通信原理课程设计——模拟调制信号

一、课程设计的目的
通过自主设计，加深对模拟调制信号的了解，巩固课堂所学知识。

同时在熟悉MATLAB基础上应用simulink仿真，通过反复调试和理解，基本掌握该仿真软件的使用。

更重要的是，在设计中培养自主创新意识和动手能力，建立起良好的工作习惯和科学素养。

二、课程设计的内容
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计模拟调制信号中的线性调制中的调幅（AM），双边带（DSB），单边带（SSB），非线性调制中的调相（PM），调频（FM）用示波器观察调制波形和解调波形，最后结合理论对比波形得出结论。

三、课程设计要求
1、熟悉matlab环境下的Simulink仿真平台，熟悉模拟调制信号，构建电路图
2、对模拟信号进行处理，建立仿真模型，分析仿真波形。

3、技术要求：模拟信号频率最高限制在12KHz内。

四、课程设计内容 MATLAB 仿真简介
利用MATLAB 提供的可视化工具Simulink 可以建立了扩频通信系统仿真模型。

Simulink 是MA TLAB 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

它包括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。

Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。

1 模拟调制信号
所谓调制，就是将基带信号的频带搬移至适合信道传输的频谱位置的过程。

通常未调制的信号（基带信号）称为调制信号，而调制后的信号称为已调信号，完成频带搬移的信号则为载波信号。

调制是通过调制信号（基带信号）控制载波的某个（或某些）参数来实现的。

线性调制：常规双边带调幅（AM ）、抑制载波的双边带调制（DSB ）、单边带调制（SSB ）。

非线性调制：相位调制（PM ）、频率调制（FM ）。

线性调制中的残留边带调制（VSB ）我们暂时不予以研究。

2 模拟调制信号的原理与仿真 线性调制信号：
调幅信号（AM ）时域表达式：
()()[]
()0'
0cos ϕω++A =t t s t e c AM （1）
对式（1）进行傅里叶变换，可得到它的频域特性为：
()()[]()()[]
C c c AM S S ωωωωωωδπω-+++
+A =E ''
02
1 （2） 调幅信号的波形和频谱分别如图图1和如图图2所示。

图1 AM 调制信号的波形图
图2 AM 调制信号的频谱
调幅信号（AM ）是调制信号加直流分量后与载波相乘。

模型如下：
图3 调幅信号（AM ）的调制模型
Simulink 设计图如图4：
图4 调幅信号（AM ）的仿真设计图
设备参数设定
● Signal:64Hz ● Signal 1:640000Hz ● Signal 2:640000Hz ● 滤波器butter:100*2*pi 示波器显示调制解调过程如图5所示
图5示波器显示常规AM 调制解调过程
双边带调幅信号（DSB ）时域表达式：
()()t t As t e c D SB ωcos = （3） 将上式进行傅里叶变换，可得到DSB 信号的频域特性为：
()()()[]C C DSB S S E ωωωωω-++A
=
2
(4)
双边带调幅信号的波形和频谱分别如图图6和如图图7所示。

图6 双边带调幅（DSB）波形
图7 双边带调幅信号频谱示意图
抑制载波双边带调幅的调制过程实际上就是调制信号与载波的相乘运算，解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。

其模型如下
图8 双边带调幅信号（DSB）调制解调模型Simulink设计图如图9：
图9 双边带调幅信号（DSB）的仿真设计图
设备参数设定
● Signal:64Hz
● Signal 1:640000Hz
● Signal 2:640000Hz
●滤波器butter:100*2*pi
示波器显示调制解调过程如图10所示
图10示波器显示双边带信号（DSB）调制解调过程
单边带调幅信号（SSB ）时域表达式： ()()()t t s t t s t e c c SSB ωωsin 2
1cos 21
+=
（5） 单边带调幅信号的频谱和相干解调的频谱图分别如图图11和如图图12所示。

图11单边带调幅信号的频谱图
图12 单边带（下边带）相干解调频谱图Simulink设计图如图13：
图13 单边带调幅信号（SSB）的仿真设计图设备参数设定
● Signal:64Hz
● Signal 1:640KHz
● Signal 2:640KHz
● 下边带滤波器cheby1:635000*2*pi ● 滤波器butter:100*2*pi 示波器显示调制解调过程如图14所示
图14示波器显示单边带信号（SSB ）调制解调过程
非线性调制信号：
调频信号（FM ）与调相信号（PM ）的表达式：
()()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+A =⎰∞-t
F c t FM d s k t e ττωcos （6） ()()[]t s k t t e P c PM +A =ωcos （7） FM 波形图 PM 波形图
图15 FM\PM调制解调波形频率调制（FM）、相位调制（PM）仿真
FM仿真程序：
% fm
close all；
clear all；
Fc=10； %载波频率为10Hz
Fs=100；%设定采样速率为100Hz
t=0：0.02：5；
%x=sawtooth(3*t)；%输入信号
x=sin(2*pi*t)；
%fm 调制解调
sensitivity=3；
sensitivity1=0.5；
yfm = fmmod(x,Fc,Fs,sensitivity)；
zfm=fmdemod(yfm,Fc,Fs,sensitivity1)；
figure (1)；
subplot(3,1,1)；plot(t,x)；title('输入信号')；subplot(3,1,2)；plot(t,yfm)；title('调制信号')；subplot(3,1,3)；plot(t,zfm)；title('解调信号')；仿真结果如图16所示：
图16 FM仿真结果PM仿真程序:
%pm
clear all；
close all；
fc=10；%设置载波频率为10Hz
fs=100；%设置采样频率为100Hz
t=0：0.02：5；
x=sin(2*pi*t)；%输入信号
%调制解调
phasedev = pi/2；
y = pmmod(x,fc,fs,phasedev)；% Modulate.
z = pmdemod(y,fc,fs,phasedev)；
%作图
subplot(3,1,1)；plot(t,x)；title('输入信号')；
subplot(3,1,2)；plot(t,y)；title('调制信号')；
subplot(3,1,3)；plot(t,z)；axis([0,5,-1,1])；title('解调信号')；
仿真结果如图17所示：
图17 PM仿真结果
3 结果分析
本文对模拟通信系统进行了仿真研究,在模拟调制解调原理的基础上分别对模拟通信系统的幅度调制系统以及角度调制系统进行了仿真，即MATLAB对AM、DSB、SSB、FM、PM系统的仿真。

通过模拟调制解调系统的仿真结果分析，得出以下结论：
（1）AM：
①此种调制方式占用频带较宽，已调信号的频带宽度是调制信号的频带的两倍[8]；
②由于被调信号的包络就是调制信号叠加一个直流，所以容易实现峰值包络解调[8]；
③含有正弦载波分量，即有部分功率耗用在载波上，而没有用于信息的传送[8]；
④从效率上看，常规调幅调制方式效率较低，但调制和解调过程简单。

（2）DSB：
①幅度调制。

DSB信号是过调幅AM波，故它仍是幅度调制，但此时包络已不再与m(t) 成线性关系变化，这说明它的包络不完全载有调制信号的信息，因此它不是完全的调幅波[8]。

②幅度调制，频率未变。

DSB信号的频率仍与载波相同，没有受到调制。

③有反相点。

DSB信号在调制信号的过零点处出现了反相点，调制指数大于1的AM信号在调制信号过零点处出现反相点。

所以有反相点出现，是因为调制信号在过零点前后取值符号是相反的。

④上、下边带均包含调制信号的全部信息；幅度减半，带宽加倍.
（3） SSB[8]：
① SSB信号的振幅与调制信号的幅度成正比，它的频率随调制信号频率的不同而不同，因此它含消息特征。

单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同
[8]。

②单边带调制从本质上说是幅度和频率都随调制信号改变的调制方式。

但由于它产生的已调信号频率与调制信号频率只有一个线性变换（由变至或的线性搬移），这一点与AM和DSB信号相似，所以被归为振幅调制[8]。

③ SSB调制方式在传送消息时，不但功率利用率高，而且它所占用频带比AM和DSB减少了一半，频带利用充分，目前这对于波道特别拥挤的短波通信是有利的, 已成为短波通信中一种重要的调制方式[8]。

（4） FM 和 PM：
①调频信号的频谱同未调信号的频谱几乎没有相似性，这是调频与调幅的最大的不同；
②调频信号不改变总功率，而只改变功率在各分量之间的分配关系，如抑制载波上的功率，使某一边频的功率占的比例较大；
③调频系统的抗干扰能力强。

④ PM和FM非常相似，将调制信号先微分而后进行调频，则得到的即是调相信号。

五设计总结
本次课程设计中，主要问题是MATLAB的Simulink仿真平台的应用。

由于很少使用MATLAB，所以用其仿真时，许多的东西都不会，从而查阅书籍，通过本次设计，我们不仅加深理解和巩固了理论课上所学习的有关模拟调制技术的基本概念、基本理论和基本方法，而且锻炼了分析和解决问题的能力；同时对位我们进行了良好工作习惯和科学素质的培养，为以后参加科学工作打下基础。

【参考文献】
《通信原理》（第6版）樊昌信曹丽娜国防工业出版社
《通信原理》（第2版）电子工业出版社
《MA TLAB实用教程》（第1版）徐金明北京交通大学出版社。