基于MATLABSimulink的模拟通信系统的仿真(非线性调制).docx

基于MATLAB/Simulink的模拟通信系统的仿真（非线性调制）白雨轩（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1104班，陕西 汉中 723003）指导老师：侯宝生【摘 要】模拟通信系统的非线性调制，包括调频和调相，即角度调制。角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分。FM广泛应用于高保真音乐广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等.PM除直接用于传输外，也常用做间接产生调频信号的过渡。调频和调相之间关系密切。本设计利用MATLAB，在其中利用simulink工具箱和M文件编写程序的功能来实现FM和PM的调制与解调过程，并分别绘制出基带信号，载波信号，已调信号的时域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号，相干解调后信号和解调基带信号的时域波形；并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响。在MATLANB7.8.0中完成了对FM和PM的调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察。通过该课程设计，达到了实现FM和PM信号通过信道，调制和解调系统的仿真目的。【关键字】通信系统 FM PM 调制 解调 M文件simulinkFM signal modulation and demodulationAbstract The nonlinearmodulationanalog communicationsystem,including thefrequency modulation and phase modulation,anglemodulation.Angle modulationand linearmodulation,the modulatedsignal spectrumis no longerlinear movement ofthe originalmodulation signalspectrum,nonlinear transformationbutthe spectrum,can produce newcomponents of different frequenciesandfrequency spectrum shift.FM is widely used inhigh fidelity musicbroadcasting,television soundsignal transmission,satellite communicationand cellular telephonesystemfor.PMin addition to the directtransmission,alsoused astransitionindirectFM signal.Close relationshipbetweenFM and pm.This design using MATLAB,in which theprogramusing Simulink toolboxand M fileto realize the function ofmodulation and demodulationprocess of FMand PMrespectively,anddraw thebaseband signal,the carrier signal,the modulatedwaveformsignal;furtherwere drawnon themodulated signal issuperimposednoisesignal,the time domain waveformcoherent demodulationafter thesignal and demodulationof baseband signal;and throughthe theoretical results andwaveform comparisonto analyze the impactof the simulationaccuracy andnoisemodulation and demodulation systemforsignal demodulation.Themodulation and demodulationof FMand PMandobservedafter adding noisedemodulationresultsin MATLANB7.8.0.Through thecurriculum design,to achievetheFMand PM signalsis realized through thechannel,modulation and demodulation system simulation purpose.keywordcommunicationsystem of FMmodulation and demodulation of PM Mfile simulink目 录摘要1绪论41 FM调制与解调原理42 方 案81 FM的调制模块设置242 FM解调器的设计与仿真253 调制与解调的完整过程26结 论29致 谢30参考文献32绪论使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制（PM），与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。这种优势的代价是占用比调幅信号更宽的带宽。信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程，即是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。信号的接收端就是通过解调来还原已调制信号从而读取发送端发送的信息。因此信号的解调对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制与解调方式往往决定了一个通信系统的性能。本次设计主要设计思想是利用MATLAB这个强大的数学软件工具，其中的通信仿真模块通信工具箱以及M文件等，方便快捷灵活的功能实现仿真通信的调制解调设计。还借助MATLAB可视化交互式的操作，对调制解调处理，降低噪声干扰，提高仿真的准确度和可靠性。要求基于MATLAB的模拟调制与解调仿真，主要设计思想是利用MATLAB、simulink文件、M文件等，方便快捷的实现模拟通信的多种调制解调设计。基于simulink对数字通信系统的调制和解调建模。并编写相应的m文件，得出调试及仿真结果并进行分析。本文经过对FM和PM信号的调制和解调，加深了对FM和PM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。做此课程设计不仅加强了我们对原来的通信原理知识的巩固和了解，同时，此次仿真也可以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，更加对利用MATLAB这个工具如何进行通信仿真有了更进一步的了解，为以后用MATLAB做诸如此类的学习与研究打下了基础。1 FM调制与解调原理1.1模拟通信系统的简介通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信息源发送到一个或多个目的地。通信系统对信号进行两种基本变换： 第一、要把发送的消息要变换成原始电信号。 第二、将原始电信号调制到频率较高的载频上，使其频带适合信道的传输。 调制前和解调后的信号称为基带信号，已调信号也称为频带信号。 对于任何一个通信系统，均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成（如下图所示）。 信息源发送设备信 道接受设备信息源噪声源发送端接收端信道图1-1 通信系统一般模型信息源（简称信源）的作用是把各种信息转换成原始信号。根据消息的种类不同信源分为模拟信源和数字信源。发送设备的作用产生适合传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗噪声的能力，并且具有足够的功率满足原距离传输的需求。信息源和发送设备统称为发送端。发送端将信息直接转换得到的较低频率的原始电信号称为基带信号。通常基带信号不宜直接在信道中传输。因此，在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内进行传输。这就是调制的过程。信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移（解调）到原来的频率范围，这就是解调的过程。信号在信道中传输的过程总会受到噪声的干扰，通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为加性噪声。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真。在本仿真的过程中我们假设信道为高斯白噪声信道。1.2模拟通信系统模型频带信号基带信号噪声源框图如下图所示： 图1-2 模拟系统框图调制在通信系统中具有十分重要的作用。一方面，通过调制可以把基带信号的频谱搬移到所希望的位置上去，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号。另一方面，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力，同时，它还和传输效率有关。不同的调制方式产生的已调信号的带宽不同，因此调制影响传输带宽的利用率。可见，调制方式往往决定一个通信系统的性能。1.3数字通信系统模型信息源信道编码器基带脉冲生成器数字调制器信道数字解调器采样判决器信道译码器信源译码器受信者图1-3 数字通信系统噪声源信源编码器信源编码/译码：主要完成A/D变换、数据压缩、加密等三部分功能；信道编码/译码：数据扩张，增加保镖，提高抗干扰能力等；基带脉冲生成器/抽样判决器：数字基带传输系统的重要部分；数字调制器/解调器： (1) 将数字基带信号的频谱搬移到信道的频带之内，以便于在信道中传输；(2) 便于对信道进行频分复用，从而有效地利用信道的频率资源。数字解调是数字调制的反过程。模拟通信的主要特点：l 简单、易于实现l 抗干扰能力差l 不易于保密通信l 设备不易于大规模集成l 不适应飞速发展的计算机通信的要求2 方 案在本次设计中，我负责的是FM的调制与解调，接下来，就将其所属的方案进行介绍。2.1方案一在Matlanb系统环境中的Simulink工具箱中有专属的FM调制与解调的模块，即如下图所示：调制模块 解调模块 将这两个模块与信号源以及信道相连接，通过示波器以及频谱仪便可以观察到各个方块的波形图以及频谱。参数设置如下：信号源参数设置：在最后一栏为采样时间设置，也可以用零阶保持器设置采样时间可以达到同样的效果。FM调制模块参数设置：信道参数设置：在此处，得注意一点，即不可将FM调制模块与FM解调模块之间连接，二者所需的时间格式不同，在此加入信道，可避免错误的出现的。以及，在设置FM调制和解调模块的参数时，为了仿真顺利进行，得注意二者的共同之处。FM解调模块参数设置：零阶保持器的参数设置：在本次设计中，将会用到三个零阶保持器，参数设置相同。频谱仪（1）的参数设置：频谱仪（空）的参数设置：频谱仪（2）的参数设置：频谱仪的设置应该说是最难设置的，因为不仅仅要考虑到频率的范围，还有FFT的长度，以及其它各个参量的设置，为了能看到最终的结果，需要一次次的尝试每个参量的范围。示波器的参数设置：示波器的设置在其所成像的方框内，与其它的设置地方不同。最终连接图如下：图2-1 FM的调制与解调的最终图形仿真波形图结果如下：其中第二幅波形图是将信号源的波形与调制后的波形进行比较。仿真频谱图如下：在本方案中，基本上把所要求的波形图以及频谱图表现出来了，总体说是成功的。而在本方案的设计的过程中中，参数设置是主要问题，因为调制和解调模块在Simulink工具箱中具备了，需要做的就是将它们连接起来，并设置合适的参数，使其可以将所需的效果很好的表达出来。譬如，在连接频谱仪的时候，刚开始的时候并没有加入零阶保持器，总会报错，零阶保持器的作用是将采样时间转换为连续时间，则满足了频谱仪的要求。由于之前对于MATLANB的运用不是很熟练，在本次课设过程中的参数进行设置的时候，会碰到很多的问题。2.2方案二echo off close allclear allclcdt=0.001; t=0:dt:1.5; am=5; fm=5; mt=am*cos(2*pi*fm*t); fc=50; ct=cos(2*pi*fc*t); kf=10; int_mt(1)=0;for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt; end sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt); sn1=10; sn2=30; sn=0; db=am2/(2*(10(sn/10); n=sqrt(db)*randn(size(t); nsfm=n+sfm; for i=1:length(t)-1 diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;enddiff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm); zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;ts=0.001; fs=1/ts; df=0.25; m=am*cos(2*pi*fm*t); fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;else n1=fs/df;endn2=length(m);n=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2);M=fft(m,n);m=m,zeros(1,n-n2);df1=fs/n; M=M/fs; f=0:df1:df1*(length(m)-1)-fs/2; fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;else n1=fs/df;endn2=length(sfm);n=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2);U=fft(sfm,n);u=sfm,zeros(1,n-n2);df1=fs/n; U=U/fs; disp(按任意键可以看到原调制信号、载波信号和已调信号的曲线)pausefigure(1)subplot(3,1,1);plot(t,mt); xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);subplot(3,1,2);plot(t,ct); xlabel(时间t);title(载波的时域图);subplot(3,1,3);plot(t,sfm); xlabel(时间t);title(已调信号的时域图);disp(按任意键可以看到原调制信号和已调信号在频域内的图形)pausefigure(2)subplot(2,1,1)plot(f,abs(fftshift(M) xlabel(频率f)title(原调制信号的频谱图)subplot(2,1,2)plot(f,abs(fftshift(U)xlabel(频率f)title(已调信号的频谱图)disp(按任意键可以看到原调制信号、无噪声条件下已调信号和解调信号的曲线)pausefigure(3)subplot(3,1,1);plot(t,mt);xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);subplot(3,1,2);plot(t,sfm); xlabel(时间t);title(无噪声条件下已调信号的时域图);nsfm=sfm; for i=1:length(t)-1 diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;enddiff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm); zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;subplot(3,1,3); plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间t); title(无噪声条件下解调信号的时域图);disp(按任意键可以看到原调制信号、小信噪比高斯白噪声条件下已调信号和解调信号已调信号的曲线)pausefigure(4)subplot(3,1,1);plot(t,mt); xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);db1=am2/(2*(10(sn1/10); n1=sqrt(db1)*randn(size(t); nsfm1=n1+sfm; for i=1:length(t)-1 diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt;enddiff_nsfmn1 = abs(hilbert(diff_nsfm1); zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm),diff_nsfm); xlabel(时间t);title(含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图);subplot(3,1,3); plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间t); title(含小信噪比高斯白噪声解调信号的时域图);disp(按任意键可以看到原调制信号、大信噪比高斯白噪声条件下已调信号和解调信号已调信号的曲线)pausefigure(5)subplot(3,1,1);plot(t,mt); xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);db1=am2/(2*(10(sn2/10); n1=sqrt(db1)*randn(size(t); nsfm1=n1+sfm; for i=1:length(t)-1 diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt;enddiff_nsfmn1 = abs(hilbert(diff_nsfm1); zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm1),diff_nsfm1); xlabel(时间t);title(含大信噪比高斯白噪声已调信号的时域图);subplot(3,1,3); plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间t); title(含大信噪比高斯白噪声解调信号的时域图);仿真结果如下：2.3方案三 1 FM的调制模块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。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2-5 FM调制过程仿真模块图2 FM解调器的设计与仿真 非相干解调器原理框图如图2-6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。 图2-6 非相干解调器原理框图 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。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。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。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。从此滤波器输出的信号，就是取出调制信号。图2-11 解调过程仿真模块图3 调制与解调的完整过程将图 2-5和图 2-11 两个仿真模块连接起来就形成完整的调制解调仿真。调制解调前后以及已调信号的波形图对比分别图2-13,2-14,2-15所示。 图2-12 调制解调完整仿真图图2-13 信号源波形图 图2-14 解调后波形图 图2-15 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2-13,2-14,2-15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。2.4方案四PM的调制与解调MATLAB的功能性工具箱主要用来扩充MATLAB的数值分析、矩阵运算、数字信号处理、符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能、与硬件实时交互功能。SIMILINK 模块库按功能进行分类，包括以下8类子库： Continuous（连续模块），Discrete（离散模块），Function&Tables（函数和平台模块），Math（数学模块），Nonlinear（非线性模块），Signals&Systems（信号和系统模块），Sinks（接收器模块），Sources（输入源模块）。假定基频信号为m(t)=cos(10*t)，载波频率f=100Hz，相位偏差K=， 仿真电路如图所示：最终连接框图结果显示示波器显示结果图频谱分析器显示结果图结 论本次课设接近尾声，我将在课设中学到的一些东西总结如下：1.团队交流及老师的重要性。接到课设题目的时候，也知道了自己的组员有些谁，虽然上学期有学过通信原理的课程，但那些也只是课本上的理论，将其合理的运用的课设中是本次课设最核心的东西。因此，这需要我们共同讨论，研究，才能尽快尽好的完成任务。组员之间的意见交流很重要。同时，碰到一些我们自己解决不老的问题时，就需要求助于指导老师了。在自主研究之后，加上指导老师的帮助，就事半功倍了。2.提高动手操作能力和耐心的必要性。从课本，网上找过相关题材，原理搞懂了之后，就是动手实践，其中的操作过程没人说的，所以，只能一个模块一个模块的连接，一个参数一个参数的设置，有时候会有很多的参数影响一个结果，这时候就得耐着性子，一个一个的去修改，直到找到影响最终显示结果的关键参数，从而达到预期的目的。这个过程说着容易，但做起来很费时间，所以耐心很必要。3.至少保证一个方案做好。有的同学在某个方案中遇到问题，总是得不到解决便会舍弃而去重新找一个方案。其实课设的原理，理论是不变的，变得只是各个模块的内部器件的选择和连接方式。所以，集中设置一个方案，将其从理论和它的独有的特点搞清楚，然后，不再管其他的，着手主要攻克这个方案，想尽一切方法去达到目的，一定会成绩的。4.Matlab软件的使用。它是一个非常实用的软件，它不但可以进行复杂的数值运算，还能够对图像进行各种分析处理。因此，在今后的学习工作中，我还会继续对Matlab进行更加深入的学习和应用，用它来解决今后将