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

1、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 楊剛 專業(yè)班級(jí)： 電信1302 指導(dǎo)教師： 工作單位： 武漢理工大學(xué) 題 目：信號(hào)分析處理課程設(shè)計(jì)基于MATLAB的模擬信號(hào)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(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）1、 利用MATLAB中的simulink工具箱中的模塊進(jìn)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(shè)計(jì)框圖，編寫程序代碼，上機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含計(jì)算結(jié)果和圖表等），并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)；3、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書按學(xué)校統(tǒng)一規(guī)范來(lái)撰寫，具體

2、包括： 目錄； 理論分析； 程序設(shè)計(jì)； 程序運(yùn)行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)； 課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)（至少800字，必須手寫。）； 參考文獻(xiàn)（不少于5篇）。時(shí)間安排： 周一、周二查閱資料，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容；周三、周四程序設(shè)計(jì)，上機(jī)調(diào)試程序；周五、整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。指導(dǎo)教師簽名： 2013 年 7月 2 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2013年 7月 2日武漢理工大學(xué)信號(hào)分析處理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目 錄1 Simulink簡(jiǎn)介1 1.1 Matlab簡(jiǎn)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(shè)計(jì)6 3.1 Matlab代碼6 3.2 Matlab仿真84 基于Simulink方案設(shè)計(jì)12 4.1 使用Simulink建模和仿真的過(guò)程12 4.1.1 Simulink模塊庫(kù)簡(jiǎn)介12 4.1.2 調(diào)制解調(diào)模塊庫(kù)簡(jiǎn)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(huì)186 參考文獻(xiàn)20本科生課程設(shè)計(jì)評(píng)定表1 Simulink簡(jiǎn)介Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺(tái)的著名仿真環(huán)境Simulink作為一種專業(yè)和功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單的仿真工具，目前已被越來(lái)越多的工程技術(shù)人員所青睞，它搭建積木式的建模仿

4、真方式既簡(jiǎn)單又直觀，而且已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本課題主要是以simulink為基礎(chǔ)平臺(tái)，對(duì)FM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行分析。 1.1 Matlab簡(jiǎn)介 Matlab是MatrixLaboratory的縮寫，意為矩陣實(shí)驗(yàn)室。它具有強(qiáng)大的矩陣處理功能和繪圖功能，進(jìn)還能進(jìn)行文字處理，繪圖，建模仿真等功能。Matlab是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)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(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)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(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且Matlab也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使Matlab成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)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(shí)用程序?qū)氲組atlab函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的Matlab愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 Matlab的幫助功能很強(qiáng)大，自帶有詳細(xì)的幫助手冊(cè)，基于HTML的完整的幫助功能，也可以用help命令來(lái)得到幫助信息。程序語(yǔ)法與C語(yǔ)言類似，設(shè)計(jì)自由度大，

6、方便我們編程。Matlab有高級(jí)的程序環(huán)境，但程序環(huán)境很簡(jiǎn)單易用。Matlab源程序具有很大的開放性。Matlab有強(qiáng)大的的圖形繪制功能。Matlab還擁有功能強(qiáng)大的各種工具箱。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無(wú)需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高，精，尖的研究，能極大地促進(jìn)我們的學(xué)習(xí)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(gè)動(dòng)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(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、

7、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，既可以通過(guò)下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過(guò)命令行進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)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(kuò)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(kù)，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進(jìn)來(lái)，或者購(gòu)買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫(kù)進(jìn)

8、行更高級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析。 從理論上對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行深入細(xì)致的研究是非常必要的，通過(guò)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(shì)，是學(xué)習(xí)、研究和設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)強(qiáng)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(diǎn)：基于矩陣的數(shù)值計(jì)算，高級(jí)編程語(yǔ)言，圖形與可視化。利用可視化仿真工具Simulink對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析的技術(shù)路線分為:對(duì)仿真數(shù)學(xué)模型的有效性驗(yàn)證；對(duì)通信系統(tǒng)仿真模型（程序）的驗(yàn)證；對(duì)仿真算法的驗(yàn)證；對(duì)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(hào)的頻

9、率按調(diào)制信號(hào)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(hào)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(guān)系，故調(diào)頻與調(diào)相之間存在著密切的關(guān)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(gè)波形或表達(dá)式是無(wú)法確定調(diào)制方式是調(diào)頻還是調(diào)相的。 設(shè)載波信號(hào)為 調(diào)制信號(hào)為 調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式為 調(diào)相信號(hào)的一般表達(dá)式為 以單音調(diào)制為例，對(duì)于調(diào)頻信號(hào)而言，它的瞬時(shí)角頻率、瞬時(shí)相位分別為： 式中為調(diào)頻指數(shù)。因而，調(diào)頻波的表達(dá)式為 為等幅疏密波，疏密的變化與調(diào)制信號(hào)有關(guān)，調(diào)制信號(hào)寄托于等幅波的疏密之中或

10、單位時(shí)間內(nèi)過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目之中。 調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)主要有： （1）最大角頻偏 它是瞬時(shí)角頻率的最大值；最大頻偏是瞬時(shí)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(biāo)。或與和成正比，與調(diào)制信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。FM波瞬時(shí)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(duì)瞬時(shí)（角）頻率的控制能力，是產(chǎn)生FM信號(hào)電路的重要參數(shù)。 （3）調(diào)頻指數(shù) 它是單音調(diào)制信號(hào)引起的最大瞬時(shí)相角偏移量。 但與F成反比?？梢源笥?，而且常常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。FM信號(hào)的頻譜有如下特點(diǎn)：（1）以載頻為中心，由無(wú)窮多對(duì)以調(diào)制信號(hào)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(duì)稱分布； （

11、2）載波分量并不總是最大，有時(shí)為零； （3）FM信號(hào)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(guān)； 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(hào)進(jìn)行特定波形變換，使變換后波形包含反映瞬時(shí)頻率變化的平均分量。然后通過(guò)低通濾波器就能輸出所需的解調(diào)電壓。3 基于Matlab方案設(shè)計(jì) 3.1 Matlab代碼t0=0.2;tz=0.0001; %設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)fz=1/tz; %設(shè)定抽樣頻率t=-t0:tz:t0; %產(chǎn)生時(shí)間向量kf=100; %設(shè)定調(diào)頻指數(shù)fc=1000; %設(shè)定載波頻率 %kd=0.5; %設(shè)定鑒頻增益/鑒頻器靈敏度df=0.05; %設(shè)定分辨率m_fun=cos(

12、400*pi*t);int_m(1)=0; %對(duì)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(hào)y=m_fun.*kf; %解調(diào)信號(hào)M,m_fun,df1=fftseq(m_fun,tz,df); %對(duì)原始信號(hào)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(duì)已調(diào)信號(hào)快速傅里葉變換X=X/fz;Y,y,df1=fftseq(y,tz,df); %

13、對(duì)解調(diào)信號(hào)快速傅里葉變換Y=Y/fz;figure(1); %生成原始信號(hào)的時(shí)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(hào)的時(shí)域圖形);xlabel(時(shí)間);legend(m(t)figure(2); %生成原始信號(hào)的頻域圖形plot(f,abs(fftshift(M),linewidth,3);axis(-400 400 -0.01 0.1);title(原始信號(hào)的頻域圖形);xlabel(頻率);legend(M(f);figure(3); %生成已調(diào)信號(hào)的時(shí)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(hào)的時(shí)域圖形);xlabel(時(shí)間);legend(x(t);figure(4); %生成已調(diào)信號(hào)的頻域圖形plot(f,abs(fftshift(X),linewidth,3);axis(-1500 1500 0 0.1);title(已調(diào)信號(hào)的頻域圖形);xlabel(頻率);legend(X(f);figure(5); %生成解調(diào)信號(hào)的時(shí)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(hào)的時(shí)域圖形);xlabel(時(shí)間);legend(y(t);figure(6); %生成解調(diào)信號(hào)的頻域圖形plot(f,abs(fftshift(Y),linewidth,3);axis(-600 600 -0.0001 5);title(解調(diào)信號(hào)的頻域圖形);xlabel(頻率);legend(Y(f); 3.2 Matlab仿真 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)代碼在Matlab中運(yùn)行后可得如下所示圖形：原始信號(hào)的時(shí)域圖形如圖3-1所示： 圖3-1 原始信號(hào)的時(shí)域圖形原始信號(hào)的頻域圖形如圖3-2所示： 圖3-2 原始信號(hào)的頻域圖形已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖形如圖3-3所示： 圖3-3 已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖

16、形已調(diào)信號(hào)的頻域圖形如圖3-4所示： 圖3-4 已調(diào)信號(hào)的頻域圖形解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖形如圖3-5所示： 圖3-5 解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖形解調(diào)信號(hào)的頻域圖形如圖3-6所示：圖3-6 解調(diào)信號(hào)的頻域圖形4 基于Simulink方案設(shè)計(jì) 啟動(dòng)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(biāo)，打開simulink模塊庫(kù)窗口（使用命令simulink3可以打開老版本的simulink模塊庫(kù)界面）。典型的Simulink模塊包括三個(gè)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(guò)程 4.1.1 Simulink模塊庫(kù)簡(jiǎn)介 (

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

18、Wave（正弦波輸入信號(hào)）、Step（階躍輸入信號(hào)）、Clock（時(shí)間信號(hào)）、Pulse（脈沖信號(hào)）等。 圖4-1 Sources（信號(hào)源模塊）庫(kù) 4.1.2 調(diào)制解調(diào)模塊庫(kù)簡(jiǎn)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(kù)，可以在Matlab的命令窗口輸入以下命令： commlib此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開工具箱模塊庫(kù)的窗口，模塊庫(kù)中包括子模塊庫(kù)時(shí)，用鼠標(biāo)雙擊就可以打開下級(jí)子庫(kù)。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(kù)）。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(jì)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(jì)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(shè)置圖如圖4-3所示： 圖4-3 Source Block 的參數(shù)設(shè)置圖 Function Block 的參數(shù)設(shè)置