基于MATLAB的模拟信号频率调制(FM)与解调分析

1、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；3、课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包

2、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日武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书目 录1 Simulink 简介·········· ·····

3、83;· ················11.1 Matlab 简介 ·········· ······· ·····错 误！未定义书签。1.2 Simulink 介绍 ···&

4、#183;············ ·····错 误！未定义书签。2 原理分析····· ···················错误！未定义书签。2.1 通信系统··&#

5、183;········ ······· ·····错 误！未定义书签。2.1.1 通信系统的一般模型·· ············错误！未定义书签。2.1.2 模拟通信系统·······&

6、#183;······················32.2 FM 调制与解调原理 ···················错 误！未定义书签。3 基于 Matlab 方案设计·&

7、#183;···························63.1 Matlab 代码 ·········· ······· ··&#

8、183;·············63.2 Matlab 仿真 ·········· ······· ················84

9、基于 Simulink 方案设计 ······························12 4.1 使用 Simulink 建模和仿真的过程 ····· ·······&#

10、183;·······12 4.1.1 Simulink 模块库简介 ·· ······················124.1.2 调制解调模块库简介 · ··········

11、···· ·······134.2 FM 调制与解调电路及仿真 ·· ······················144.3 仿真结果分析 ·········&

12、#183;······ ··············175心得体会····· ···················错误！未定义书签。6参考文献·&#

13、183;··· ····················· ·······20本科生课程设计评定表武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书1 Simulink 简介Simulink 是 Mathworks 公司推出的基于 Matlab 平台的著名仿真环境Simulink 作为一种专业和功能强

14、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。1.1Matlab 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 Simulink 两大部分。Ma

15、tlab 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

16、帮助功能很强大， 自带有详细的帮助手册， 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。1.2Simulink 介绍Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系

17、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 。1武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书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。Simu

18、link 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

19、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；对仿真算法的验证；对仿真结果置信度分析。2武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书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

20、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vc (t) Vm cos( (t ) Vm cos( ct0 )调制信号为v(t )Vm cos(t )调频信号的一般表达式为v(t)Vm cos(ctk ft0 )v (t )dt0调相信号的一般表达式为v(t )Vm cos(ctk p v (t )0 )以单音调制为例，对于调频信号而言，它的瞬时角频率、瞬时相位分别为：(t )ck f Vm cost(t )ctk f Vm sintc m cos( t )0c tM f sint0式中 M f 为调频指数。因而，调频波的表达式为vFM (t ) Vm cos( c t M f sin

21、 t0 )uFM 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m3武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书它是瞬时角频率(t ) 的最大值；最大频偏f m 是瞬时频偏f (t ) 的最大值。m 或f m 反映了频率受调制的程度，是衡量调频质量的重要指标。m 或 f m 与 V m 和 k f 成正比，与调制信号频率 F 无关。 FM 波瞬时频率变化范围为 f cf m f cf m ，最大变化量为 2 f m 。（2）调制系数（调制灵敏度）k fk fm(rad/s V)U m它表示 V m 对瞬时（角

22、）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 M fmfmM fmF它是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移量。但 M f 与 F 成反比。 M f 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：（1）以载频 f c 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 fc 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

23、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4武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书t=-t0:tz:t0;%产生时间向量kf=100;%设定调频指数fc=1000;%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)-1int_m(i+1)=int_m(i)+m_fun(i)*tz;endx=cos(2*pi*fc*

24、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=fftseq(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

25、 -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(' 原始信号的频域图形 ');5武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书xlabel('频率 ');legend('M(f)');figure(3);%生成已调信号的时域图形plot(t,

26、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)

27、9;);figure(5);%生成解调信号的时域图形plot(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(&

28、#39;频率 ');legend('Y(f)');3.2Matlab仿真根据上述实验代码在Matlab 中运行后可得如下所示图形：6武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书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号的频域图形如图3-2 所示：图 3-2原始信号的频域图形7武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书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8武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书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

29、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9武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书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：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4.1.1Simulink 模块库简介(1)Continuous（连续模块）库(2)Discr

30、ete（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，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

31、）、Clock（时间信号）、 Pulse（脉冲信号）等。10武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书图 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，可以在Matlab 的命令窗口输入以下命令：>>help comm.如通信模块集（ Communicatio

32、ns 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）11武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书amod- Analog passband modulator.（通带模拟调制）amodce- Analog baseband modulator.（基带模拟调制）apkconst- Plot a combined circular ASK-PSK signal c

33、onstellation. （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 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 m