基于MATLAB的模拟信号频率调制FM与解调分析.docx

1、基于MATLAB的模拟信号频率调制FM与解调分析 课程设计任务书学生姓名： 杨刚 专业班级： 电信1302 指导教师： 工作单位： 武汉理工大学 题 目：信号分析处理课程设计基于MATLAB的模拟信号频率调制（FM）与解调分析初始条件：1. Matlab6.5以上版本软件；2. 先修课程：通信原理等；要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、 利用MATLAB中的simulink工具箱中的模块进行模拟频率（FM）调制与解调，观察波形变化2、 画出程序设计框图，编写程序代码，上机运行调试程序，记录实验结果（含计算结果和图表等），并对实验结果进行分析和总结

2、；3、 课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括： 目录； 理论分析； 程序设计； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少800字，必须手写。）； 参考文献（不少于5篇）。时间安排： 周一、周二查阅资料，了解设计内容；周三、周四程序设计，上机调试程序；周五、整理实验结果，撰写课程设计说明书。指导教师签名： 2013 年 7月 2 日系主任（或责任教师）签名： 2013年 7月 2日3 基于Matlab方案设计 6 3.1 Matlab代码 6 3.2 Matlab仿真 81 Simulink简介Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环

3、境Simulink作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。本课题主要是以simulink为基础平台，对FM信号的调制与解调进行分析。 1.1 Matlab简介 Matlab是MatrixLaboratory的缩写，意为矩阵实验室。它具有强大的矩阵处理功能和绘图功能，进还能进行文字处理，绘图，建模仿真等功能。Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulin

4、k两大部分。 Matlab已经发展成为多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。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的帮助功能很强大，自带

5、有详细的帮助手册，基于HTML的完整的帮助功能，也可以用help命令来得到帮助信息。程序语法与C语言类似，设计自由度大，方便我们编程。Matlab有高级的程序环境，但程序环境很简单易用。Matlab源程序具有很大的开放性。Matlab有强大的的图形绘制功能。Matlab还拥有功能强大的各种工具箱。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究，能极大地促进我们的学习研究工作。 1.2 Simulink介绍 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

6、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框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执行仿真，也可以通过命令行进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用Matlab、FORTRAN和C代码生成自定义模块

7、库，并拥有自己的图标和界面。因此用户可以将使用FORTRAN或C编写的代码链接进来，或者购买使用第三方开发提供的模块库进行更高级的系统设计、仿真与分析。 从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的，通过系统的仿真与分析可以看出Simulink在系统建模和仿真中的巨大优势，是学习、研究和设计通信系统强有力的工具。 Simulink可以直接利用Matlab的诸多资源与功能，Simulink具有以下特点：基于矩阵的数值计算，高级编程语言，图形与可视化。利用可视化仿真工具Simulink对通信系统进行了仿真分析的技术路线分为:对仿真数学模型的有效性验证；对通信系统仿真模型（程序）的验证；对仿真算

8、法的验证；对仿真结果置信度分析。2 原理分析 2.2 FM调制与解调原理 频率调制又称调频（FM），它是高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化，而振幅保持恒定的一种调制方式。 相位调制或调相（PM）是使高频振荡的相位按调制信号的规律变化，而振幅保持不变的一种调制方式。由于频率与相位间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在着密切的关系，即调频必调相，调相必调频。因此，调频和调相统称为角（度）调（制）。若只给一个波形或表达式是无法确定调制方式是调频还是调相的。 设载波信号为 调制信号为 调频信号的一般表达式为 调相信号的一般表达式为 以单音调制为例，对于调频信号而言，它的瞬时角频率、瞬时相位分

9、别为： 式中为调频指数。因而，调频波的表达式为 为等幅疏密波，疏密的变化与调制信号有关，调制信号寄托于等幅波的疏密之中或单位时间内过零点的数目之中。 调频信号的参数主要有： （1）最大角频偏 它是瞬时角频率的最大值；最大频偏是瞬时频偏的最大值。或反映了频率受调制的程度，是衡量调频质量的重要指标。或与和成正比，与调制信号频率无关。FM波瞬时频率变化范围为，最大变化量为。 （2）调制系数（调制灵敏度） 它表示对瞬时（角）频率的控制能力，是产生FM信号电路的重要参数。 （3）调频指数 它是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移量。 但与F成反比。可以大于1，而且常常远远大于1。FM信号的频谱有如下特点：

10、（1）以载频为中心，由无穷多对以调制信号频率F为间隔的边频分量组成，各分量幅值取决于Bessel函数，且以对称分布； （2）载波分量并不总是最大，有时为零； （3）FM信号的功率大部分集中在载频附近； （4）频谱结构与F密切相关； 调频波解调又称鉴频，其中一种方法为将输入调频信号进行特定波形变换，使变换后波形包含反映瞬时频率变化的平均分量。然后通过低通滤波器就能输出所需的解调电压。3 基于Matlab方案设计 3.1 Matlab代码t0=0.2;tz=0.0001; %设定时间步长fz=1/tz; %设定抽样频率t=-t0:tz:t0; %产生时间向量kf=100; %设定调频指数fc=10

11、00; %设定载波频率 %kd=0.5; %设定鉴频增益/鉴频器灵敏度df=0.05; %设定分辨率m_fun=cos(400*pi*t);int_m(1)=0; %对m_fun积分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); %调制信号y=m_fun.*kf; %解调信号M,m_fun,df1=fftseq(m_fun,tz,df); %对原始信号快速傅里叶变换M=M/fz;f=0:df1:df1*(length(m_fun)-1)-fz/2;X,x,df1=fft

12、seq(x,tz,df); %对已调信号快速傅里叶变换X=X/fz;Y,y,df1=fftseq(y,tz,df); %对解调信号快速傅里叶变换Y=Y/fz;figure(1); %生成原始信号的时域图形plot(t,m_fun(1:length(t),linewidth,3);axis(-0.01 0.01 -1.5 1.5);title(原始信号的时域图形);xlabel(时间);legend(m(t)figure(2); %生成原始信号的频域图形plot(f,abs(fftshift(M),linewidth,3);axis(-400 400 -0.01 0.1);title(原始信号的

13、频域图形);xlabel(频率);legend(M(f);figure(3); %生成已调信号的时域图形plot(t,x(1:length(t),linewidth,3);axis(-0.015 0.015 -1.5 1.5);title(已调信号的时域图形);xlabel(时间);legend(x(t);figure(4); %生成已调信号的频域图形plot(f,abs(fftshift(X),linewidth,3);axis(-1500 1500 0 0.1);title(已调信号的频域图形);xlabel(频率);legend(X(f);figure(5); %生成解调信号的时域图形p

14、lot(t,y(1:length(t),linewidth,3);axis(-0.01 0.01 -100 100);title(解调信号的时域图形);xlabel(时间);legend(y(t);figure(6); %生成解调信号的频域图形plot(f,abs(fftshift(Y),linewidth,3);axis(-600 600 -0.0001 5);title(解调信号的频域图形);xlabel(频率);legend(Y(f); 3.2 Matlab仿真 根据上述实验代码在Matlab中运行后可得如下所示图形：原始信号的时域图形如图3-1所示： 图3-1 原始信号的时域图形原始信

15、号的频域图形如图3-2所示： 图3-2 原始信号的频域图形已调信号的时域图形如图3-3所示： 图3-3 已调信号的时域图形已调信号的频域图形如图3-4所示： 图3-4 已调信号的频域图形解调信号的时域图形如图3-5所示： 图3-5 解调信号的时域图形解调信号的频域图形如图3-6所示：图3-6 解调信号的频域图形4 基于Simulink方案设计 启动Matlab后，在命令窗口中输入命令“simulink”或单击Matlab工具栏上的simulink图标，打开simulink模块库窗口（使用命令simulink3可以打开老版本的simulink模块库界面）。典型的Simulink模块包括三个部分：

16、输入模块、状态模块、输出模块。 4.1 使用Simulink建模和仿真的过程 4.1.1 Simulink模块库简介 (1)Continuous（连续模块）库 (2)Discrete（离散模块）库 (3)函数与表格模块库 (4)Math（数学模块）库 (5)Sinks（信号输出模块）库：常用模块为Scope（示波器模块）、XYGraph（二维信号显示模块）、Display（显示模块） (6)Sources（信号源模块）库（如图4-1所示），常见模块有：Constant（输入常数模块）、Signal Generator（信号源发生器模块）。Signal Generator用于产生不同的信号波形，

17、其中包括：正弦波、方波、锯齿波信号。Sources（信号源模块）还包括其它常用模块：Ramp（斜坡输入信号）、Sine Wave（正弦波输入信号）、Step（阶跃输入信号）、Clock（时间信号）、Pulse（脉冲信号）等。 图4-1 Sources（信号源模块）库 4.1.2 调制解调模块库简介 Communications Blockset（通信模块集）中包含了通信仿真模块，要打开通信工具箱的模块库，可以在Matlab的命令窗口输入以下命令： commlib此时，系统会打开工具箱模块库的窗口，模块库中包括子模块库时，用鼠标双击就可以打开下级子库。要查看通信工具箱中的函数名称和内容列表，可以

18、在Matlab的命令窗口输入以下命令： help comm.如通信模块集（Communications Blockset）中的Modulation（调制库）。Modulation/Demodulation. ademod - Analog passband demodulator. （通带模拟解调） ademodce - Analog baseband demodulator. （基带模拟解调） amod - Analog passband modulator. （通带模拟调制） amodce - Analog baseband modulator. （基带模拟调制） apkconst - P

19、lot a combined circular ASK-PSK signal constellation. （计算和绘制QASK调制图） ddemod - Digital passband demodulator. （通带数字解调） ddemodce - Digital baseband demodulator. （基带数字解调） demodmap - Demap a digital message from a demodulated signal. （数字解调逆映射） dmod - Digital passband modulator. （通带数字调制） dmodce - Digital

20、baseband modulator. （基带数字调制） modmap - Map a digital signal to an analog signal. （数字调制映射） qaskdeco - Demap a message from a QASK square signal constellation. （矩形QASK码译码） qaskenco - Map a message to a QASK square signal constellation.（计算和绘制QASK矩形图）4.2 FM调制与解调电路及仿真FM调制与解调电路如图4-2所示： 图4-2 FM调制与解调电路Source

21、 Block 的参数设置图如图4-3所示：图4-3 Source Block 的参数设置图 Function Block 的参数设置图如图4-4所示： 图4-4 Function Block 的参数设置图 Function Block的参数设置图如图4-5所示：图4-5 Function Block 的参数设置图 调制后波形图如图4-6所示：图4-6 调制后波形图 解调后波形如图4-7所示： 图4-7 解调后波形已调信号频域图如图4-8所示：图4-8 已调信号频域图解调信号频域图如图4-9所示：图4-9 解调信号频域图4.3 仿真结果分析 在此次仿真中，对FM调制解调原理的仿真实现，通过波形图

22、4-6,4-7的对比，还是有不足的，有时间的延迟和波形的少许失真，产生的原因主要是滤波器的参数设置不够细腻。间接调频，其中心频率稳定，但是实现复杂，还涉及到了调相法。而对于直接调频法，方便实用，但其载波频率不稳定的。在解调过程中，从仿真波形图可以得知，滤波器的参数设置还需要细究，这些不足还需要改进。 5 心得体会6 参考文献1 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯通信原理，第五版北京：国防工业出版社，20012 沈辉精通SIMULINK系统仿真与控制北京：北京大学出版社，20033 陈怀琛，吴大正，高西全Matlab及在电子信息课程中的应用，第三版北京：电子工业出版社，20064 David G.Messerschmitt . How Digital Communications Works J.Morgan Kaufmann，1999，26：2055 张化光，孙秋野MATLAB/SIMULINK实用教程北京：人民邮电出版社，20096 陈怀琛Matlab及其在理工课程中的应用指南西安：西安电子科技大学出版社，2000