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类型基于Matlab的相位调制与解调技术.pdf

  • 上传人:weiwoduzun
  • 文档编号:3630974
  • 上传时间:2018-11-14
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    基于Matlab的相位调制与解调技术.pdf
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    1、武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 1 1. 前言 1.1 序言 随着人类社会步入信息化社会,电子信息科学技术正以惊人的速度发展,开辟了社会发展的新纪元。从 20 世纪 90 年代开始至今,通信技术特别是移动通信技术取得了举世瞩目的成就。在通信技术日新月异的今天,学习通信专业知识不仅需要扎实的基础理论,同时需要学习和掌握更多的现代通信技术和网络技术。通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。全面、系统地论述了通信系统基本理沦、基本技术以及系统分析与设计中用到的基本工具和方法,并将重点放在数字通信系统上。通信系统又可分为数字通信与模拟通信。传统的 模拟通信系统,包括模拟

    2、信号的调制与解调,以及加性噪声对幅度调制和角度调制模拟信号解调的影响。数字通信的基本原理,包括模数转换、基本AWGN 信道中的数字调制方法、数字通信系统的信号同步方法、带限 AWGN 信道中的数字通信问题、数字信号的载波传输、数字信源编码以及信道编码与译码等,同时对多径信道中的数字通信、多载波调制、扩频、 GSM 与 IS95 数位蜂窝通信。随着数字技术的发展原来许多不得不采用的模拟技术部分已经可以由数字化来实现,但是模拟通信还是比较重要的 1.2 设计任务 本设计 是基于 MATLAB 的模拟相位( PM)调制与解调仿真,主要设计思想是利用 MATLAB 这个强大的数学软件工具,其中的通信仿

    3、真模块通信工具箱以及 M 檔等,方便快捷灵活的功能实现仿真通信的调制解调设计。还借助MATLAB 可视化交互式的操作,对调制解调处理,降低噪声干扰,提高仿真的准确度和可靠性。 要求基于 MATLAB 的模拟调制与解调仿真,主要设计思想是利用 MATLAB、 simulink 檔、 M 檔等,方便快捷的实现模拟通信的多种调制解调设计。基于 simulink 对数字通信系统的调制和解调建模。并编写相应的 m 檔,得出调试及仿真结果并进行分析 。 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 2 2.通 信系统与 MATLAB 软件 2.1 模拟通信系统简介 通信系 统 是 为 了有效可靠的 传输

    4、 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 统模 型 调制器 : 使信号与信道相匹配 , 便于频分复用等。发滤波器 : 滤除调制器输出的无用信号。收 滤波器 : 滤除信号频带以外的噪声,一般设 N(t)为高斯白噪声 ,则 Ni(t)为窄带白噪声

    5、。 2.2 相位调制与解调 调制在通信系统中具有重要作用。通过调制,不仅可以进行频谱搬移,把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上,从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多任务的已调信号,而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 在无线电通信中,角度调制(简称角调)是一种重要的调制方式,它包括频率调制和相位调制。频率调制简称调频用 FM 表示,它是使高频振荡信号的频率按调制信 号的规律变化,而振幅保持不变的一种调制方式。我们称调频信号的解调为鉴频或频率检波。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

    6、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。 由于从消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量,这种信号在许多武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 3 信道中不适宜直接进行传输。因此,在通信系 统的发送端通常需要有调制过程,而在接收端则需要有反调制过程 解调过程。 所谓载波调制,就是按调制信号(基带信号)的变化规律去改变载波某些参数过程。调制的载波可以分为两类:用正弦型信号作为载波;用脉冲

    7、串或一组数字信号作为载波。通常,调制可以分为模拟(连续)调制和数字元调制两种方式。在模拟调制中,调制信号的取值是连续的,而数字调制中的调制信号的取值则为离散的。目前常见的模 数变换可以看成是一种用脉冲串作为载波的数位调制,它又称为脉冲编码调制( PCM)。 2.3 SIMULINK 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。在 simu

    8、link 环 境中,利用鼠 标 就可以在模型窗口中直 观地“ 画 ” 出系 统模 型,然后直接 进 行仿真。它 为 用 户 提供了方 框图进 行建模的 图 形接口,采用 这 种 结构画 模型就像你用手和 纸来画 一 样 容易。 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(以 .mdl 檔 进 行存取), 进 而 进 行仿真与分析。 SIMI

    9、LINK 模 块库按功能 进 行 分类 ,包括以下 8 类 子 库 : Continuous( 连续 模 块 ), Discrete(离散模 块 ), Function if nargin=2 n1=0; %nargin 为输入参量的个数 else n1=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,及基 n-FFT 变换 m=m,zeros(1,n-n2); %构建新的 m 信号

    10、 df=fs/n; %重新定义频率分辨率 上述 m 文件 以“ fftseq.m”保存。 在实现相位解调时要调用两个子函数,分 述如下: %求信号相角的子函数,这是调频、调相都要用到的方法 function v,phi=env_phas(x,ts,f0) if nargout=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 上述 m 文件 以“ env_phas.m”保存。 %产生调

    11、制信号的正交分量 function x1=loweq(x,ts,f0) 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 7 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 上述 m 文件 以“ loweq.m”保存 %主程序 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

    12、: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 for i=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=c

    13、os(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m); %调制后的信号 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 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 8 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

    14、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) %子图形式显示结果 plot(t,m(1:length(t) %现在的 m 信号是重新构建的信号, %因为在对 m 求傅里叶变换时 m=m,zeros(1,n-n2) axis(-0.1 0.1 -1 1) %定义两轴的刻度 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(-0.1 0.1 -1 1) xlabel(时间 t) title(已调信号的时域图 ) subplot(3,2,3) plot(f,abs(f

    15、ftshift(M) %fftshift:将 FFT 中的 DC 分量移到频谱中心 axis(-600 600 0 0.04) xlabel(频率 f) title(原调制信号的频谱图 ) subplot(3,2,4) plot(f,abs(fftshift(U) axis(-600 600 0 0.04) xlabel(频率 f) title(已调信号的频谱图 ) subplot(3,2,5) plot(t,m(1:length(t) axis(-0.1 0.1 -1 1) xlabel(时间 t) title(原调制信号的时域图 ) 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 9 su

    16、bplot(3,2,6) plot(t,dem(1:length(t) axis(-0.1 0.1 -1 1) xlabel(时间 t) title(解调后信号的时域波形 ) 4.2 结 果 显 示 将 源代 码输 入 MATLAB 命令窗口, 运 行就可以得 到结 果,如 图 5 所示: 图 5 M 文件 仿真结果图 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 10 5.SIMULINK 实现的 仿真 5.1 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

    17、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。以完成设计的任务:模拟信号的调制与解调。假定基频信号为 m(t)=cos(20 *t),载波频 率 fc =100Hz,相位偏差 Kp = , 仿真电路如图 6 所示: 图 6 SIMULINK 仿真电路图 基带信号 Sine Wave: 振幅 (Amplitude) 设为 1;频率 (Frequency)设为 2*pi*10,取样时间 (Sampl

    18、e time)设定 1/2000。 如图 7 所示: 图 7 Sine Wave 参数设定图 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 11 调制模块 : 载波频率 (Carrier frequency)设定为 100(Hz),频率偏差设定为pi(rad)。 如图 8 所示: 图 8 调制模块参数设定图 解调模块 : 载波频率 (Carrier frequency)设定为 100(Hz),频率偏差设定为pi(Hz),希伯尔转换滤波器阶层 (Hilbert transform filter order)设定为100(默认值 )。 如图 9 所示: 图 9 解调模块参数设定图 示波器 : N

    19、umber 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 。如图 10 所示: 图 10 示波器参数设定图 频域讯号的零阶保持: 设定为 1/1000。如图 11 所示: 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 12 图 11 零阶保持设定图 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 , Frequen 选 择 -Fs

    20、/2 .Fs/2 。 如图 11 所示: 图 11 频谱分析器设定图 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 13 5.2 结果显示 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 14 6.心得体会 经过 一 个 多星期 的关于 工程信 号 分析 处 理的 课 程 设计 ,在老 师 和同 学 的 帮 助下,我基本上完成了 这次 任 务 ,通 过这次课 程 设计 我收 获颇 多, 概而言之,大约以下几点: 一、温故而知新。课程设计发端之始,思绪全无,举步维艰,对于理论知识学习不够扎实的我深感 “书到用时方恨少 ”,于是想起圣人之言 “温故而知新 ”,便重拾教材与实验手册,对知识系统而全

    21、面进行了梳理,遇到难处先是苦思冥想再向同学请教,终于熟练掌握了基本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识,学会了如何思考的思维方式,找到了设计的灵感。 二、理论联系实际。 通 过这次课 程 设计 使我懂得 了理论 与 实际相结合 是很重要的,只有 理论 知 识 是 远远 不 够 的,只有把 所学 的 理论 知 识 与 实践相结合 起 来 ,从理论 中得出 结论 ,才能真正 为 社 会 服 务 , 从 而提高自己的 实际动 手能力和 独 立思考的能力。在 设计 的 过 程中遇到 问题, 可以 说 得是困 难 重重,值得一提的是 刚开始 在解 调问题 上我被卡住了,命令窗口一直提示不

    22、能 识别 fftseq 这个 函 数 ,之前我以 为 MATLAB 里面 有这个库 函 数 ,于是找了 大量数 据,自己 编写 出 fftseq的 M 檔然后 运 行就成功了。 总 的 来说 , 这次设计 的 关于 工程信 号 的 课 程 设计还 是比 较 成功的,在 设计中遇到了很多 问题, 上网查 资 料 终 于游逆而 解,有 点 小小的成就感, 终 于 觉 得平时所学 的知 识 有 了实 用的价 值,达 到 了理论 与 实际相结合 的目的, 不仅学到 了不少知 识 ,而且 锻炼 了自己的能力,更加 强 了 团队 合作的意 识 ,使自己 对以 后的路有了更加清楚的 认识 ,同 时 , 对

    23、未 来 有了更多的信心。 本次设计中,首先是加强了我对 MATLAB 软 件的 掌握,这方面是目前比较热门的话题,通过这次的课程设计也增加了我对学习交流的兴趣。我将在以后的时间中加强这方面的学习。其次,通过找数据,我觉得学习与实践是相互紧密联系的。我认为自己的设计还是不够完美,其中还有一些地方应该得到改进,我相信在以后的学 习中我会更加努力。使得我的 理论 知 识 和 实践动 手操作能力都有了提高。 最后, 对给过 我 帮 助的所有同 学 和各位指 导 老 师 再次表示忠心的感 谢 ! 武汉理工大学工程信号分析处理课程设计任务说明书 15 参考 文 献 1 徐明 远 邵玉斌 编 著 . MAT

    24、LAB 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 7 刘泉 主编 . 通信电子线路(第 2 版) . 武汉:武汉理工大学出版社, 2005.1 8 刘敏 魏玲 编著 . MATLAB 通信仿真与应用 . 北京:国防工业出版社, 2001.1 9 薛定宇 陈阳泉 著 . 基于 MATLAB/Simulik 的系统仿真技术与应用 . 北京:清华大学出版社, 2002.4

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