秋季课题五 信号课程设计调频指导书1107.docx
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秋季课题五信号课程设计调频指导书1107
课题五FM调制与解调系统的设计
一、本课题的目的
本课程设计课题主要研究FM调制与解调模拟系统的理论设计和软件仿真方法。
通过完成本课题的设计,拟主要达到以下几个目的:
1.掌握模拟系统FM调制与解调的原理。
2.掌握模拟系统FM调制与解调的设计方法;
3.掌握应用MATLAB分析系统时域、频域特性的方法,进一步锻炼应用Matlab进行编程仿真的能力;
4.熟悉基于Simulink的动态建模和仿真的步骤和过程;
5.了解基于LabVIEW虚拟仪器的特点和使用方法,熟悉采用LabVIEW进行仿真的方法。
二、课题任务
设计FM调制与解调模拟系统,仿真实现相关功能。
包括:
可实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统设计及仿真,要求给出系统的设计框图、源程序代码及仿真结果,并要求给出程序的具体解释说明,记录系统的各个输出点的波形和频谱图。
具体内容为:
(1)设计FM调制与解调、PM调制与解调的模拟系统,给出系统的原理框图,对系统的主要参数进行设计说明。
(2)采用Matlab语言设计相关程序,实现系统的功能,要求采用两种方式进行仿真,即直接采用Matlab语言编程的静态仿真方式、采用Simulink进行动态建模和仿真的方式。
要求采用两种以上调制信号源进行仿真,并记录系统的各个输出点的波形和频谱图。
(3)采用LabVIEW进行仿真设计,实现系统的功能,要求给出系统的前面板和框图,采用两种以上调制信号源进行仿真,并记录仿真结果。
(4)要求对系统的时域、频域特性进行分析,并与理论设计结果进行比较分析。
(5)对系统功能进行综合测试,整理数据,撰写设计报告。
三、主要设备和软件
(1)PC机,一台
(2)MATLAB6.5以上版本软件,一套
(3)LabVIEW7.0以上版本软件,一套
四、设计内容、步骤和要求
4.1必选部分
(1)设计实现FM、PM调制与解调的模拟系统,给出系统的原理框图,对系统的主要参数进行设计说明,具体参数包括:
载波频率、调制信号频率、载波大小、调制信号大小、调制系数等参数。
并对所设计的系统进行理论分析计算。
(2)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统,进行基于Matlab语言的静态仿真设计。
分别实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统仿真设计,要求给出系统的Matlab编程仿真程序及结果,并要求写出程序的具体解释说明,记录系统的各个输出点的波形和频谱图。
要求调制信号分别采用不同类型的信号进行仿真,至少给出两种以上调制信号源,具体参数自定。
载波信号频率根据设计情况设定。
(3)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统,采用Simulink进行动态建模仿真设计。
分别实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统动态仿真设计,要求包括调制和解调的部分,并给出采用Simulink进行动态建模仿真的系统方框图,同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。
要求采用两种以上调制信号源进行仿真,具体参数自定。
载波信号频率根据设计情况设定。
(4)根据仿真结果,对系统的时域、频域特性进行分析,并与理论设计结果进行比较分析。
4.2拓展部分
(1)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统,说明具体的参数,进行基于LabVIEW环境的仿真,分别实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统仿真设计,要求包括调制和解调的部分,给出系统的前面板和框图,并记录仿真结果。
(2)要求调制信号采用不同类型的信号源,进行进一步的仿真,给出系统的前面板和框图,并记录仿真结果,观察分析频谱的变化情况。
(3)比较分析采用以上两种软件环境:
Matlab与LabVIEW,进行仿真的各自的特点,分析说明不同语言环境的各自优势。
4.3选作部分
(1)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统,采用Matlab语言设计相关程序,并且利用GUI设计图形用户界面,完成4.1必选部分所要求的功能。
(2)分析比较采用Matlab语言的GUI设计图形用户界面与采用LabVIEW进行设计的各自的特点。
五、课程设计报告要求
(1)设计报告书包括内容:
课程设计题目,设计目的和意义,设计方案,详细设计步骤,设计结果(原理图等),测试和仿真结果(图形或数据)及其分析,结论,参考文献等。
(2)提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料(电路图、程序、结果等)的电子版。
六、参考文献
[1]信号与系统课程组.信号与系统课程设计指导.2007.10
[2]吴大正.信号与线性系统分析(第四版).高等教育出版社,2005,8
[3]谢嘉奎.电子线路—非线性部分(第四版).高等教育出版社,2003,2
[4]黄永安等.Matlab7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用.清华大学出版社,2005.12
[5]陈垚光等.精通MATLABGUI设计.电子工业出版社,2011.01
[6]江建军.LabVIEW程序设计教程.电子工业出版社,2008.03
七、附录——设计原理
附录:
设计原理
1.FM调制与解调的原理
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
(1-1)
调制信号为
(1-2)
调频信号的一般表达式为
(1-3)
调相信号的一般表达式为
(1-4)
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:
(1-5)
(1-6)
式中
为调频指数。
因而,调频波的表达式为
(1-7)
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)
(1-8)
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
(1-9)
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:
Ø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;
Ø载波分量并不总是最大,有时为零;
ØFM信号的功率大部分集中在载频附近;
Ø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的波形变换,使变换后的波形包含有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。
具体方法参见参考文献[3]及其他文献资料。
对于单音调制的调相信号,它的瞬时角频率、瞬时相位及解调方法分别参见参考文献[3]。
2.使用Simulink建模和仿真的过程
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。
2.1Simulink模块库简介
ØContinuous(连续模块)库
ØDiscrete(离散模块)库
Ø函数与表格模块库
ØMath(数学模块)库
ØSinks(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)
ØSources(信号源模块)库(如图5-1所示),常见模块有:
Constant(输入常数模块)、SignalGenerator(信号源发生器模块)。
SignalGenerator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)、SineWave(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。
2.2调制解调模块库简介
CommunicationsBlockset(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:
>>helpcomm.
如通信模块集(CommunicationsBlockset)中的Modulation(调制库)。
Modulation/Demodulation.
ademod-Analogpassbanddemodulator.(通带模拟解调)
ademodce-Analogbasebanddemodulator.(基带模拟解调)
amod-Analogpassbandmodulator.(通带模拟调制)
amodce-Analogbasebandmodulator.(基带模拟调制)
apkconst-PlotacombinedcircularASK-PSKsignalconstellation.(计算和绘制QASK调制图)
ddemod-Digitalpassbanddemodulator.(通带数字解调)
ddemodce-Digitalbasebanddemodulator.(基带数字解调)
图2-1Sources(信号源模块)库
demodmap-Demapadigitalmessagefromademodulatedsignal.(数字解调逆映射)
dmod-Digitalpassbandmodulator.(通带数字调制)
dmodce-Digitalbasebandmodulator.(基带数字调制)
modmap-Mapadigitalsignaltoananalogsignal.(数字调制映射)
qaskdeco-DemapamessagefromaQASKsquaresignalconstellation.(矩形QASK码译码)
qaskenco-MapamessagetoaQASKsquaresignalconstellation.(计算和绘制QASK矩形图)
2.3利用Simulink建立一个仿真实例
仿真内容:
系统的传递函数为
,输入激励为阶跃函数
,查看系统响应的输出变化情况。
仿真过程如下:
首先打开simulink模块库窗口,在simulink模块库窗口中单击菜单项“File/New/Model”,即可以建立一个新的simulink模型文件。
如图2-2所示。
利用鼠标单击Simulink模块库窗口中的Continuous子库,选取传递函数模块TransferFcn,将它拖动到新建模型文件窗口的合适的位置。
然后对模型模块进行参数设置和修改,单击右键从快捷菜单中选取“TransferFcnparameters…”修改传递函数参数,在弹出对话框中的传递函数分子系数“Numerator:
”栏填入[10],在传递函数分母系数“Denominator:
”栏填入[1,3,10],其余参数使用默认值。
若需要进一步了解该模块的参数设置说明,可以单击该对话框下方的“help”按钮。
然后确认,就得到了需要仿真的传递函数。
如图2-3所示。
采用同样的方法,在Simulink模块库中的Sources子库中选取激励信号源,本例选取阶跃信号源(Step),并将它拖动到建模文件窗口的合适的位置。
然后在Sinks子库中选取示波器(Scope)模块作为系统输出波形显示。
接下来利用鼠标将三个模块连接起来。
连接方法如下:
模块外部的大于符号“>”分别表示信号的输入输出节点,为了连接两个模块的输入输出节点,可以将鼠标置于节点处,这时鼠标显示为“十”字形状,拖动鼠标到另一个模块的端口,然后释放鼠标按钮,则可以形成带箭头的连线,箭头方向表示信号的流向。
图2-2Simulink模块库窗口和新建模型文件窗口
图2-3修改仿真模型的参数
完成后的建模系统可以存盘为模型文件,扩展名为“mdl”。
如图2-4所示。
接着对输入信号源(Step)进行参数设置。
根据仿真需要修改后的参数值如表5-1所示。
输入信号源(Step)的参数设置界面如图2-5所示。
最后双击示波器模型图标,打开示波器显示窗口。
在快捷键设置菜单中设置为自动刻度。
以上工作完成后,可通过建模窗口菜单项“Simulation/Start”启动仿真,也可以单击工具栏上的小三角按钮启动仿真。
仿真结果如图2-6所示。
表2-1输入信号源(Step)的参数默认值及修改后的参数值
参数名称
默认值
修改值
Steptime阶跃时间(跃变的时刻)
1
0
Initialvalue初始值
0
0
FinalValue终值
1
1
Sampletime(采样时间)
0
0
Interpretvectorparametersas1-D(说明矢量参数为1维)
选中
选中
Enablezerocrossingdetection(过零检测有效)
选中
选中
图2-5输入信号源(Step)的参数设置界面
图2-6仿真结果
2.4调制和解调工具函数
(1)模拟通带调制(amod函数)
AMODAnalogpassbandmodulator,语法规则如下:
Y=AMOD(X,Fc,Fs,METHOD...)modulatesthemessagesignalXwithcarrierfrequencyFc(Hz)(载波频率)andsamplefrequencyFs(Hz)(采样频率),whereFc>Fs.ForinformationaboutMETHODandsubsequentparameters,andaboutusingaspecificmodulationtechnique,typeoneofthesecommandsattheMATLABprompt:
FORDETAILS,TYPEMODULATIONTECHNIQUE
amodamdsb-tc%Amplitudemodulation,doublesidebandwithtransmissioncarrier
amodamdsb-sc%Amplitudemodulation,doublesidebandsuppressedcarrier
amodamssb%Amplitudemodulation,singlesidebandsuppressedcarrier
amodqam%Quadratureamplitudemodulation(正交幅度调制)
amodfm%Frequencymodulation
amodpm%Phasemodulation
(2)模拟通带解调(ademod函数)
ADEMODAnalogpassbanddemodulator.
Z=ADEMOD(Y,Fc,Fs,METHOD...)demodulatesthemodulatedsignalYwithcarrierfrequencyFc(Hz)andsamplefrequencyFs(Hz),whereFc>Fs.ForinformationaboutMETHODandsubsequentparameters,andaboutusingaspecificdemodulationtechnique,typeoneofthesecommandsattheMATLABprompt:
FORDETAILS,TYPEDEMODULATIONTECHNIQUE
ademodamdsb-tc%Amplitudedemodulation,doublesidebandwithtransmissioncarrier
ademodamdsb-sc%Amplitudedemodulation,doublesidebandsuppressedcarrier
ademodamssb%Amplitudedemodulation,singlesidebandsuppressedcarrier
ademodqam%Quadratureamplitudedemodulation
ademodfm%Frequencydemodulation
ademodpm%Phasedemodulation
2.5Simulink模块库中主要应用模块的参数设置
调制解调模块位置见图2-7所示。
DSBAMModulatorPassband(双边带通带幅度调制器)的输入信号和输出信号都是抽样形式的实信号,双边带通带幅度解调器对双边带通带幅度调制信号进行解调,它的输入信号和输出信号都是抽样的实信号。
解调器通过包络检测对信号进行解调,使用低通滤波器滤除残余高频成分,低通滤波器的传输函数的分子多项式系数由参数Low-passfilternumerator确定,分母多项式系数由Low-passfilterdenominator确定。
其模块主要参数见表2-2、表2-3所示。
设计中用的比较多的频谱仪(SpectrumScope)模块的主要参数见表2-4所示,在幅度调制的三个仿真系统中,频谱仪参数设置的要点是:
输入采样时间的倒数是调制载频的4倍。
频谱仪完全用于数字信号测量,通常输入端与一个Zero-Orderhold(采样保持电路)相连,特别是观测连续信号时,如果没有采样保持电路,频谱仪就不工作。
采样保持电路设定的参数Sampletime应与后面的频谱仪的采样时间保持一致或相同。
采样保持器的主要参数见表2-5所示。
表2-2DSBAMModulatorPassband(双边带通带幅度调制器)模块的主要参数
参数名称
参数值
Inputsignaloffset(输入信号偏移)
1
Carrierfrequency(载波频率)
180
Initialphase(rad)(初始相位)
Pi/3
图2-7调制解调模块位置
表2-3DSBAMDemodulatorPassband(双边带通带幅度调制器)模块的主要参数
参数名称
参数值
Outputsignaloffset(输出信号偏移)
1
Carrierfrequency(载波频率)
180
Initialphase(rad)(初始相位)
Pi/3
Low-passfilternumerator(低通滤波器分子)
[4.759.144.75]*0.1
Low-passfilterdenominator(低通滤波器分母)
[1-1.3108.4936]
Sampletime(抽样时间)
0.001
表2-4频谱仪(SpectrumScope)的主要参数
参数名称
参数值
Buffersize(缓存长度)
1024
Bufferoverlap(缓存交叠)
256
FFTlength(FFT长度)
1024
Numberofspectralaverages(平均数)
10
Scopeposition(显示位置)
get(0,’defaultfigureposition’)
Frequencyunits(频率单位)
Hertz
Frequencyrange(频率范围)
[0…Fs/2]
Amplitudescaling(幅度刻度)
Amplitude
Sampletimeoforiginaltimeseries(输入信号的采样时间)
0.0014
MinimumY-limit(Y量程下限)
-2
MaximumY-limit(Y量程上限)
80
2-5Zero-Orderhold(采样保持电路)的主要参数
参数名称
参数值
Sampletime
1/720
2.6参考设计
例1:
通带频率调制的系统的参考仿真框图
通带频率调制的系统参考仿真框图如图2-8所示,通带频率调制的仿真系统中示波器的波形图如图2-9所示,通带频率调制后信号的频域图如图2-10所示。
图2-8通带频率调制的系统参考仿真框图
图2-9通带频率调制的仿真系统中示波器的波形图
图2-10通带频率调制后信号的频谱图
例2:
通带相位调制的系统的参考仿真框图
通带相位调制的系统参考仿真框图如图2-11所示,通带相位调制的仿真系统中示波器的波形图如图2-12所示
图2-11通带相位调制的系统参考仿真框图
图2-12通带相位调制的仿真系统中示波器的波形图
3.Matlab工具箱中的信号产生函数
利用MATLAB信号处理工具箱提供的一些函数,可以很方便地产生三角波、方波等函数波形。
Ø周期性三角波或锯齿波函数sawtooth
调用格式为:
x=sawtooth(t,width)
功能:
产生一个周期为2π、幅度在-1到+1之间的周期性三角波信号。
其中width表示最大幅度出现的位置:
即在一个周期内,信号从t=0到width×2π时函数值从-1到+1线性增加,而从width×2π到2π又是从+1到-1线性下降。
width取值在0~1之间。
若x=sawtooth(Ωt,width),则对应的周期为2π/Ω。
示例:
产生周期为0.2的三角波,width取值分别为0、1、0.5。
td=1/100000;%td为时间间隔
t=0:
td:
1;
x1=sawtooth(2*pi*5*t,0);
x2=sawtooth(2*pi*5*t,1);
x3=sawtooth(2*pi*5*t,0.5);
subplot(311);plot(t,x1);
subplot(312);plot(t,x2);
subplot(313);plot(t,x3)
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