AM调制与解调的设计与实现PPT课件

1 课题三 AM调制与解调的设计与实现 2 一 AM调制解调的原理 通信的目的是传输信息 如何准确地传输信息是通信的一个重要目标 通常从信源产生的原始的基带信号具有较低频率的频谱分量 这种信号在多信道复用 无线电传输等场合不适宜直接进行传输 因此 在通信系统的发送端通常要将基带信号调制在较高的载频上 而在接收端则需要有相反的过程 解调 根据调制前的信号是模拟信号还是数字信号 可以把信号调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 本次设计只考虑模拟调制方式 3 模拟调制方式是载频信号的幅度 频率或相位随着欲传输的模拟输入基带信号的变化而相应发生变化的调制方式 包括 幅度调制 AM 频率调制 FM 相位调制 PM 三种 幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅 使其按调制信号的规律变化 其它参数不变 是使高频载波的振幅载有传输信息的调制方式 振幅调制分为三种方式 普通调幅方式 AM 抑制载波的双边带调制 DSB SC 和单边带调制 SSB 所得的已调信号分别称为调幅波信号 双边带信号和单边带信号 4 2 1普通调幅波在单一频率信号作为调制信号时 调幅波的表达式为 若调制信号为非正弦波 其表达式为 在上两式中 为调幅度或调制度 否则会产生过调制 调幅波的频谱由三部分组成 包括载频分量和上 下边频 带 振幅调制是把调制信号的频谱搬移到载频两端 在搬移的过程中频谱结构不变 这类调制属于频谱的线性搬移 调幅信号的带宽为调制信号最高频的两倍 即BW 2Fmax 5 2 2双边带调制在调制过程中将载波抑制就形成了抑制载波的双边带信号 简称双边带信号 双边带信号的表达式为 双边带信号的振幅与调制信号的绝对值成正比 其频谱只有上 下边频 带 载波分量被抑制 2 3单边带调制单边带调制是由双边带经滤除一个边带或在调制过程中直接将一个边带抵消而成 单边带信号可分为上边带和下边带信号 单边带信号的一般表达式为 单边带调制方式在传输信息时 它所占用的频带为 比AM DSB减小了一半 频带利用充分 因此目前已成为短波通信中的一种重要调制方式 6 2 4调幅波的解调调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程 通常称为检波 调幅波解调方法有二极管包络检波器 同步检波器 不论哪种振幅调制信号 都可采用相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调 但是 对于普通调幅信号来说 它的载波分量未被抑制掉 可以直接利用非线性器件实现相乘作用 得到所需的解调电压 而不必另加同步信号 通常将这种振幅检波器称为包络检波器 目前应用最广的是二极管包络检波器 而在集成电路中 主要采用三极管射极包络检波器 同步检波 又称相干检波 主要用来解调双边带和单边带调制信号 它有两种实现电路 一种由相乘器和低通滤波器组成 另一种直接采用二极管包络检波 7 2 5频分复用的原理在通信系统中 信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多 如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的 为了能够充分利用信道的带宽 就可以采用频分复用的方法 在频分复用系统中 信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段 每路信号用其中一个频段传输 因而可以用滤波器将它们分别滤出来 然后分别解调接收 频分多路复用系统的优点 信道复用率高 分路方便 因此 频分多路复用是目前模拟通信中常采用的一种复用方式 特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛 频分多路复用中的主要问题是各路信号之间的相互干扰 即串扰 引起串扰的主要原因是滤波器特性不够理想和信道中的非线性特性造成的已调信号频谱的展宽 调制非线性所造成的串扰可以部分地由发送带通滤波器消除 但信道传输中非线性所造成的串扰则无法消除 因而在频分多路复用系统中对系统线性的要求很高 合理选择载波频率 并在各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔 也是减小串扰的有效措施 8 二 使用Simulink建模和仿真 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 9 Simulink模块库简介 Continuous 连续模块 库Discrete 离散模块 库函数与表格模块库Math 数学模块 库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 Sources 信号源模块 库 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 10 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 11 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 12 利用Simulink建立一个仿真实例 系统的传递函数为 输入激励为阶跃函数 查看系统响应的输出变化情况 13 首先打开simulink模块库窗口 在simulink模块库窗口中单击菜单项 File New Model 即可以建立一个新的simulink模型文件 如图2 1所示 14 利用鼠标单击Simulink模块库窗口中的Continuous子库 选取传递函数模块TransferFcn 将它拖动到新建模型文件窗口的合适的位置 然后对模型模块进行参数设置和修改 单击右键从快捷菜单中选取 TransferFcnparameters 修改传递函数参数 在弹出对话框中的传递函数分子系数 Numerator 栏填入 10 在传递函数分母系数 Denominator 栏填入 1 3 10 其余参数使用默认值 若需要进一步了解该模块的参数设置说明 可以单击该对话框下方的 help 按钮 然后确认 就得到了需要仿真的传递函数 如图2 2所示 采用同样的方法 在Simulink模块库中的Sources子库中选取激励信号源 本例选取阶跃信号源 Step 并将它拖动到建模文件窗口的合适的位置 然后在Sinks子库中选取示波器 Scope 模块作为系统输出波形显示 15 16 模块连接方法 模块外部的大于符号 分别表示信号的输入输出节点 为了连接两个模块的输入输出节点 可以将鼠标置于节点处 这时鼠标显示为 十 字形状 拖动鼠标到另一个模块的端口 然后释放鼠标按钮 则可以形成带箭头的连线 箭头方向表示信号的流向 完成后的建模系统可以存盘为模型文件 扩展名为 mdl 如图2 3所示 图2 3完成的建模方框图 17 对输入信号源 Step 进行参数设置 根据仿真需要修改后的参数值如表2 1所示 输入信号源 Step 的参数设置界面如图2 4所示 18 最后双击示波器模型图标 打开示波器显示窗口 在快捷键设置菜单中设置为自动刻度 图2 3完成的建模方框图以上工作完成后 可通过建模窗口菜单项 Simulation Start 启动仿真 也可以单击工具栏上的小三角按钮启动仿真 仿真结果如图2 5所示 19 设计举例 1 通带频率调制的系统的参考仿真框图 20 图2 7通带频率调制的仿真系统中示波器的波形图 21 图2 8通带频率调制后信号的频谱图 22 2 通带相位调制的系统的参考仿真框图 23 图2 10通带相位调制的仿真系统中示波器的波形图 24 补充 关于FM本课题的目的 本课程设计课题主要研究模拟系统FM调制与解调的设计和实现方法 通过完成本课题的设计 拟主要达到以下几个目的 1 掌握模拟系统FM调制与解调的原理及实现方法 2 掌握模拟系统FM调制与解调的设计方法 3 掌握应用MATLAB分析系统时域 频域特性的方法 进一步锻炼应用Matlab进行编程仿真的能力 4 熟悉基于Simulink的动态建模和仿真的步骤和过程 5 了解基于LabVIEW虚拟仪器的特点和使用方法 熟悉采用LabVIEW进行仿真的方法 25 二 课题任务 设计一个模拟系统 实现FM调制与解调 要求分别采用Matlab语言和LabVIEW虚拟仪器两种方式来完成设计任务 测量系统的频率特性 并与理论结果进行比较分析 1 采用Matlab语言设计 要求分别采用两种方式进行仿真 即直接采用Matlab语言编程的静态仿真方式和采用Simulink进行动态建模和仿真的方式 2 采用虚拟仪器LabVIEW进行仿真设计 26 三 主要设备和软件 1 PC机 一台2 MATLAB6 5以上版本 一套3 基于PC的DSO 2090USB数字示波器 一台4 LabVIEW7 0以上版本 一套5 数字示波器与MATLAB接口软件模块 一套 27 四 设计内容 步骤和要求 1 基于Matlab的软件部分 1 根据设计指导书给定的系统性能指标参数及具体要求 初步确定分别实现FM调制及解调 PM调制及解调的系统框图 设计并画出电路原理图 2 根据设计的系统框图 给出具体的参数 进行基于Matlab语言的静态仿真设计 分别实现单音调制的FM调制及解调 PM调制及解调的系统仿真设计 要求给出系统的Matlab编程仿真程序及结果 并要求写出程序的具体解释说明 记录系统的各个输出点的波形和频谱图 要求调制信号分别采用不同类型的信号进行仿真 至少给出两种以上调制信号源 具体参数自定 载波信号频率根据设计情况设定 28 3 根据设计的系统框图 给出具体的参数 进行基于Simulink的动态仿真设计 实现单音调制的FM调制及解调的系统动态仿真设计 要求包括调制和解调的部分 并给出系统的基于Simulink的动态建模和仿真的系统方框图 同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图 要求采用两种以上调制信号源进行仿真 具体参数自定 载波信号频率根据设计情况设定 29 2 基于LabVIEW的软件部分根据设计的系统框图 给出具体的参数 进行基于LabVIEW环境的仿真 实现单音调制的FM调制与解调的系统仿真设计 要求调制信号采用不同类型的信号源 给出系统的前面板和框图 并记录仿真结果 观察分析频谱的变化情况及调频信号的有效带宽 30 3 选做部分设计一个复杂音调制的FM调制与解调系统 分别采用基于Matlab的静态仿真和动态仿真的形式来模拟仿真系统 记录系统的波形及频谱图 由复杂音调制的调频信号的波形图及频谱图观察其变化 并与理论情况比较 分析调频信号的瞬时角频偏的变化情况以及频谱图的特点 31 附录 设计原理一 FM调制与解调的原理 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 32 1 角度调制 调角 1 调频 FM 载波信号的频率按调制信号规律变化 2 调相 PM 载波信号的相位按调制信号规律变化 两种调制方式均表现为载波信号的瞬时相位受到调变 故统称为角度调制 简称调角 调角优点 抗干扰能力强缺点 频谱宽度增加 2 两种调制信号的基本特性 载波一般式 v Vmcos t 矢量表示 Vm 矢量的长度 t 矢量转动的瞬时角度 类似于圆周运动中的角位移 调频信号和调相信号 33 1 调幅信号 矢量长度 Vm0上叠加调制信号信息 Vm Vm0 kav t v t Vm0 kav t cos ct 0 ka 比例常数 0 起始相角 v t 调制信号电压 2 调相信号 矢量长度 恒值Vm 瞬时相角 在 ct上叠加