MATLAB课程设计解读.docx
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MATLAB课程设计解读
第一章绪论
在当今飞速发展的信息时代，随着数字通信技术计算机技术的发展以及通信网络与计算机网络的相互融合，信息科学技术已成为21世纪国际社会和世界经济发展飞新的强大动力。
信息作为一种资源，只有通过广泛的传播与交流，才能差生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造巨大的经济效益。
而信息的传播和交流，是依靠各种通信方式和技术来实现的。
学习和掌握现代通信理论和技术是信息社会每一位成员，尤其是未来通信工作着的迫切要求。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
近两年来，伴随着美国MathWorks公司的MATLAB6.0和MATLAB6.5的发布，MATLAB由最初的“矩阵实验室”，已经发展成适合多科多工作平台的大型科技应用软件。
它包含众多的功能各异的工具箱，涉及领域包括：
数字信号处理、通信技术、控制系统、神经网络、模糊逻辑、数值统计、系统仿真和虚拟现实技术等。
作为一个功能强大的数学工具软件，在很多领域中得到了广泛的应用。
近年来已逐渐列入许多大学理工科学生的教学内容，成为广大师生、研究人员的重要数学分析工具和有利助手；也为广大科研工作者进行系统仿真与分析提供了极大的方便。
在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。
Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。
信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且是频谱资源得到充分利用。
调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致相互干扰。
而要还原出被调制的信号就需要解调电路。
调制与解调在高频通信领域有着广泛的应用，同时也是信号处理应用的重要问题之一，系统的仿真和分析是设计过程中的重要步骤和必要的保证。
利用Multisim提供的示波器模块，分别对信号的调幅和解调进行了波形分析。
通过调制可以使信号适用于无线信道传输，AM、DSB、SSB是短波通信的三种主要方式。
其中SSB调制已经成为短波通信的一种重要的调制方式。
AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，目前主要用于中波和短波的调幅广播中。
DSB调制设备较复杂，应用较少，一般只用于点对点的专用通信。
SSB制式普遍用于频带比较拥挤的场合，如短波的无线电广播和频分多路复用系统中。
第二章调制
2.1调制
调制（modulation）就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。
一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。
基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。
这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。
调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。
而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。
2.2调制的种类
调制的种类很多，分类方法也不一致。
按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。
用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。
按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制（如对非相干光调制）等。
调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。
正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。
此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。
脉冲调制也可以按类似的方法分类。
此外还有复合调制和多重调制等。
不同的调制方式有不同的特点和性能。
2.2.1正弦波幅度调制
正弦载波幅度随调制信号而变化的调制，简称调幅（AM）。
数字幅度调制也叫作幅度键控（ASK）。
调幅的技术和设备比较简单，频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长中短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。
早期的无线电报机采用火花式放电器产生高频振荡。
传号时火花式发报机发射高频振荡波，空号时发报机没有输出。
这种电报信号的载波不是纯正弦波，它含有很多谐波分量，会对其他信号产生严重干扰。
理想的模拟正弦波调幅是：
载波幅度与调制信号瞬时值ua（t）成线性关系，但载频fC=ωC/2π和相位ψ保持不变。
上边带和下边带。
调幅波的载频分量与调制信号无关，但边带分量随调制信号变化。
这意味着所欲传送的消息都包含在边带之中，只用一个边带信号就能够传送全部消息。
把载波去掉的调幅信号，叫做抑制载波调幅；把载波和某一个边带一起抑制掉，只剩下一个边带的调幅信号，叫做单边带调幅（SSB）。
单边带调幅节省功率，抗干扰性能较好，而且节省频带，但设备比较复杂。
2.2.2正弦波频率调制
正弦载波的瞬时频率随调制信号的瞬时值而变化的调制，简称调频（FM）。
数字频率调制也称移频键控（FSK）。
调频是1933年E.H.阿姆斯特朗发明的。
这种调制具有良好的抗干扰性能，广泛用于高质量广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备中。
理想的调频是：
载波的瞬时角频率ω与调制信号瞬时值ua（t）成线性关系，而幅度UC不变。
2.2.3正弦波相位调制
正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相（PM）。
数字调相也称移相键控（PSK）。
调相波的频谱与调频波相似，但是当墹φ为定值时，其频谱宽度BWφ随Ω而变化，Ω大时频谱宽，Ω小时频谱窄。
因此频带不能充分利用。
数字调相具有优越的抗干扰性能，而且频带窄，是一种比较理想的调制方式，在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。
2.2.4脉冲调制
受调波为脉冲序列的调制。
脉冲调制可分为脉冲调幅（PAM）、脉冲调相（PPM）、脉冲调宽（PWM）等方式。
图7是一些脉冲调制信号的波形。
通常
把模拟-数字信号转换也看做是脉冲调制，这种调制有脉码调制（PCM）、差值脉码调制（DPCM）、增量调制（墹M）等。
脉冲调幅实质上就是信号采样。
常用于模-数转换电路、信号转换电路和各种电子仪器（如采样示波器等）。
脉冲调制信号的频谱较宽，但除了脉冲调幅之外，都具有较好的抗干扰性能，特别是脉码调制的性能最好，是一种理想的调制方法。
数字电话、遥测、遥控以及迅速发展的综合通信网，大多采用这种调制。
第3章线性调制原理
3.1线性调制介绍
调制就是使基带信号（调制信号）控制载波的某个（或几个）参数，使这一（或几个）参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。
调制后所得到的信号称为已调信号或频带信号。
调制的类型根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。
线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。
线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。
3.2调幅调制（AM）
调制信号是只来来自信源的调制信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，亦可以是数字的。
为首调制的高频振荡信号可称为载波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。
载波由高频信号源直接产生即可，然后经过高频功率放大器进行放大，作为调幅波的载波，调制信号由低频信号源直接产生，二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波。
设载波信号的表达式
，调制信号的表达式为
，则调幅信号的表达式为
图2-1标准调幅波示意图
AM信号的时域表示式：
频谱：
3.3双边带调制（DSB）
抑制掉调幅信号频谱结构中无用的载频分量，仅传输两个边频的调制方式成为抑制载波的双边带调制，简称双边带调制，并表示为：
显然，它与调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在
上下按调制信号规律变化。
这样，当调制信号
进入负半周时，
就变为负值。
表明载波电压产生
相移。
因而当
自正值或负值通过零值变化时，双边带调制信号波形均将出现
的相移突变。
双边带调制信号的包络已不再反映
的变化，但它仍保持频谱搬移的特性，因而仍是振幅调制波的一种，并可用相乘器作为双边带调制电路的组成模型，如下图2-2所示，图中
。
图2-2双边带调制信号组成模型
3.4单边带调制（SSB）
在DSB信号中，两个边带中的任意一个都包含了M（w）的所有频谱成分，引导词仅传输其中一个即可。
这样既节省发送功率，还可以节省一半传输频带，这种方式称为单边带调制（SSB）。
单边带信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的，根据滤除方式的不同，产生SSB信号的方法有：
滤波法和相移法。
SSB信号的时域表示式
滤波法的原理方框图2-3单用边带滤波器，滤除不要的边带:
图2-3双边带调制信号组成模型
图中，H（）为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：
则可滤除下边带。
若具有如下理想低通特性：
则可滤除上边带。
第四章MATLAB仿真
4.1MATLAB简介
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
MATLAB最突出的特点就是简洁。
MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。
MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。
时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。
在国外，MATLAB已经经受了多年考验。
在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。
目前利用Matlab进行系统性能仿真，主要有三种方法：
其一是通过脚本程序的编写，实现相关系统仿真和性能分析；其二是利用Simulink模块库，通过鼠标拖拉的方式建立相关系统的仿真模型，对每个模块进行参数设置，以达到动态系统仿真和性能分析的目的；其三是利用图形用户界面GUI，创建各种菜单、按钮等可视化界面，通过函数回调等手段，实现人机交互的系统仿真及其性能分析。
Matlab语言比较简单，脚本程序的编写也比较简单，很多语言结构和风格与常用的C语言非常相似，因此，对于初学者而言，是很容易上手的。
4.2AM程序和仿真
dt=0.001;%时间采样频谱
fmax=1;%信源最高频谱
fc=10;%载波中心频率
T=5;%信号时长
N=T/dt;
t=[0:
N-1]*dt;
mt=sqrt
（2）*cos（2*pi*fmax*t）;%信源
A=2;
s_am=（A+mt）.*cos（2*pi*fc*t）;
[f,Xf]=FFT_SHIFT（t,s_am）;%调制信号频谱
PSD=（abs（Xf）.^2）/T;%调制信号功率谱密度
figure
（1）
subplot（211）;
plot（t,s_am）;holdon;%画出AM信号波形
plot（t,A+mt,'r--'）;%表示AM包络
title（'AM调制信号及其包络'）;
xlabel（'t'）;
subplot（212）;%画出功率谱图形
plot（f,PSD）;
axis（[-2*fc2*fc01.5*max（PSD）]）;
title（'AM信号功率谱'）;
xlabel（'f'）;
%调用函数
function[f,sf]=FFT_SHIFT（t,st）
%ThisfunctionisFFTtocalculateasignal’sFouriertransform
%Input:
t:
samplingtime,st:
signaldata.Timelengthmustgreaterthean2
%output:
f:
samplingfrequency,sf:
frequen
%outputisthefrequencyandthesignalspectrum
dt=t
（2）-t
（1）;
T=t（end）;
df=1/T;
N=length（t）;
f=[-N/2:
N/2-1]*df;
sf=fft（st）;
sf=T/N*fftshift（sf）;
图4-1AM调制信号及其包络和频谱
4.3DSB的程序与仿真
dt=0.001;%时间采样频谱
fmax=1;%信源最高频谱
fc=10;%载波中心频率
T=5;%信号时长
t=0:
dt:
T;
mt=sqrt
（2）*cos（2*pi*fmax*t）;%信源
s_dsb=mt.*cos（2*pi*fc*t）;
[f,sf]=FFT_SHIFT（t,s_dsb）;%调制信号频谱
PSD=（abs（sf）.^2）/T;%调制信号功率谱密度
figure
（1）
subplot（211）
plot（t,s_dsb）;holdon;%画出DSB信号波形
plot（t,mt,'r--'）;%标示mt波形
title（'DSB调制信号及其包络'）;
xlabel（'t'）;
subplot（212）
plot（f,PSD）;
axis（[-2*fc2*fc0max（PSD）]）;
title（'DSB信号功率谱'）;
xlabel（'f'）;
%调用函数
function[f,sf]=FFT_SHIFT（t,st）
%ThisfunctionisFFTtocalculateasignal’sFouriertransform
%Input:
t:
samplingtime,st:
signaldata.Timelengthmustgreaterthean2
%output:
f:
samplingfrequency,sf:
frequen
%outputisthefrequencyandthesignalspectrum
dt=t
（2）-t
（1）;
T=t（end）;
df=1/T;
N=length（t）;
f=[-N/2:
N/2-1]*df;
sf=fft（st）;
sf=T/N*fftshift（sf）;
图4-2DSB调制信号及其包络和频谱
4-4SSB的程序与仿真
%幅度调制SSB信号输出和功率谱程序清单
dt=0.001;%时间采样频谱
fmax=1;%信源最高频谱
fc=10;%载波中心频率
T=5;
t=0:
dt:
T;
mt=sqrt
（2）*cos（2*pi*fmax*t）;%信源
s_ssb=real（hilbert（mt）.*exp（j*2*pi*fc*t））;
[f,sf]=FFT_SHIFT（t,s_ssb）;%单边带信号频谱
PSD=（abs（sf）.^2）/T;%单便带信号功率谱
figure
（1）
subplot（211）
plot（t,s_ssb）;holdon;%画出SSB信号波形
plot（t,mt,'r--'）;%标示mt的包络
title（'SSB调制信号'）;
xlabel（'t'）;
subplot（212）
plot（f,PSD）;
axis（[-2*fc2*fc0max（PSD）]）;
title（'SSB信号功率谱'）;
xlabel（'f'）;
%调用函数
function[f,sf]=FFT_SHIFT（t,st）
%ThisfunctionisFFTtocalculateasignal’sFouriertransform
%Input:
t:
samplingtime,st:
signaldata.Timelengthmustgreaterthean2
%output:
f:
samplingfrequency,sf:
frequen
%outputisthefrequencyandthesignalspectrum
dt=t
（2）-t
（1）;
T=t（end）;
df=1/T;
N=length（t）;
f=[-N/2:
N/2-1]*df;
sf=fft（st）;
sf=T/N*fftshift（sf）;
图4-3SSB调制信号及其包络和频谱
总结
通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目，课本相结合的能力。
既让我懂得了怎么样把理论应用于实际，又让我懂得了在实践中遇到的问题怎么样用理论去解决。
在本次设计中，我们还需要大量的新知识，于是图书馆和计算机网络成了我们很好的助手，在查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。
我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
在设计过程中，总遇到这样或者那样的问题，这时我们要耐心地解决它，为以后的工作设计积累经验。
在实际操作中不断熟练。
通过这次的课程设计，我觉得最大的收获就是既了解了外界对信号传输的影响，又回顾了MATLAB的相关知识。
经过了一周的努力，终于完成了通信系统综合训练。
这次设计，让我对原来的知识有了更深一步的了解，也对MATLAB这个仿真软件的操作有了更深的理解。
在此期间，我多多少少也遇到了一些问题，但是通过老师和同学们的帮助，终于完成了这次设计的仿真任务。
致谢
本次设计是在曲娜老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在设计当中帮助过我的各位同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本次设计的顺利完成。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！
参考文献
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