AM及FM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真19頁

1、河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院通信原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告 課題名稱： AM及FM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 專業(yè)班級： 08級通信一班 組數(shù)： （1） 成員及學(xué)號： 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容概述調(diào)制在通信系統(tǒng)中有十分重要的作用。通過調(diào)制，不僅可以進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將信號轉(zhuǎn)換成合適于傳播的已調(diào)信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸?shù)目煽啃杂兄艽蟮挠绊?，調(diào)制方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。AM信號的調(diào)制屬于頻譜的線性搬移，它的解調(diào)往往采用非相干解調(diào)即包絡(luò)解調(diào)方式；而FM信號的調(diào)制屬于頻譜的非線性搬移，它的解調(diào)有相干和非相干解調(diào)兩種方式。本課程設(shè)計(jì)使用的仿真軟件為Matlab6.5，利用Ma

2、tlab集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制中的振幅調(diào)制AM和頻率調(diào)制FM的設(shè)計(jì)和仿真，并分析繪制基帶信號即調(diào)制信號、載波信號、已調(diào)信號的時域波形和頻域波形，并改變參數(shù)觀察信號變化情況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。二、仿真軟件介紹MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，它的首創(chuàng)者是在數(shù)值線性代數(shù)領(lǐng)域頗有影響的Cleve Moler博士，他也是生產(chǎn)經(jīng)營MATLAB產(chǎn)品的美國Mathworks公司的創(chuàng)始人之一。MATLAB是一種交互式的、以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學(xué)和工程的計(jì)算與可視化。MATLAB的編程功能簡單,并且很容易擴(kuò)展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)，它將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化

3、集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，應(yīng)用MATLAB可方便地解決復(fù)雜數(shù)值計(jì)算問題。此外，MATLAB還具有強(qiáng)大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。 MATLAB以一系列稱為工具箱的應(yīng)用指定解答為特征。對多數(shù)用戶十分重要的是，工具箱使你能學(xué)習(xí)和應(yīng)用專門的技術(shù)。工具箱是MATLAB函數(shù)（M-文件）全面的綜合，這些文件把MATLAB的環(huán)境擴(kuò)展到解決特殊類型問題上。具有可用工具箱的領(lǐng)域有：信號處理，控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊邏輯，小波分析，模擬等等，從而使其被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作中。MATLAB與其它計(jì)算機(jī)高級

4、語言如 C，C+等相比，MATLAB語言編程要簡潔得多，編程語言更加接近數(shù)學(xué)描述，可讀性好，其強(qiáng)大的圖形功能和可視化數(shù)據(jù)處理能力也是其它高級語言望塵莫及的。對于具有任何一門高級語言基礎(chǔ)的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)MATLAB十分重要。MATLAB使人們擺脫了常規(guī)計(jì)算機(jī)編程的繁瑣，讓人們能夠?qū)⒋蟛糠志ν度氲窖芯繂栴}的數(shù)學(xué)建模上?？梢哉f，應(yīng)用MATLAB這一數(shù)學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真的強(qiáng)大工具，可以使科學(xué)研究的效率得以成百倍的提高。 MATLAB® 是一種對技術(shù)計(jì)算高性能的語言。它集成了計(jì)算，可視化和編程于一個易用的環(huán)境中，在此環(huán)境下，問題和解答都表達(dá)為我們熟悉的數(shù)學(xué)符號。典型的應(yīng)用有： 數(shù)學(xué)和計(jì)算，算法開

5、發(fā)，建模，模擬和原形化，數(shù)據(jù)分析、探索和可視化，科學(xué)與工程制圖，應(yīng)用開發(fā)，包括圖形用戶界面的建立 。三、模擬調(diào)制AM、FM的基本原理3.1模擬通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理模擬通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容是研究不同信道條件下不同的調(diào)制解調(diào)方法。調(diào)制可以分為三類，即調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）?；鶐盘枺海?）基帶信號是由消息轉(zhuǎn)化而來的原始模擬信號，它的頻譜一般從零頻附近開始，如語音信號為3003400Hz；（2）在實(shí)際通信系統(tǒng)中，基帶信號一般含直流和低頻成分，不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并可在接收端進(jìn)行反變換，完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。已調(diào)信號

6、：它有三個基本特征，即（1）攜帶有信息；（2）適合在信道中傳輸；（3）信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號又稱帶通信號或頻帶信號。所謂調(diào)制，就是在傳送信號的一方將所要傳送的信號附加在高頻振蕩上，再由天線發(fā)射出去。這里高頻振蕩波就是攜帶信號的運(yùn)載工具，也叫載波。調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。3.2振幅調(diào)制產(chǎn)生原理振幅調(diào)制，就是由調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，直至隨調(diào)制信號做線性變化。在線性調(diào)制系列中，最先應(yīng)用的一種幅度調(diào)制是全調(diào)幅或常規(guī)調(diào)幅，簡稱為調(diào)幅（AM）。在頻域中已調(diào)波頻譜是基帶調(diào)制信號頻譜的線性位移；在時域中，已調(diào)波包絡(luò)與調(diào)制信號波形

7、呈線性關(guān)系。設(shè)正弦載波為： 式中，A為載波幅度； 為載波角頻率； 為載波初始相位(假設(shè) =0).調(diào)制信號（基帶信號）為 。根據(jù)調(diào)制的定義，振幅調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可以表示為 ： 設(shè)調(diào)制信號的頻譜為，則已調(diào)信號 的頻譜： 3.3AM調(diào)幅電路方案分析標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波（AM）產(chǎn)生原理 調(diào)制信號是只來來自信源的調(diào)制信號（基帶信號），這些信號可以是模擬的，亦可以是數(shù)字的。調(diào)制的高頻振蕩信號可稱為載波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脈沖序列)。載波由高頻信號源直接產(chǎn)生即可，然后經(jīng)過高頻功率放大器進(jìn)行放大，作為調(diào)幅波的載波，調(diào)制信號由低頻信號源直接產(chǎn)生，二者經(jīng)過乘法器后即可產(chǎn)生雙邊帶的調(diào)幅波。 假

8、設(shè)調(diào)制信號的平均值為0，將其疊加一個直流偏量后與載波相乘（如下圖），即可形成調(diào)幅信號。設(shè)載波信號的表達(dá)式為，調(diào)制信號的表達(dá)式為，則調(diào)幅信號的時域表達(dá)式為式中：為外加的直流分量；可以是確知信號，也可以是隨機(jī)信號。若為確知信號，則AM信號的頻譜為 圖3.1 AM調(diào)制模型3.4頻率調(diào)制（FM）產(chǎn)生原理調(diào)制時，若載波的頻率隨調(diào)制信號變化，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻FM。頻率調(diào)制和振幅調(diào)制不同的是，已調(diào)信號的頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。從頻率調(diào)制的相位與頻率關(guān)系可以看出，調(diào)頻信號可通過直接調(diào)頻和間接調(diào)頻兩種方法得到。所謂間接調(diào)

9、頻急事先對調(diào)頻信號積分再調(diào)相而得到，如下圖3.3.2。 在調(diào)制時，調(diào)制信號的頻率去控制載波的頻率的變化，載波的瞬時頻偏隨調(diào)制信號成正比例變化，即式中，為調(diào)頻靈敏度（）。這時相位偏移為則可得到調(diào)頻信號為其中，為基帶調(diào)制信號設(shè)調(diào)制信號為 設(shè)正弦載波為 圖3.2直接調(diào)頻模型積分器PM調(diào)制器m（t）SFM(t)圖3.3 間接調(diào)頻模型四、設(shè)計(jì)思路和仿真程序4.1設(shè)計(jì)流程圖 調(diào)制信號FFT變換載波信號已調(diào)信號AMFFT變換載波信號頻譜FFT變換圖4.1 AM振幅調(diào)制設(shè)計(jì)流程圖（即設(shè)計(jì)思路）調(diào)制信號頻譜已調(diào)信號頻譜產(chǎn)生調(diào)制信號產(chǎn)生載波信號調(diào)制信號FFT變換載波信號已調(diào)信號FMFFT變換載波信號頻譜FFT變換

10、圖4.2 FM振幅調(diào)制設(shè)計(jì)流程圖（即設(shè)計(jì)思路）調(diào)制信號頻譜已調(diào)信號頻譜產(chǎn)生調(diào)制信號產(chǎn)生載波信號4.2振幅調(diào)制AM的仿真程序% =載波信號=t=-1:0.00001:1; %設(shè)定步長A0=8; %載波信號振幅f=3000; %載波信號頻率w0=2*f*pi;ct=A0*cos(w0*t); %產(chǎn)生載波信號subplot(2,1,1);plot(t,ct);title(載波信號波形);axis(0,0.01,-10,10);subplot(2,1,2);Y1=fft(ct); %對載波信號進(jìn)行傅里葉變換 plot(abs(Y1);title(載波信號頻譜);axis(5900,6100,0,100

11、0000); % =調(diào)制信號=t=-1:0.00001:1; A1=5; %調(diào)制信號振幅f=3000; %調(diào)制信號頻率w0=2*f*pi;mes=A1*sin(0.001*w0*t); %調(diào)制信號subplot(2,1,1);plot(t,mes);xlabel(t),title(調(diào)制信號); subplot(2,1,2);Y2=fft(mes); % 對調(diào)制信號進(jìn)行傅里葉變換 plot(abs(Y2);title(調(diào)制信號頻譜);axis(198000,201000,0,1000000); % =AM已調(diào)信號=t=-1:0.00001:1; A0=10; %載波信號振幅A1=5; %調(diào)制信號

12、振幅A2=3; %已調(diào)信號振幅f=3000; %載波信號頻率w0=2*f*pi; m=0.15; %調(diào)制度mes=A1*sin(0.001*w0*t); %消調(diào)制信號Uam=A2*(1+m*mes).*cos(w0).*t); %AM 已調(diào)信號 subplot(2,1,1); plot(t,Uam);grid on; title(AM已調(diào)信號波形);subplot(2,1,2); Y3=fft(Uam); %對AM已調(diào)信號進(jìn)行傅里葉變換 plot(abs(Y3),grid; title(AM已調(diào)信號頻譜);axis(5950,6050,0,500000); 4.3頻率調(diào)制FM的仿真程序% =載

13、波信號=t=0:0.0001:1.5; fc=50; %載波信號頻率ct=cos(2*pi*fc*t); %生成載波subplot(2,1,1); plot(t,ct); axis(0,1.5,-1,1);xlabel(t),title(載頻信號波形);subplot(2,1,2);Y1=fft(ct); %對載波信號進(jìn)行傅里葉變換 plot(abs(Y1); title(載波信號頻譜);axis(0,150,0,10000); % =調(diào)制信號=t=0:0.0001:1.5; %設(shè)置步長A1=15; %調(diào)制信號振幅f=5; %調(diào)制信號頻率mt=A1*cos(2*pi*f *t); %生成調(diào)制信

14、subplot(2,1,1);plot(t,mt);axis(0,1.5,-17,17);xlabel(t),title(調(diào)制信號); subplot(2,1,2);Y2=fft(mt); %對調(diào)制信號進(jìn)行傅里葉變換 plot(abs(Y2);title(調(diào)制信號頻譜);axis(10000,20000,0,100000);% =FM已調(diào)信號=dt=0.0001; %設(shè)定時間步長 t=0:dt:1.5; %產(chǎn)生時間向量A2=15; %設(shè)定調(diào)制信號幅度可更改fm=5; %設(shè)定調(diào)制信號頻率可更改mt=A2*cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號fc=50; %設(shè)定載波頻率可更改ct=cos

15、(2*pi*fc*t); %生成載波kf=10; %設(shè)定調(diào)頻指數(shù)int_mt(1)=0; %對mt進(jìn)行積分for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt;end sfm=A2*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt);subplot(4,1,1);plot(t,mt);%繪制調(diào)制信號的時域圖xlabel(時間t);title(調(diào)制信號的時域圖);subplot(4,1,2);plot(t,ct); %繪制載波的時域圖xlabel(時間t);title(載波的時域圖);subplot(4,1,3);plot(t,sfm);

16、%繪制已調(diào)信號的時域圖xlabel(時間t);title(已調(diào)信號的時域圖)subplot(4,1,4);Y3=fft(sfm); %對調(diào)制信號進(jìn)行傅里葉變換 plot(abs(Y3);title(調(diào)制信號頻譜);axis(10000,20000,0,100000);五、仿真結(jié)果和分析本課程設(shè)計(jì)圓滿的完成了對信號實(shí)現(xiàn)AM和FM的調(diào)制，與課題的要求十分相符；也較好的完成了對調(diào)制信號、載波信號以及AM已調(diào)信號和FM已調(diào)信號的時域分析及時域波形，通過fft變換，得出了這些信號的頻譜圖。下面給出了本課程設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果，即各調(diào)制信號、載波信號和已調(diào)信號的時域和頻域波形圖。5.1 AM調(diào)制中的載波信號仿真

17、波形圖： 圖5.1 AM調(diào)制中的載波信號仿真波形圖5.2 AM調(diào)制中的調(diào)制信號仿真波形圖： 圖5.2 AM調(diào)制中的調(diào)制信號仿真波形圖5.3 AM調(diào)制中的已調(diào)信號信號仿真波形圖：AM調(diào)制中的已調(diào)信號信號仿真波形圖5.4 FM調(diào)制中的載波信號仿真波形圖：圖5.4 FM調(diào)制中的載波信號仿真波形圖5.5 FM調(diào)制中的調(diào)制信號仿真波形圖：圖5.5 FM調(diào)制中的調(diào)制信號仿真波形圖5.6 FM調(diào)制中的已調(diào)信號仿真波形圖：圖5.6 FM調(diào)制中的已調(diào)信號仿真波形圖六、總結(jié)在一門課程的學(xué)習(xí)過程中，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體

18、訓(xùn)練和考察過程。通過本次系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，使我們對模擬系統(tǒng)仿真的方法、原理及仿真算法有了較詳細(xì)的了解，從實(shí)際操作中對通信系統(tǒng)概念的理解更加深刻，基本上掌握了模擬信號調(diào)制基本方法AM、FM，進(jìn)而也可由它們的仿真方法及過程來對DSB、SSB及PM提出類似的仿真設(shè)計(jì)方案，因?yàn)槟M信號調(diào)制與解調(diào)的仿真方法都有許多共性，即要么調(diào)幅（抑制載波SSB、DSB與非抑制載波AM），要么調(diào)相角（分為調(diào)頻FM與調(diào)相PM），并且都要從時域和頻域兩個方面來研究它，這就必須要用到傅里葉變換和其它一些DSP知識，因此數(shù)字信號處理與通信原理是相通的。 模擬信號之所以要進(jìn)行調(diào)制，那是因?yàn)榛鶐盘栆话愣己绷骱偷皖l成分，不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并可在接收端進(jìn)行反變換-解調(diào)。為了進(jìn)行有效傳輸，一般要求載波頻率要遠(yuǎn)大于原調(diào)制信號的頻率，但在該模擬系統(tǒng)仿真中，我們把信道當(dāng)成的是理想信道，忽略了信道中的噪聲，因此該仿真中載波頻率可以隨便定義（合理就行）。 在這次通信系統(tǒng)仿真中，我們對MATLAB的功能有了更深入的認(rèn)識