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基于MATLAB的模拟调制系统仿真与测试(AM调制)


闽江学院
《通信原理设计报告》

题 学 专 组 组

目:基于 MATLAB 的模拟调制系统仿真与测试 院:计算机科学系 业:12 通信工程 长:曾锴(3121102220) 员:薛兰兰(3121102236)
项施旭(3121102222) 施 杨 敏(3121102121) 帆(3121102106)

冯铭坚(3121102230) 叶少群(3121102203) 张 浩(3121102226)

指导教师: 余根坚 日期:2014 年 12 月 29 日——2015 年 1 月 4 日

摘 要 在通信技术的发展中,通信系统的仿真是一个重点技术,通过调制能够将 信号转化成适用于无线信道传输的信号。 在模拟调制系统中最常用最重要的调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制 和角度调制。在幅度调制中,文中以调幅、双边带和单边带调制为研究对象,从 原理等方面阐述并进行仿真分析;在角度调制中,以常用的调频和调相为研究对 象,说明其调制原理,并进行仿真分析。利用 MATLAB 下的 Simulink 工具箱对模 拟调制系统进行仿真,并对仿真结果进行时域及频域分析,比较各个调制方式的 优缺点,从而更深入地掌握模拟调制系统的相关知识,通过研究发现调制方式的 选取通常决定了一个通信系统的性能。 关键词 模拟调制;仿真; Simulink


1.1 1.2 1.3 1.4



第一章绪论....................................................................................................................1
引言.........................................................................................................................................1 关键技术 ............................................................................................................................... 1 研究目的及意义 ................................................................................................................... 2 本文工作及内容安排 ........................................................................................................... 2

第二章 模拟调制原理..................................................................................................3
2.1 幅度调制原理 ....................................................................................................................... 3 2.1.1 AM 调制 .......................................................................................................................... 4

第三章 基于 Simulink 的模拟调制系统仿真与分析 ............................................... 6
3.1 Simulink 工具箱简介............................................................................................................. 6 3.2 幅度调制解调仿真与分析 ................................................................................................... 8 3.2.1 AM 调制解调仿真及分析 .............................................................................................. 8

第四章 总结 ............................................................................................................... 12
4.1 代码 ..................................................................................................................................... 13

4.2 总结...................................................................................................................14

第一章 绪论
1.1 引言
在通信技术的发展中,通信系统的仿真是一个技术重点。通常情况下,调制 可以分为模拟调制和数字调制。在模拟调制中,调制信号为连续的信号,而在数 字调制中调制信号为离散信号。调制对通信系统有着非常重要的作用。经过调制, 不仅能够实现频谱的搬移,把调制信号的频谱搬移到其所需要的位置上,从而使 调制信号被转换成适合于信道传输或利于信道多路复用的已调制信号,而且它对 于系统传输的可靠性和有效性有着非常大的影响和作用 [1]。调制方式的选取直接 影响了一个通信系统的性能。
在模拟通信系统中最常用最重要的调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调 制。本次毕业设计的重点就是根据模拟通信系统中调制解调的基本原理进行仿真,基于 MATLAB 对模拟调制系统进行研究仿真,结合 MATLAB 模块和 Simulink 工具箱的实现,对 仿真结果进行分析,从而能够更加深入地掌握通信原理中模拟调制系统的相关知识。本文主 要以调幅 (Amplitude Modulation ,AM) 、 双边带 (Double Side Band,DSB) 、 单边带 (Single Side Band,SSB)调制。为研究对象,研究其调制原理并进行仿真,分析各个调制方式优缺点。

1.2 关键技术
(1)调制 调制在通信系统中有着至关重要的作用。所谓的调制,就是把调制信号转换 成合适于信道传输的形式的一种过程。 广义的调制可以分为基带调制和带通调制, 也叫做载波调制。在大多数场合,调制一般指的是载波调制。 载波调制,就是指用调制信号控制载波参数的一个过程,使载波的一个或几 个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号即为基带 信号,这些信号可以是模拟信号,也可以是数字信号。未受调制的周期性振荡信 号称为载波,它可以是正弦波,也可以是非正弦波。经过载波调制后的信号称为 已调信号,它包含了调制信号的所有特征。 (2)解调 解调是调制的逆过程,其作用是从接收的已调信号中恢复出原基带信号。解 调的方法可分为两类:相干解调和非相干解调。 相干解调也叫同步检波。解调和调制的实质一样,均是频谱搬移。相干解调 时,为了可以无失真地恢复出调制信号,接收端必须提供一个本地载波与接收的 已调载波严格同步,即同频同相的本地载波,它与接收的已调信号相乘后,经过 低通滤波器滤除其高频分量,便可以得到原始的调制信号。相干解调器适用于所 有线性调制信号的解调,即对于 AM、DSB、SSB 都适用,只是 AM 信号的解调

结果中含有直流成分 A0,这时在解调后加上一个简单的隔直流电容即可[4]。
包络检波就是直接从已调波的幅度中提取原调制信号,其结构简单,且解调输出是相干 解调输出的 2 倍。DSB 和 SSB 均是抑制载波的已调信号,其包络不直接表示调制信号,因而 不能采用简单的包络检波进行解调,但若插入很强的载波,使之成为或近似为 AM 信号,则 可利用包络检波器恢复调制信号,这种方法称为插入载波包络检波法[6]。为了保证检波质量, 插入的载波振幅应远大于信号的振幅,同时也要求插入的载波与调制载波同频同相。

1.3 研究目的及意义
在通信技术的发展中,将 MATLAB 的图形绘制和系统仿真等功能应用于通信原理教学 中,使一些抽象的概念和原理可视化,便于理解和接受,通信原理是通信专业基础课,在通 信工程专业的课程体系结构中起着非常重要的作用 [8,9]。模拟调制通信技术作为一门新兴技 术,同其他领域的合作有着广泛的应用前景,及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿 科技的研究,对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。在通信系统中,为使各种信源 产生的信息信号适合在信道中传输,还需进行调制,由于消息变换过来的原始信号具有频率 较低的频谱分量,这种信号大多不适宜直接传输。必须先经过在发送端调制才便于信道传输。 除此之外调制技术还可以改善系统的抗噪声性能,实现信道的多路复用。模拟调制技术在 20 世纪曾有较大应用,如军事通信、短波通信、微波中继、模拟移动通信、模拟调频广播和模 拟调幅广播等,虽然现在通信的发展趋势为数字化,但不能完全代替模拟技术,而且模拟技术 是通信理论的基础,因此研究模拟调制系统仿真对通信工程发展尤为重要[10]。

1.4 本文工作及内容安排
本文在分析已有研究成果的基础上,首先简单的阐述了调幅、双边带调制、 单边带调制、与解调原理,简单的分析了各调制方式的波形特点。接着主要 介绍了基于 Simulink 的设计思路及方案,最后对其仿真结果进行仔细分析,并比 较各个调制方式的优缺点。 本文的内容安排如下: 第一章介绍了论文的课题背景,包括国内外研究现状和关键技术,阐述了课 题的目的与意义,概述了本论文的主要工作; 第二章对模拟调制系统进行了概述,分别介绍了 AM、DSB、SSB 各种调制 信号的调制与解调的原理和表达式,并逐一仔细的分析了各波形特点; 第三章简要介绍 Simulink 工具箱, 并说明其使用方法, 利用 Simulink 对 AM、 DSB、SSB 信号进行了系统设计与实验仿真,并对仿真结果进行了分析,比较各 种调制方式的优缺点;

2.1 幅度调制定理

2.1.1 DSB 调制
幅度调制是用调制信号去控制高频载波的幅度,使之随调制信号做线性变化 的过程。 标准调幅就是常规双边带调制,简称调幅。将基带信号 m(t)与一个直流分量 A 0 叠加后再与载波 cos ?ct 相乘,便可产生调幅信号 S m (t ) 。其 AM 调制原理图如 图 2.1 所示。
m ?t ? Sm ? t ?

A0

cos ?ct

图 2.1AM 调制原理图

其时域表达式为

SAM (t ) ? [ A0 ? m(t )]cos ?c (t ) ? A0 cos ?ct ? m ?t ? cos ?ct
若 m(t)为确知信号,则幅度调制信号的频域表达式为

(2-1)

1 S AM (? ) ? ? A0 [? (? ? ?c ) ? ? (? ? ?c )] ? [ M (? ? ?c ) ? M (? ? ?c )] (2-2) 2 式中,A0 为外加的直流分量,m(t)可以是确知信号也可以是随机信号,但通常要

求其均值为 0,即 m(t ) ? 0 。 在 AM 信号中,载波分量并不携带信息,信息完全由边带传送。 解调是调制的逆过程,其作用是从接收的已调制信号中恢复出原基带信号, 解调的方法一般有两种: (1)相干解调; (2)非相干解调,又名包络检波[4]。此 处采用相干解调,解调原理图如图 2.2 所示。
S m ?t ?
S p ?t ?

LPF

S d ?t ?

cos ?c t

图 2.2 相干解调原理图 由 AM 信号的频域表达式 2-2 可知,如果将已调信号的频谱搬回到原点位置,即可得到原始 的调制信号频谱,从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可

用调制时的相乘运算来实现,将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波

cos ?ct ,得表达式 2-3 所示。
S AM ?t ? ? cos?c t ? ? A0 ? m?t ??cos2 ?c t
(2-3)

由式 2-3 可知,只要用一个低通滤波器,就可以将第 1 项与第 2 项分离,如 表达式 2-4 所示。
S d (t ) ? m0 (t ) ? 1 ? A0 ? m(t ) ? 2
(2-4)

由于 AM 调制解调后存在直流分量,去除直流分量得 1 m0 (t ) ? m(t ) 2 位的条件得不到满足,则会破坏原始信号的恢复。

(2-5)

相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相

3.1 Simulink 工具箱简介
Simulink 是 MATLAB 软件中的一个工具箱,它是实现动态系统建模、仿真实 现和综合分析的一个软件包。 它与 MATLAB 语言的主要不同在于, 其与用户的交 互接口是基于 Windows 的模型化图形输入,无需编写大量程序,使得用户可以把 更多的精力和焦点投入于系统模型的构建上,而不是在语言的编程上。 Simulink 为用户提供了一个图形化的用户界面,对于用方框图表示的系统,通过图形界面, 利用鼠标点击和拖拉的方式,建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图 一样简单。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具,是一种基于 MATLAB 的框 图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线 性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以 用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速 率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型, Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口,这个创建过程只需单击和 拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以 立即看到系统的仿真结果。Simulink 软件包与用微分方程和差分方程建模的传统 仿真软件包相比,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,已被广泛应用于控制理论和数字信号处理及通信原理的复杂仿 真和设计。 它既实现了可视化的动态仿真, 也实现了与 MATLAB、 C 或 FORTRAN 语言,甚至和硬件之间的数据传送,大大的扩展了它的功能。 而所谓模型化图形输入是指 Simulink 提供了一些按照功能来分类的基本的系 统模块,用户只需要了解这些模块的输入、输出以及模块的功能和用法,而没有 必要去考察其模块内部是如何实现完成的,通过对这些基本模块的调用,再把它 们都连接起来便能够构成所要实现的系统模型,以.mdl 文件的形式进行存取,从 而实现仿真与分析[21]。Simulink 的模块库按照功能来进行分类,可分为以下 8 类 子库:Continuous(连续模块) ,Discrete(离散模块) ,Signals&Systems(信号和 系统模块) , Function&Tables(函数和平台模块) , Math(数学模块) , Nonlinear (非线性模块) ,Sinks(接收器模块) ,Sources(输入源模块) 。

本课程设计用到的主要模块如下: (1) Add:加法器,实现加法运算。 (2) Product:乘法器,实现乘法运算。 (3)

Subtract:减法器,实现减法运算。

(4)

Scope:示波器,观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线。

(5)

Lowpass Filter:低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过, 但高于截止频 率的信号不能通过的电子滤波装置。

(6)

Bandpass Filter:带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段 的设备。 (7)

Zero-Order Hold:零阶保持器,其作用是在信号传递过程中,把第 nT 时刻的

采样信号值一直保持到第(n+1)T 时刻的前一瞬时,把第(n+1)T 时刻的采样值一直 保持到(n+2)T 时刻,依次类推,从而把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。 因为在每一个采样区间内连续的阶梯信号的值均为常值,亦即其一阶导数为零, 故称为零阶保持器。

(8)

Spectrum Scope:频谱仪,主要用于射频和微波信号的频域分析,包括测量信 号的功率、频率、失真产物等。 (9)
信号发生器。可以输入不同的信号

3.2 幅度调制解调仿真与分析
3.2.1 AM 调制解调仿真及分析
在熟悉 Simulink 模块功能的基础上, 根据 AM 调制模型图用 Simulink 工具箱连接 仿真实现如图 3.1 所示

图 3.1 AM 调制解调实现图

将基带信号 m(t ) 幅度设为 1V, 频率为 2Hz; 载波 c (t ) 幅度为 1V, 频率为 200Hz; 载波 c' (t ) 幅度为 1V,频率为 200Hz;低通滤波器截止频率为 10Hz;载波信号的

抽样时间设为 1/2000,零阶保持器设为 1/1000。 仿真得到基带信号频谱图如图 3.2,已调信号频谱图如图 3.3 所示

图 3.2 AM 基带信号频谱图

图 3.3 AM 已调信号频谱图

对比图 3.2 和图 3.3 可知:此种调制方式占用频带较宽,已调信号的频带宽度 是基带信号的频带的两倍。

输出波形图如图 3.4 所示。

图 3.4 AM 调制解调输出波形图

在图 3.4 中第一个是调制信号波形,中间的是已调制信号波形,第三个是已 解调信号波形。输入不同的基带信号都可以调制解调出来。
从图 3.4 中可以发现:已解调信号的幅度为调制信号的 1/2。由于被调信号的包络就是调 制信号叠加一个直流,所以容易实现峰值包络解调。AM 调制含有正弦载波分量,即有部分 功率耗用在载波上,而没有用于信息的传送,效率较低,但调制和解调过程简单。

第四章.总结

4.1AM 调制的代码

t=-1:0.00001:1;%定义时长 A0=10;%载波信号振幅 A1=5;%调制波信号振幅 A2=3;%已调信号振幅 f=6000;%载波信号频率 w0=f*pi;%角频率 m=0.15;%调制度 Ft=2000;%采样频率 fpts=[100 120];%通带边界频率 fp=100Hz,阻带截止频率 fs=120Hz mag=[1 0]; dev=[0.01,0.05];%带通拨动 1%,阻带波动 5% [n21,wn21,beta,ftype]=kaiserord(fpts,mag,dev,Ft); %kaiscrord 估计采用凯赛窗 设计的 FIR 滤波器参数 b21=fir1(n21,wn21,Kaiser(n21+1,beta));%由 FIRL 设计滤波器 [h,w]=freqz(b21,1);%返回量 H 则包含了离散系统频响在 0~pi 范围内 N 个频 率等分点的值,向量 w 则包含 范围内 N 个频率等分点。 %**********************载波信号********************** Uc=A0.*cos(w0*t);%载波信号 subplot(5,2,1); plot(t,Uc);%画出载波信号 title('载波信号'); axis([0,0.01,-15,15]);%坐标区间 T1=10*fft(Uc);%傅里叶变换 subplot(5,2,2); plot(abs(T1));%画出载波信号频谱 title('载波信号的频谱'); axis([5800,6200,0,10000000]);%坐标区间 %**************调制信号************************** mes=A1*cos(0.001*w0*t);%调制信号 subplot(5,2,3); plot(t,mes);%画出调制信号 title('调制信号');

T2=fft(mes);%傅里叶变化 subplot(5,2,4); plot(abs(T2));%画出调制信号的频谱 title('调制信号的频谱'); axis([198000,202000,0,2000000]);%坐标区间 Uam=A2*(1+m*mes).*cos((w0.*t));%已调信号 subplot(5,2,5); plot(t,Uam);%画出已调信号 title('已调信号'); T3=fft(Uam);%已调信号的傅里叶变换 subplot(5,2,6); plot(abs(T3));%画出已调信号的频谱 title('已调信号频谱'); axis([5950,6050,0,500000]);%坐标区间 %**************对 AM 信号进行解调:滤波前**************** Dam=Uam.*cos(w0*t);%对 AM 已调信号进行解调 subplot(5,2,7); plot(t,Dam);%画出滤波前的 AM 解调信号 title('滤波前的 AM 解调信号波形'); T4=fft(Dam); subplot(5,2,8); plot(abs(T4));%滤波前 AM 解调信号的频谱 title('滤波前的 AM 解调器信号频谱'); axis([187960,188040,0,200000]); %**************对 AM 信号进行解调:滤波后**************** z21=fftfilt(b21,Dam);%FIR 低通滤波 subplot(5,2,9); plot(t,z21);%滤波后的 AM 解调信号 title('滤波后的 AM 解调信号的波形'); T5=fft(z21);%求 AM 信号的频谱 subplot(5,2,10); plot(abs(T5));%画出滤波后的 AM 解调信号的频谱 title('滤波后的 AM 信号的频谱'); axis([198000,202000,0,200000]);

4.2 总结
通过本次课程设计,我熟悉了 MATLAB 下用 Simulink 进行通信仿真的过程, 对一些过去没有弄懂或认识模糊的概念、理论有了正确的认识,提高自己的基本 动手能力,提高人才培养的基本素质,并帮助我们掌握基本的文献检索和文献阅 读的方法,同时提高了我们正确地撰写报告的基本能力,为以后的工作和学习打 下基础。 在毕业设计中有收获,也有许多不足之处。在进行频谱分析时,加上频谱仪 时仿真总会报错,频谱始终出不来,这让我很沮丧。然后再学习其原理,上网查 了一些资料后发现,频谱仪只能对离散信号进行频谱分析,我又对基带信号和载 波信号进行了抽样,并在频谱仪前加上了一个零阶保持器,这才使频谱分析结果 出来了。在实际仿真过程中滤波器的参数设置对仿真结果的影响比较大。通过本 次毕业设计,我加深了对信号传输过程的理解,知道了噪声在信号传输过程中对 于信号的影响,以及信号源如何与载波调制成已调波,信号在传输过程中要进行 调制的原因,噪声对信号的影响,可以通过低通滤波器消除白噪声对信号的影响。 通过这次课程设计学到很多东西,不仅巩固了以前所学过的知识,而且学到 了很多在书本上学不到的知识,拓宽了我们的知识面。通过这次课程设计使我深 刻理解了理论与实际相结合的重要性,只有理论知识是远远不够的,必须把所学 的理论知识与实践相结合,从理论中得出结论,从而提高自己的实际动手能力和 独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题,锻炼了发现和解决问题的能 力,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解和掌 握得不够深刻牢固。 通过这次课程设计,我明白了:许多细小的环节是注意不到的,而这诸多环 节往往影响你整个系统的正常运转;这可真应验了“细节决定一切”这句话。这 一切告诉我做任何事情必须从全局出发,并且要注意其中的任何一个细节。


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