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信号分析处理

目录

摘要1

Abstract2

1模拟通信系统简介3

1.1模拟通信系统概念3

1.2相位调制与解调3

1.3SIMULINK3

2调制与解调原理分析4

2.1调相信号4

2.2调制原理5

2.3解调原理5

3函数实现的仿真7

3.1M文件源代码7

3.1.1傅里叶变换的子函数7

3.1.2求信号相角的子函数7

3.1.3产生调制信号的正交分量的子函数7

3.2主程序文件源代码8

3.3程序运行结果9

4SIMULINK实现的仿真10

4.1所用模块及参数10

4.2仿真结果13

5心得体会15

6参考资料17

附录：

本科生课程设计成绩评定表18

摘要

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟通信是一种以模拟信号传输信息的通信方式。

非电的信号（如声、光等）输入到变换器（如送话器、光电管），使其输出连续的电信号，使电信号的频率或振幅等随输入的非电信号而变化。

利用信号的调变技术，可以将信号转换成所需要的不同性质的模拟信号。

例如，可以对正弦载波进行调幅、调频来达到特殊的工作目的，本文主要描述模拟信号的相位调制与解调方法。

关键词：

模拟信号模拟通信相位调制解调

Abstract

Analogsignalreferstoinformationwithinthegivenrangeofparametersshowedacontinuoussignal,oroveraperiodofsuccessivetimeintervals,whichrepresentstheamountofinformationcanbepresentedasasignalfeatureofanyvalueatanymoment.Analogcommunicationsignalisananalogtransmissioncommunicationmethodinformation.Non-electricsignals（suchassound,light,etc.）isinputtotheinverter（suchasamicrophone,opticaltube）,sothatacontinuouselectricaloutput,frequencyoramplitudeoftheelectricalsignalandothernon-electricalsignalthatvarieswiththeinput.Usingthesignalmodulationtechnology,thesignalisconvertedintoananalogsignaldifferentnaturerequired.Forexample,asinusoidalcarrieramplitudemodulation,frequencymodulationtoachievespecificworkpurposes,phasemodulationanddemodulationmethoddescribedinthispaper,theanalogsignal.

Keywords:

analogsignalsforanalogcommunicationphasemodulationanddemodulation

1模拟通信系统简介

1.1模拟通信系统概念

通信系统是为了有效可靠的传输信息，信息由信源发出，以语言、图像、数据为媒体,通过电（光）信号将信息传输，由信宿接收。

通信系统又可分为数字通信与模拟通信。

基于课程设计的要求，下面简要介绍模拟通信系统。

信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统为模拟通信，模拟通信系统的模型如图1所示。

图1模拟通信系统的模型

1.2相位调制与解调

相位调制简称调相，用PM表示，它是使高频振荡信号的相位按调制信号的规律变化，其振幅也保持不变。

调相信号的解调，称为鉴相或相位检波。

角度调制属于频谱的非线性变换，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带宽比原调制信号的贷款要大得多。

虽然角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强。

1.3SIMULINK

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

而所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

2调制与解调原理分析

2.1调相信号

在模拟调制中，一个连续波有三个参数可以用来携带信息而构成已调信号。

当幅度和频率保持不变时，改变载波的相位使之随未调信号的大小而改变，这就是调相的概念。

角度调制信号的一般表示形式为：

（2.1.1）

式中，A是载波的恒定振幅；[ωct+φ（t）]是信号的瞬时相位，而φ（t）称为瞬时相位偏移；d[ωct+φ（t）]/dt为信号的瞬时频率，而dφ（t）/dt称为瞬时频率偏移，即相对于ωC的瞬时频率偏移

设高频载波为Uc=UcmCOSωct，调制信号为UΩ（t），则调相信号的瞬时相位φ（t）=ωct+KpUΩ（t）

瞬时角频率

（2.1.2）

调相信号:

（2.1.3）

将信号的信息加在载波的相位上则形成调相信号，调相的表达式为：

（2.1.4）

这里KPM称为相移指数，这种调制方式，载波的幅度和角频率不变，而瞬时相位偏移是调制信号f（t）的线性函数，称为相位调制。

调相与调频有着相当密切的关系，我们知道相位与频率有如下关系式：

（2.1.5）

（2.1.6）

所以在调相时可以先将调制信号进行微分后在进行频率调制，这样等效于调相，此方法称为间接调相，与此相对应，上述方法称为直接调相。

调相信号的产生如图所示：

图2.1.1直接调相图2.1.2间接调相

2.2调制原理

实现相位调制的基本原理是使角频率为ωc的高频载波Uc（t）通过一个可控相移网络,此网络产生的相移Δφ受调制电压UΩ（t）控制,满足关系Δφ=KpUΩ（t）所以网络输出就是调相信号，可控相移网络调相原理图如图所示：

图2.2控相移网络调相原理

2.3解调原理

已调波的解调电路称为检波器，调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器。

采用乘积鉴相是最常用的方法。

若调相信号为：

（2.3.1）

其中

Δφ（t）=KpmΩ（t）

同步信号与载波信号相差pi/2

U01=KUcmUrmsinΔφ（t）/2-sin[2wct+Δφ（t）]（2.3.2）

式中k为乘法器增益,低通滤波器增益为1,可以看到乘积鉴相的线性鉴相范围较小，只能解调Mp≦6π的调相信号。

乘积鉴相器的原理图如图所示，由于相乘的两个信号有pi/2的固定相位差，故这种方法又称为正交乘积鉴相。

原理如下图：

图2.3正交乘积鉴相

3函数实现的仿真

3.1M文件源代码

3.1.1下述傅里叶变换的子函数m文件以“fftseq.m”保存

function[M,m,df]=fftseq（m,ts,df）

fs=1/ts;

ifnargin==2,n1=0;%nargin为输入参量的个数

elsen1=fs/df;

end

n2=length（m）;

n=2^（max（nextpow2（n1）,nextpow2（n2）））;%nextpow2（n）取n最接近的较大2次幂

M=fft（m,n）;%M为信号m的傅里叶变换，n为快速傅里叶变换的点数

m=[m,zeros（1,n-n2）];%构建新的m信号

df=fs/n;%重新定义频率分辨率

3.1.2下述求信号相角的子函数的m文件以“env_phas.m”保存

function[v,phi]=env_phas（x,ts,f0）

ifnargout==2%nargout为输出变数的个数

z=loweq（x,ts,f0）;%产生调制信号的正交分量

phi=angle（z）;%angle是对一个复数求相角的函数

end

v=abs（hilbert（x））;%abs用来求复数hilbert（x）的模

3.1.3下述产生调制信号的正交分量的m文件以“loweq.m”保存

function　x1=loweq（x,ts,f0）

t=[0:

ts:

ts*（length（x）-1）];

z=hilbert（x）;%希尔伯特变换对的利用---通过实部来求虚部

x1=z.*exp（-j*2*pi*f0*t）;%产生信号z的正交分量并将z信号与它的正交分量加在一起

3.2主程序文件源代码

t0=0.2;%信号的持续时间,用来定义时间向量

ts=0.001;%抽样间隔

fs=1/ts;%抽样频率

fc=300;%载波频率,fc可以任意改变

t=[-t0/2:

ts:

t0/2];%时间向量

kf=100;%偏差常数

df=0.25;%所需的频率分辨率，用在求傅里叶变换时，它表示FFT的最小频率间隔

m=sin（100*t）;%调制信号，m（t）可以任意更改

int_m

（1）=0;%求信号m（t）的积分

fori=1:

length（t）-1

int_m（i+1）=int_m（i）+m（i）*ts;

end

[M,m,df1]=fftseq（m,ts,df）;%对调制信号m（t）求傅里叶变换

M=M/fs;%缩放，便于在频谱图上整体观察　

f=[0:

df1:

df1*（length（m）-1）]-fs/2;%时间向量对应的频率向量

u=cos（2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m）;%调制后的信号　

u=m+rand（length（m）,1）%添加高斯白噪声

[U,u,df1]=fftseq（u,ts,df）;%对调制后的信号u求傅里叶变换　

U=U/fs;%缩放

%通过调用子程序env_phas和loweq来实现解调功能　

[v,phase]=env_phas（u,ts,fc）;%解调，求出u的相位　

phi=unwrap（phase）;%校正相位角，使相位在整体上连续，便于后面对该相位角求导

dem=（1/（2*pi*kf））*（diff（phi）*fs）;%对校正后的相位求导再经一些线性变换来恢复原调制信号乘以fs是为了恢复原信号，因为前面使用了缩放

subplot（3,2,1）,plot（t,m（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'原调制信号的时域图/'）

subplot（3,2,2）,plot（t,u（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'添加高斯白噪声的已调信号'）

subplot（3,2,3）,plot（f,abs（fftshift（M）））,axis（[-60060000.04]）,xlabel（'频率f'）,title（'原调制信号的频谱图/'）

subplot（3,2,4）,plot（f,abs（fftshift（U）））,axis（[-60060000.04]）,xlabel（'频率f'）,title（'已调信号的频谱图/'）

subplot（3,2,5）,plot（t,m（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'原调制信号的时域图/'）

subplot（3,2,6）,plot（t,dem（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'解调后信号的时域波形/'）

3.3程序运行结果

图3.3运行结果

分析：

经调相后，载波的相位随调制信号有规律地改变，因为加有高斯白噪声，信号的幅值发生变化，从频域看，已调信号带宽明显比原信号大很多，说明相位调制属于非线性调制。

4SIMULINK实现的仿真

4.1所用模块及参数

MATLAB的功能性工具箱主要用来扩充MATLAB的数值分析、矩阵运算、数字信号处理、符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能、与硬件实时交互功能。

本设计主要用到通信工具箱（Communication Toolbox）的函数是调制与解调：

ademod（ ）模拟带通信号解调，ademodce（ ） 模拟基带信号解调，amod（ ） 模拟带通信号调制，amodce（ ） 模拟基带信号调制。

（1）仿真电路如图所示：

图4.1.1仿真电路

（2）假定基频信号为m（t）=cos（20π*t），载波频率fc=100Hz，相位偏差Kp=π/2，如下图：

图4.1.2基带信号设置

（3）调制模块：

载波频率（Carrier frequency）设定为100（Hz），调制增益设定为1。

如下图

图4.1.3调制模块参数

（4）解调模块：

载波频率（Carrier frequency）设定为100（Hz），调制增益设定为1，

图4.1.4解调模块参数

（5）示波器：

Number of axes这边设定为3，Time range为想要显示的时间终点，设定为auto时， Time range与环境模拟设定时间一样。

图4.1.5示波器参数

（6）频域讯号的零阶保持：

设定为1/1000。

图4.1.6零阶保持参数

（7）频域讯号的频谱分析器设定：

Buffer size设定为1024，Buffer overlap设定为100，FFT length设定为1024；Frequency units选择Hertz ，Freque[-Fs/2….Fs/2] 。

图4.1.7频谱仪参数

4.2仿真结果

4.2.1频域

图4.2.1调制、解调、调制后信号的频谱

4.2.2时域

4.2.2原信号

4.2.3调制后

图4.2.4解调信号

分析：

PM调制时表现形式为已调信号的疏密程度随调制信号变化，相位偏移随调制信号线性变化，解调信号与原信号几乎一致，说明其抗噪声性能较好。

从图中已调信号的时域图中可以看出载波的频率随着调制信号的改变而改变。

从频谱图中可以得出，已调信号的带宽明显大于调制信号最高频率的两倍，并且产生了很多新的频率分量，是一种非线性调制。

5心得体会

6参考资料

[1] 徐明远 邵玉斌 编著. 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，2005.6

[2] 孙屹 李妍 编著.MATLAB 通信仿真开发手册.北京：

国防工业出版社，2005.1

[3] 达新宇、陈树新等著.通信原理教程.北京：

北京邮电大学出版社，2005.1

[4] 李颖编著.simulink动态系统建模与仿真基础.西安：

西安电子科技大学出版社，2004.7

[5] 樊昌信 等编著.通信原理教程.北京：

北京电子工业出版社，2004.1

[6] 樊昌信 张甫翊 徐炳祥 吴成柯 编著.通信原理（第5版）.北京：

国防工业出版社，2001.5