基于MATLAB的模擬信號頻率調(diào)制(FM)與解調(diào)分析

1、 課程設計任務書學生姓名： 楊剛 專業(yè)班級： 電信1302 指導教師： 工作單位： 武漢理工大學 題 目：信號分析處理課程設計基于MATLAB的模擬信號頻率調(diào)制（FM）與解調(diào)分析初始條件：1. Matlab6.5以上版本軟件；2. 先修課程：通信原理等；要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、 利用MATLAB中的simulink工具箱中的模塊進行模擬頻率（FM）調(diào)制與解調(diào)，觀察波形變化2、 畫出程序設計框圖，編寫程序代碼，上機運行調(diào)試程序，記錄實驗結(jié)果（含計算結(jié)果和圖表等），并對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)；3、 課程設計說明書按學校統(tǒng)一規(guī)范來撰寫，具體

2、包括： 目錄； 理論分析； 程序設計； 程序運行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)； 課程設計的心得體會（至少800字，必須手寫。）； 參考文獻（不少于5篇）。時間安排： 周一、周二查閱資料，了解設計內(nèi)容；周三、周四程序設計，上機調(diào)試程序；周五、整理實驗結(jié)果，撰寫課程設計說明書。指導教師簽名： 2013 年 7月 2 日系主任（或責任教師）簽名： 2013年 7月 2日武漢理工大學信號分析處理課程設計說明書目 錄1 Simulink簡介1 1.1 Matlab簡介1 1.2 Simulink介紹12 原理分析3 2.1通信系統(tǒng)3 2.1.1通信系統(tǒng)的一般模型1 2.1.2 模擬通信系統(tǒng)3 2.2 FM調(diào)制與

3、解調(diào)原理43 基于Matlab方案設計6 3.1 Matlab代碼6 3.2 Matlab仿真84 基于Simulink方案設計12 4.1 使用Simulink建模和仿真的過程12 4.1.1 Simulink模塊庫簡介12 4.1.2 調(diào)制解調(diào)模塊庫簡介13 4.2 FM調(diào)制與解調(diào)電路及仿真14 4.3 仿真結(jié)果分析175 心得體會186 參考文獻20本科生課程設計評定表1 Simulink簡介Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺的著名仿真環(huán)境Simulink作為一種專業(yè)和功能強大且操作簡單的仿真工具，目前已被越來越多的工程技術人員所青睞，它搭建積木式的建模仿

4、真方式既簡單又直觀，而且已經(jīng)在各個領域得到了廣泛的應用。本課題主要是以simulink為基礎平臺，對FM信號的調(diào)制與解調(diào)進行分析。 1.1 Matlab簡介 Matlab是MatrixLaboratory的縮寫，意為矩陣實驗室。它具有強大的矩陣處理功能和繪圖功能，進還能進行文字處理，繪圖，建模仿真等功能。Matlab是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。 Matlab已經(jīng)發(fā)展成為多學科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指

5、令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且Matlab也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使Matlab成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組atlab函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的Matlab愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 Matlab的幫助功能很強大，自帶有詳細的幫助手冊，基于HTML的完整的幫助功能，也可以用help命令來得到幫助信息。程序語法與C語言類似，設計自由度大，

6、方便我們編程。Matlab有高級的程序環(huán)境，但程序環(huán)境很簡單易用。Matlab源程序具有很大的開放性。Matlab有強大的的圖形繪制功能。Matlab還擁有功能強大的各種工具箱。這些工具箱都是由該領域內(nèi)學術水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科范圍內(nèi)的基礎程序，而直接進行高，精，尖的研究，能極大地促進我們的學習研究工作。 1.2 Simulink介紹 Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、

7、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink框圖提供了交互性很強的仿真環(huán)境，既可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令行進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用Matlab、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進

8、行更高級的系統(tǒng)設計、仿真與分析。 從理論上對通信系統(tǒng)進行深入細致的研究是非常必要的，通過系統(tǒng)的仿真與分析可以看出Simulink在系統(tǒng)建模和仿真中的巨大優(yōu)勢，是學習、研究和設計通信系統(tǒng)強有力的工具。 Simulink可以直接利用Matlab的諸多資源與功能，Simulink具有以下特點：基于矩陣的數(shù)值計算，高級編程語言，圖形與可視化。利用可視化仿真工具Simulink對通信系統(tǒng)進行了仿真分析的技術路線分為:對仿真數(shù)學模型的有效性驗證；對通信系統(tǒng)仿真模型（程序）的驗證；對仿真算法的驗證；對仿真結(jié)果置信度分析。2 原理分析 2.2 FM調(diào)制與解調(diào)原理 頻率調(diào)制又稱調(diào)頻（FM），它是高頻振蕩信號的頻

9、率按調(diào)制信號的規(guī)律變化，而振幅保持恒定的一種調(diào)制方式。 相位調(diào)制或調(diào)相（PM）是使高頻振蕩的相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化，而振幅保持不變的一種調(diào)制方式。由于頻率與相位間存在微分與積分的關系，故調(diào)頻與調(diào)相之間存在著密切的關系，即調(diào)頻必調(diào)相，調(diào)相必調(diào)頻。因此，調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為角（度）調(diào)（制）。若只給一個波形或表達式是無法確定調(diào)制方式是調(diào)頻還是調(diào)相的。 設載波信號為 調(diào)制信號為 調(diào)頻信號的一般表達式為 調(diào)相信號的一般表達式為 以單音調(diào)制為例，對于調(diào)頻信號而言，它的瞬時角頻率、瞬時相位分別為： 式中為調(diào)頻指數(shù)。因而，調(diào)頻波的表達式為 為等幅疏密波，疏密的變化與調(diào)制信號有關，調(diào)制信號寄托于等幅波的疏密之中或

10、單位時間內(nèi)過零點的數(shù)目之中。 調(diào)頻信號的參數(shù)主要有： （1）最大角頻偏 它是瞬時角頻率的最大值；最大頻偏是瞬時頻偏的最大值?；蚍从沉祟l率受調(diào)制的程度，是衡量調(diào)頻質(zhì)量的重要指標。或與和成正比，與調(diào)制信號頻率無關。FM波瞬時頻率變化范圍為，最大變化量為。 （2）調(diào)制系數(shù)（調(diào)制靈敏度） 它表示對瞬時（角）頻率的控制能力，是產(chǎn)生FM信號電路的重要參數(shù)。 （3）調(diào)頻指數(shù) 它是單音調(diào)制信號引起的最大瞬時相角偏移量。 但與F成反比?？梢源笥?，而且常常遠遠大于1。FM信號的頻譜有如下特點：（1）以載頻為中心，由無窮多對以調(diào)制信號頻率F為間隔的邊頻分量組成，各分量幅值取決于Bessel函數(shù)，且以對稱分布； （

11、2）載波分量并不總是最大，有時為零； （3）FM信號的功率大部分集中在載頻附近； （4）頻譜結(jié)構(gòu)與F密切相關； 調(diào)頻波解調(diào)又稱鑒頻，其中一種方法為將輸入調(diào)頻信號進行特定波形變換，使變換后波形包含反映瞬時頻率變化的平均分量。然后通過低通濾波器就能輸出所需的解調(diào)電壓。3 基于Matlab方案設計 3.1 Matlab代碼t0=0.2;tz=0.0001; %設定時間步長fz=1/tz; %設定抽樣頻率t=-t0:tz:t0; %產(chǎn)生時間向量kf=100; %設定調(diào)頻指數(shù)fc=1000; %設定載波頻率 %kd=0.5; %設定鑒頻增益/鑒頻器靈敏度df=0.05; %設定分辨率m_fun=cos(

12、400*pi*t);int_m(1)=0; %對m_fun積分for i=1:length(t)-1 int_m(i+1)=int_m(i)+m_fun(i)*tz;endx=cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m); %調(diào)制信號y=m_fun.*kf; %解調(diào)信號M,m_fun,df1=fftseq(m_fun,tz,df); %對原始信號快速傅里葉變換M=M/fz;f=0:df1:df1*(length(m_fun)-1)-fz/2;X,x,df1=fftseq(x,tz,df); %對已調(diào)信號快速傅里葉變換X=X/fz;Y,y,df1=fftseq(y,tz,df); %

13、對解調(diào)信號快速傅里葉變換Y=Y/fz;figure(1); %生成原始信號的時域圖形plot(t,m_fun(1:length(t),linewidth,3);axis(-0.01 0.01 -1.5 1.5);title(原始信號的時域圖形);xlabel(時間);legend(m(t)figure(2); %生成原始信號的頻域圖形plot(f,abs(fftshift(M),linewidth,3);axis(-400 400 -0.01 0.1);title(原始信號的頻域圖形);xlabel(頻率);legend(M(f);figure(3); %生成已調(diào)信號的時域圖形plot(t,x

14、(1:length(t),linewidth,3);axis(-0.015 0.015 -1.5 1.5);title(已調(diào)信號的時域圖形);xlabel(時間);legend(x(t);figure(4); %生成已調(diào)信號的頻域圖形plot(f,abs(fftshift(X),linewidth,3);axis(-1500 1500 0 0.1);title(已調(diào)信號的頻域圖形);xlabel(頻率);legend(X(f);figure(5); %生成解調(diào)信號的時域圖形plot(t,y(1:length(t),linewidth,3);axis(-0.01 0.01 -100 100);t

15、itle(解調(diào)信號的時域圖形);xlabel(時間);legend(y(t);figure(6); %生成解調(diào)信號的頻域圖形plot(f,abs(fftshift(Y),linewidth,3);axis(-600 600 -0.0001 5);title(解調(diào)信號的頻域圖形);xlabel(頻率);legend(Y(f); 3.2 Matlab仿真 根據(jù)上述實驗代碼在Matlab中運行后可得如下所示圖形：原始信號的時域圖形如圖3-1所示： 圖3-1 原始信號的時域圖形原始信號的頻域圖形如圖3-2所示： 圖3-2 原始信號的頻域圖形已調(diào)信號的時域圖形如圖3-3所示： 圖3-3 已調(diào)信號的時域圖

16、形已調(diào)信號的頻域圖形如圖3-4所示： 圖3-4 已調(diào)信號的頻域圖形解調(diào)信號的時域圖形如圖3-5所示： 圖3-5 解調(diào)信號的時域圖形解調(diào)信號的頻域圖形如圖3-6所示：圖3-6 解調(diào)信號的頻域圖形4 基于Simulink方案設計 啟動Matlab后，在命令窗口中輸入命令“simulink”或單擊Matlab工具欄上的simulink圖標，打開simulink模塊庫窗口（使用命令simulink3可以打開老版本的simulink模塊庫界面）。典型的Simulink模塊包括三個部分：輸入模塊、狀態(tài)模塊、輸出模塊。 4.1 使用Simulink建模和仿真的過程 4.1.1 Simulink模塊庫簡介 (

17、1)Continuous（連續(xù)模塊）庫 (2)Discrete（離散模塊）庫 (3)函數(shù)與表格模塊庫 (4)Math（數(shù)學模塊）庫 (5)Sinks（信號輸出模塊）庫：常用模塊為Scope（示波器模塊）、XYGraph（二維信號顯示模塊）、Display（顯示模塊） (6)Sources（信號源模塊）庫（如圖4-1所示），常見模塊有：Constant（輸入常數(shù)模塊）、Signal Generator（信號源發(fā)生器模塊）。Signal Generator用于產(chǎn)生不同的信號波形，其中包括：正弦波、方波、鋸齒波信號。Sources（信號源模塊）還包括其它常用模塊：Ramp（斜坡輸入信號）、Sine

18、Wave（正弦波輸入信號）、Step（階躍輸入信號）、Clock（時間信號）、Pulse（脈沖信號）等。 圖4-1 Sources（信號源模塊）庫 4.1.2 調(diào)制解調(diào)模塊庫簡介 Communications Blockset（通信模塊集）中包含了通信仿真模塊，要打開通信工具箱的模塊庫，可以在Matlab的命令窗口輸入以下命令： commlib此時，系統(tǒng)會打開工具箱模塊庫的窗口，模塊庫中包括子模塊庫時，用鼠標雙擊就可以打開下級子庫。要查看通信工具箱中的函數(shù)名稱和內(nèi)容列表，可以在Matlab的命令窗口輸入以下命令： help comm.如通信模塊集（Communications Blockset

19、）中的Modulation（調(diào)制庫）。Modulation/Demodulation. ademod - Analog passband demodulator. （通帶模擬解調(diào)） ademodce - Analog baseband demodulator. （基帶模擬解調(diào)） amod - Analog passband modulator. （通帶模擬調(diào)制） amodce - Analog baseband modulator. （基帶模擬調(diào)制） apkconst - Plot a combined circular ASK-PSK signal constellation. （計算和繪制

20、QASK調(diào)制圖） ddemod - Digital passband demodulator. （通帶數(shù)字解調(diào)） ddemodce - Digital baseband demodulator. （基帶數(shù)字解調(diào)） demodmap - Demap a digital message from a demodulated signal. （數(shù)字解調(diào)逆映射） dmod - Digital passband modulator. （通帶數(shù)字調(diào)制） dmodce - Digital baseband modulator. （基帶數(shù)字調(diào)制） modmap - Map a digital signal t

21、o an analog signal. （數(shù)字調(diào)制映射） qaskdeco - Demap a message from a QASK square signal constellation. （矩形QASK碼譯碼） qaskenco - Map a message to a QASK square signal constellation.（計算和繪制QASK矩形圖）4.2 FM調(diào)制與解調(diào)電路及仿真FM調(diào)制與解調(diào)電路如圖4-2所示： 圖4-2 FM調(diào)制與解調(diào)電路Source Block 的參數(shù)設置圖如圖4-3所示： 圖4-3 Source Block 的參數(shù)設置圖 Function Block 的參數(shù)設置