基于matlab和simulink的AM调制系统的仿真系统的研究课程设计.docx
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基于matlab和simulink的AM调制系统的仿真系统的研究课程设计
基于matlab和simulink的AM调制系统的仿真系统的研究课程设计
基于matlab和simulink的AM调制系统的仿真系统的研究
摘要
学习AM调制原理，AM调制就是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。
在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化。
解调方法利用相干解调。
解调就是实现频谱搬移，通过相乘器与载波相乘来实现。
通过相干解调，通过低通滤波器得到解调信号。
相干解调时，接收端必须提供一个与接受的已调载波严格同步的本地载波，它与接受的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，得到原始的基带调制信号。
通过信号的功率谱密度的公式，得到功率谱密度。
利用Matlab和Matlab-Simulink仿真建立AM调制的通信系统模型，用Matlab仿真程序画出调制信号、载波、已调信号、相干解调之后信号的波形以及功率频谱密度，分析所设计系统性能。
用Matlab-Simulink仿真建立基于相干解调的AM仿真模型，详细叙述模块参数的设置，分析仿真结果。
关键词：
AM调制相干解调Matlab仿真Matlab-Simulink仿真
1.Matlab/Simulink简介
1.1Matlab简介
MATLAB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。
1.2Matlab下的simulink简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink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，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
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（GUI），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是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.AM的基本原理
2.1AM信号介绍
通信的目的是传输信息，如何准确地传输信息是通信的一个重要目标。
通常从信源产生的原始的基带信号具有较低的频谱分量，这种信号在多信道复用、无线电传输等场合不适宜直接进行传输。
因此。
在通信系统的发送端通常要将基带信号调制在较高的载频上，而在接收端则需要有相反的过程-----解调。
根据调制前的信号是模拟信号还是数字信号，可以把信号调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。
模拟调制方式是载频信号的幅度、频率或相位随着欲传输的模拟输入基带信号的变化而相应发生变化的调制方式，包括：
幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）三种。
幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化，其它参数不变。
是使高频载波的振幅载有传输信息的调制方式。
振幅调制分为三种方式：
普通调幅方式（AM）、抑制载波的双边带调制（DSB-SC）和单边带调制（SSB）。
所得的已调信号分别称为调幅波信号、双边带信号和单边带信号。
2.2AM调制原理
2.2.1幅度调制原理
所谓调制，就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。
这里高频振荡波就是携带信号的运载工具，也叫载波。
振幅调制，就是由调制信号去控制高频载波的振幅，直至随调制信号做线性变化。
在线性调制系列中，最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅，简称为调幅（AM）。
在频域中已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移；在时域中，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。
设正弦载波为
式中，A为载波幅度；
为载波角频率；
为载波初始相位（通常假设
=0）.
调制信号（基带信号）为
。
根据调制的定义，振幅调制信号（已调信号）一般可以表示为
设调制信号
的频谱为
，则已调信号
的频谱
：
2.2.2标准调幅AM调制原理
标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM）。
假设调制信号
的平均值为0，将其叠加一个直流偏量
后与载波相乘，即可形成调幅信号。
其时域表达式为：
式中，
为外加的直流分量；
可以是确知信号也可以是随机信号。
但通常认为其平均值为0，即
=1。
AM信号的典型波形和频谱分别如图1-1所示，图中假定调制信号
的上限频率为
。
显然，调制信号
的带宽为
。
图1-1AM信号的波形和频谱
由图1-1可见，AM信号波形的包络与输入基带信号
成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。
但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足
，否则将出现过调幅现象而带来失真。
AM信号的频谱
是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。
上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。
显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。
故AM信号是带有载波的双边带信号，带宽为基带信号带宽的两倍，即
式中，
为调制信号
的带宽，
为调制信号的最高频率。
2.2.3AM调制原理框图
图1-2AM调制原理框图
1.3AM解调原理
从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调（demodulation），又称为检波（detection）。
对于振幅调制信号，解调（demodulation）就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。
解调（demodulation）是调制的逆过程。
图1-3AM相干解调原理框图
图1-3就是利用乘积型同步检波器实现振幅的解调，让已调信号与本地恢复载波信号相乘并通过低通滤波可获得解调信号。
3.Simulink的模型建立和仿真
3.1AM信号的调制仿真
3.1.1建立仿真模型
图3-1AM信号的调制仿真
AM信号是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。
其产生过程是将调制信号叠加一个直流偏量后与载波相乘。
其simulink仿真模型如图3-1所示。
本设计中sinewave为调制信号，Constant提供直流分量与调制信号经过加法器叠加。
sinewave1产生一个频率为f1的高频载波，载波信号与加法器输出的信号相乘，就产生了AM调制信号。
3.1.2参数设置
建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。
正弦载波参数设置：
图3-2正弦载波参数
载波信号的幅度为1，频率为60rad/s.
图3-3调制信号参数
图3-4直流偏量参数
调制信号的幅度为1，频率为5rad/s。
直流分量信号幅度为2.
示波器设置：
图3-5示波器设置
3.1.3仿真波形图
经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形图3-6所示。
改变直流偏量为4V，其他参数不变，观察示波器显示波形如图3-7所示。
由图3-6和图3-7对比可知，直流偏量越大，载波功率分量所占比例越多，调制深度小，功率利用率越低。
AM调制在“满调幅”的条件下，调制效率有最大值为1/3。
图3-6示波器显示波形
由上图可看出,已调信号的外包络能很好的反应调制信号的波形。
图3-7改变直流偏量
3.2AM信号的解调仿真
3.2.1建立相干解调仿真模型
相干解调电路如下图：
图3-8相干解调仿真模型
其中Product输出的是已调信号，SineWave2提供一个与载波同频同相的本地信号（相干载波），AnalogFilterDesign为一个巴特沃斯低通滤波器，已调信号与相干载波相乘，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带信号。
3.2.2参数设置
相干载波参数设置：
图3-9相干载波参数设置
低通滤波器参数设置：
图3-10低通滤波器参数设置
3.2.3仿真波形图
图3-11解调输出波形
图3-11为仿真的波形，图中第一个为调制信号，第二个为载波信号，第三个为已调信号，第四个为相干解调输出。
3.2.4相干解调抗噪声性能分析
图3-12AM相干解调抗噪声性能分析模型
根据上图相干解调抗噪性能分析模型，得到simulink中相干解调抗噪性能分析框图，仿真模型如图3-13所示。
图3-13信道高斯白噪声仿真框图
其中Band-LimitedWhiteNoise为带限白噪声，以模拟高斯白噪声通过低通滤波器后的噪声，已调信号和带限白噪声经过加法器后的信号模拟已调信号通过信道后的输出信号，与本地相干载波相乘经过低通滤波器，输出解调信号。
各部分波形如图3-14所示。
其中，第一个为调制信号波形，第二个为载波信号，第三个为调制输出波形，第四个为通过信道接收到的有噪声的影响的信号，第五个为有噪声条件下解调信号。
由图3-14中解调信号和图3-11中解调信号对比可知，再有噪声影响的条件下，解调信号幅度降低。
图3-14示波器显示波形
4.Matlab仿真
4.1载波信号的分析
t=-1:
0.00001:
1;
A0=10;%载波信号振幅
f=6000;%载波信号频率
w0=f*pi;
Uc=A0*cos（w0*t）;%载波信号
figure
（1）;
subplot（2,1,1）;
plot（t,Uc）;
title（'载频信号波形'）;
axis（[0,0.01,-15,15]）;
subplot（2,1,2）;
Y1=fft（Uc）;%对载波信号进行傅里叶变换
plot（abs（Y1））;title（'载波信号频谱'）;
axis（[5800,6200,0,1000000]）;
图4-1载波信号分析
4.2AM调制
在Matlab中对AM信号调制的程序为：
t=-1:
0.00001:
1;
A0=10;%载波信号振幅
A1=5;%调制信号振幅
A2=3;%已调信号振幅
f=3000;%载波信号频率
w0=2*f*pi;
m=0.15;%调制度
mes=A1*cos（0.001*w0*t）;%消调制信号
Uam=A2*（1+m*mes）.*cos（（w0）.*t）;%AM已调信号
subplot（2,1,1）;
plot（t,Uam）;
gridon;
title（'AM调制信号波形'）;
subplot（2,1,2）;
Y3=fft（Uam）;%对AM已调信号进行傅里叶变换
plot（abs（Y3））,grid;
title（'AM调制信号频谱'）;
axis（[5950,6050,0,500000]）;
图4-2AM调制信号波形
4.3滤波前AM解调信号波形
t=-1:
0.00001:
1;
A0=10;%载波信号振幅
A1=5;%调制信号振幅
A2=3;%已调信号振幅
f=3000;%载波信号频率
w0=2*f*pi;
m=0.15;%调制度
k=0.5;%DSB前面的系数
mes=A1*cos（0.001*w0*t）;%调制信号
Uam=A2*（1+m*mes）.*cos（（w0）.*t）;%AM已调信号
Dam=Uam.*cos（w0*t）;%对AM调制信号进行解调
subplot（2,1,1）;
plot（t,Dam）;
gridon;
title（'滤波前AM解调信号波形'）;
subplot（2,1,2）;
Y5=fft（Dam）;%对AM解调信号进行傅里叶变换
plot（abs（Y5））,grid;
title（'滤波前AM解调信号频谱'）;
axis（[187960,188040,0,200000]）;
图4-3滤波前AM解调信号波形
4.3AM调制信号解调
t=0:
0.01:
2*pi;
y0=2^（1/2）*cos（2*pi*t）;
y1=（2+2^（1/2））*cos（2*pi*t）;%信源频率为1Hz的余弦
y2=cos（2*pi*10*t）;%载波10Hz
y3=y1.*y2;%已调信号
y4=y3.*y2;%同步解调，与载波相乘
figure
（1）;
[b,a]=cheby1（12,0.5,100/500）;%切比雪夫滤波器
y5=filter（b,a,y4）;%滤波
y6=y5*2;
figure
（1）;
subplot（5,1,1）;
plot（y0）;%画出信源的图形
title（'余弦信号'）;
subplot（5,1,2）;
plot（y2）;%画出载波图形
title（'载波信号'）;
subplot（5,1,3）;
plot（y3）;%画出已调信号的信号图形
title（'调制信号'）;
subplot（5,1,4）;
plot（y4）;
title（'相干解调信号'）;
subplot（5,1,5）;
plot（y5）;%画出解调信号的图形
title（'解调信号'）;
N=100;
t=0:
0.01:
1;
T=1;
Pxx=（abs（fftshift（fft（y5））.^2）/T）;
f=-length（Pxx）/2:
length（Pxx）/2-1
figure
（2）;
plot（f,Pxx）;title（'解调信号的功率谱密度'）;
xlabel（'频率'）;
ylabel（'功率（dB）'）;
gridon;
图4-4AM解调
图4-5解调信号频谱密度
图4-4中第一个基带余弦信号，第二个为载波信号，第三个为调制信号，可以看出调制信号幅度随基带信号的幅度变化而变化。
第四个为相干解调信号，可以看出其中含有高频信号。
第五个为通过低通滤波器后的信号，可以看出和基带信号基本保持一致。
总结
本设计分别用Matlab和Matlab-Simulink完成了对AM信号实现调制与解调，Matlab仿真中完成了对AM信号的时域分析，通过fft变换，得出了调制信号和解调信号的频谱图；从巴特沃斯滤波器入手来设计低通滤波器等入手，实现了预期的滤波效果。
载波频率f可以选的高一些，在设计的时候时间采样t的间隔就要大一些。
通过相干解调，通过低通滤波器得到解调信号，可以看出调制信号幅度随基带信号的幅度变化而变化。
通过低通滤波器后的信号，可以看出和基带信号基本保持一致。
Matlab-Simulink仿真结果出来后，经过仔细对比，解调后的信号与原信号大致相同，但在波形和幅度上均有偏差，幅度上的偏差是由于噪声和调制系统的性能共同引起的，可以通过增强振幅恢复至原始状态。
在实践过程中，基本上是在已有的基础上自学而完成的，所以对自己的自学能力的提高也起到了一定的作用。
同样，也锻炼了我的思维和动手能力。
为在以后的其余学习中打下了很好的基础。
同时，老师和同学也给了我很大的帮助，使得我完成此次课程设计的过程相对较轻松。
在此也要向帮助过我的人致以深深的谢意。
另外，本次设计过程中充分利用了图书馆及其网络资源，才能够成功完成任务，让我意识到充分利用身边资源的重要性。
总之，通过此次课程设计，巩固了理论知识，锻炼了自己的动手能力，收获了很多。
参考文献
[1]樊昌信.通信原理.北京：
国防工业出版社，2012.
[2]林志谋.通信原理MATLAB仿真实验指导书V4.0终结版.厦门：
厦门海洋职业技术学院，2013.
[3]赵静，张瑾．基于Matlab的通信系统仿真[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2007．
[4]徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：
西安电子科技大学出版社，2005.
[5]孙屹，吴磊.Simulink通信仿真开发手册.北京.国防工业出版社,2003.
[6]郭文彬,桑林.通信原理——基于MATLAB的计算机仿真.北京:
北京邮电大学出版社,2006.
附录Matlab编程
（1）载波分析部分程序：
t=-1:
0.00001:
1;
A0=10;%载波信号振幅
f=6000;%载波信号频率
w0=f*pi;
Uc=A0*cos（w0*t）;%载波信号
figure
（1）;
subplot（2,1,1）;
plot（t,Uc）;
title（'载频信号波形'）;
axis（[0,0.01,-15,15]）;
subplot（2,1,2）;
Y1=fft（Uc）;%对载波信号进行傅里叶变换
plot（abs（Y1））;title（'载波信号频谱'）;
axis（[5800,6200,0,1000000]）;
（2）AM调制部分程序：
t=-1:
0.00001:
1;
A0=10;%载波信号振幅
A1=5;%调制信号振幅
A2=3;%已调信号振幅
f=3000;%载波信号频率
w0=2*f*pi;
m=0.15;%调制度
mes=A1*cos（0.001*w0*t）;%消调制信号
Uam=A2*（1+m*mes）.*cos（（w0）.*t）;%AM已调信号
subplot（2,1,1）;
plot（t,Uam）;
gridon;
title（'AM调制信号波形'）;
subplot（2,1,2）;
Y3=fft（Uam）;%对AM已调信号进行傅里叶变换
plot（abs（Y3））,grid;
title（'AM调制信号频谱'）;
axis（[5950,6050,0,500000]）;
（3）滤波前AM解调信号波形分析部分程序：
t=-1:
0.00001:
1;
A0=10;%载波信号振幅
A1=5;%调制信号振幅
A2=3;%已调信号振幅
f=3000;%载波信号频率
w0=2*f*pi;
m=0.15;%调制度
k=0.5;%DSB前面的系数
mes=A1*cos（0.001*w0*t）;%调制信号
Uam=A2*（1+m*mes）.*cos（（w0）.*t）;%AM已调信号
Dam=Uam.*cos（w0*t）;%对AM调制信号进行解调
subplot（2,1,1）;
plot（t,Dam）;
gridon;
title（'滤波前AM解调信号波形'）;
subplot（2,1,2）;
Y5=fft（Dam）;%对AM解调信号进行傅里叶变换
plot（abs（Y5））,grid;
title（'滤波前AM解调信号频谱'）;
axis（[187960,188040,0,200000]）;
（4）AM调制信号解调部分程序：
t=0:
0.01:
2*pi;
y0=2^（1/2）*cos（2*pi*t）;
y1=（2+2^（1/2））*cos（2*pi*t）;%信源频率为1Hz的余弦
y2=cos（2*pi*10*t）;%载波10Hz
y3=y1.*y2;%已调信号
y4=y3.*y2;%同步解调，与载波相乘
figure
（1）;
[b,a]=cheby1（12,0.5,100/500）;%切比雪夫滤波器
y5=filter（b,a,y4）;%滤波
y6=y5*2;
figure
（1）;
subplot（5,1,1）;
plot（y0）;%画出信源的图形
title（'余弦信号'）;
subplot（5,1,2）;
plot（y2）;%画出载波图形
title（'载波信号'）;
subplot（5,1,3）;
plot（y3）;%画出已调信号的信号图形
title（'调制信号'）;
subplot（5,1,4）;
plot（y4）;
title（'相干解调信号'）;
subplot（5,1,5）;
plot（y5）;%画出解调信号的图形
title（'解调信号'）;
N=100;
t=0:
0.01:
1;
T=1;
Pxx=（abs（fftshift（fft（y5））.^2）/T）;
f=-length（Pxx）/2:
length（Pxx）/2-1
figure
（2）;
plot（f,Pxx）;
title（'解调信号的功率谱密度'）;
xlabel（'频率'）;
ylabel（'功率（dB）'）;
gridon;
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