是 图形窗对象 或另一用户菜单对象 假如H parent输入宗量缺省 那么菜单项将 建立在当前图形窗的顶层菜单条上 2 用户控件 用户控件主要用了单功能按键 pushbutton 静态文本框 static text 和图像显示 控件 Axes 单功能按键 属性