基于MATLAB的调制解调系统仿真设计

基于MATLAB的调制解调系统仿真设计
吴承启
（726000　商洛职业技术学院　陕西　商洛）
【摘　要】原始待传输信号往往具有频率较低的频谱分量，因此这种信号在许多信道中均是不适宜直接进行传输的。

它需要经过适当的调制，使之转换成适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而在接收时再采用相应解调器以恢复原始信号。

MATLAB是集数学计算、图形处理、系统控制和程序设计语言于一体的软件，已广泛应用于现代科学技术研究和工程设计的各个领域。

利用MATLAB 信号处理工具箱提供的有关函数，可以很方便地实现对信号的调制与解调。

本论文首先分析了目前常用的调制与解调方式，介绍了利用MATLAB进行调制与解调仿真的过程，并给出仿真实例。

这使我们更好地理解了调制与解调的原理与过程，并对不同调制方式的优缺点有了更加直观的认识。

【关键词】MATLAB 调制/解调 频谱分析 仿真
Simulative Design of Modem System Based on MATLAB
Wu cheng qi
(Shangluo Vocational and Technical College,shaanxi shangluo,726000) Abstract:Usually,there is low frequencies spectrum component in the primitive transmitted signal. so this signal is unadvisable to be transmitted directly in many channels. It requires proper modulation, to change it to the modulated signal , and to be convenient for transmitting and multiplexing in a channel.MATLAB is one kind of softwares which is having mathematical calculation,graphics manipulation,control system and programming language,it is widely used in many areas of modern science and technology research and engineering design. Using the functions of the MATLAB software,we can easily realize the modulation and demodulation of a signal. First of all,this paper analyzed commonly used modulation and demodulation methods, introduced the use of MATLAB to carry out modulation and demodulation process of simulation,and give us an example of simulation. This give us a better understanding of the principle of modulation and demodulation with the process, and give us a better understanding of advantages and disadvantages of different forms of modulation .
Keywords: MATLAB; Modulation; Demodulation; Spectral analysis; Simulation
一、引言
从消息变换过来的原始信号所占的有效频带往往具有频率较低的频谱分量（例如语音信号），如果将这种信号直接在信道中进行传输，则会严重影响信息传送的有效性和可靠性，因此这种信号在许多信道中均是不适宜直接进行传输的。

在通信系统的发射端通常需要有调制过程，将调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，使之转换成适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号,而在接收端则需要有解调过程用以恢复原来有用的信号。

调制解调方式常常决定了一个通信系统的性能。

随着信息化时代的到来，调制解调技术已经成为当今社会极为重要的学科和技术领域，它在通信、信号处理等众多领域得到了广泛的应用。

在调制解调系统中，调制解调器又起着极其重要的作用。

调制解调器是数字通信技术中的一个重要组成部分,并广泛应用于单位企业和个人家庭中。

MATLAB是集数学计算、图形处理、系统控制和程序设计语言于一体的软件，同时也是一种功能强大的数据分析和工程计算高级语言，其信号处理工具箱处理的基本对象是信号和系统。

利用信号处理工具箱中的文件可以实现信号的变换、 滤波、频谱估计、滤波器设计、线性系统分析等功能。

工具箱还提供了图形用户界面工具，可以交互地完成很多信号处理的功能。

在调制解调中利用MATLAB 信号处理工具箱提供的有关函数，可以很方便地实现对通信信号的调制与解调[1]。

本论文主要包括五部分内容:引言，相关的调制与解调方式介绍，以及MATLAB通信工具箱，利用MATLAB进行调制与解调仿真的过程，并给出仿真实例，最后进行总结。

二、调制解调系统介绍
（一）基本概念
为了合理的使用频带资源，提高通信质量，需要使用调制技术，对输入信号进行调制，使波形满足通信媒体的频带要求；接收端需要对接收的波形进行解调，以恢复原始信号。

调制 － 把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。

解调 － 调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。

载波 － 未受调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。

调制信号 － 指来自信源的基带信号。

已调信号 － 载波受调制后称为已调信号。

载波调制 － 用调制信号去控制载波的参数的过程。

根据调制信号的不同，可将调制分为模拟调制和数字调制。

模拟调制的输入信号为连续变化的模拟量，数字调制的调制信号是 离散的数字量[2]。

（二）由于篇幅所限，下面只介绍一下模拟调制中的一种—幅度调制。

幅度调制（线性调制）的原理
设：正弦型载波为)
cos(
)
(0
ϕ
ω+
=t
A
t
c c 2-(1)
式中，A — 载波幅度；c —载波角频率；0 — 载波初始相位（以后假定0 ＝ 0）。

则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成:
()()cos
m c
s t Am t t
ω
= 2-(2)
式中， m(t)— 基带调制信号。

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频谱:设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为[]()())2
m c c A
S M M ωωωωω=
++−2-(3)由以上表示式可见：在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。

由于
这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。

但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。

事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。

调幅（AM）时域表示式
00()[()]cos cos ()cos AM c c c s t A m t t A t m t t ωωω=+=+ 2-(4)
式中 m(t) － 调制信号，均值为0；A0 － 常数，表示叠加的直流分量。

频谱：若m(t)为确知信号，则AM信号的频谱为
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()[()()][()()]2AM c c c c S A M M ωπδωωδωωωωωω=++−+++−2-(5)
若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。

由波形可以看出，当满足条件：|m(t)|A0时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出
原始调制信号。

否则，出现“过调幅”现象。

这时用包络检波将发生失真。

但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。

A M信号的特性带宽：它是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽 fH的两倍：2AM H B f =
此外：线性调制还包括双边带调制（DSB）、单边带调制（SSB）、残留边带（VSB）调制等.
特点与应用
A M：优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差。

主要用在中波和短波调幅广播。

DSB调制：优点是功率利用率高，且带宽与AM相同，但设备较复杂。

应用较少，一般用于点对点专用通信。

S S B调制：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于A M，而带宽只有A M的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。

SSB常用于频分多路复用系统中。

V S B调制：抗噪声性能和频带利用率与S S B相当。

在电视广播、数传等系统中得到了广泛应用。

FM： FM的抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。

缺点是频带利用率低，存在门限效应[3]。

三、MATLAB软件
（一）MATLAB仿真软件简介
MATLAB 是美国Math Work 公司推出的高性能的数值计算和可视化软件,它由最基本的矩阵运算和功能各异的工具箱组成,它集矩阵运算、数值分析、信号处理和图形显示于一体,具有友好的工作界面,广泛应用于信号处理、控制系统、通信系统等科学领域. 其在MATLAB 通信工具箱中有MATLAB 函数和Simulink 仿真模块,因此, MATLAB 的通信仿真可分为MATLAB 函数进行的仿真和用Simulink 模块框图进行的2 种仿真. 前者函数是按照数据流的顺序依次执行,即所处理的数据,首先要经过一个运算阶段,然后再激活下一个阶段,这称之为数据流仿真. 后者在Simulink模块框图的仿真中,每个模块在每个时间步长上执行1 次,即所有模块在每个时间步长上同时执行,这称之为时间流仿真. 不同的应用会采用 种仿真方式中1种,但其仿真结果是一样的[4].
（二）MATLAB的语言特点
以下简单介绍一下MATLAB的主要特点[4]。

1.语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。

2.运算符丰富。

由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。

3.MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while 循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

4.程序限制不严格，程序设计自由度大。

5.程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

6.MATLAB的图形功能强大。

在MATLAB里，数据的可视化非常简单。

MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

7.源程序的开放性。

开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。

（三）MATLAB仿真的步骤
通信系统是一个功能结构相当复杂的系统,对这个系统做出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定. 因此,在
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对原有的通信系统做改进或建立一个新的系统之前,通常要对整个系统进行建模和仿真,通过仿真结果衡量方案的可行性,从中选择最合理的系统配置和参数设置,然后再应用到实际系统中,这就是通信仿真. 通信系统的MATLAB仿真主要是建立MATLAB仿真模型仿真模型就是对实际通信系统的模拟和抽象,根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究,按照物理原理或者系统辨识的方法,确定模型的类型、结构和参数,然后将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型。

四、在MATLAB中的仿真基带模拟调制解调的仿真
对调制进行仿真模拟有两种选择：带通仿真的载波信号包含于传输模型中。

由于载波信号频率远高于输入信号，根据抽样定理，抽样频率必须至少大于两倍的载波频率才能正确地恢复信号，因此对高频信号的模拟仿真效率低、速度慢。

为了加速模拟仿真，一般使用基带仿真，也称低通对等法。

基带仿真使用带通信号的复包络[6]。

设B为原始信号带宽，基带 仿真要求仿真抽样频率大于或等于2B,而一般情况下有B<<f c。

器的输出为复数信号，作
为基带解调器的输入。

图4-1所示为基带调制、解调过程。

图3 基带模拟调制解调方框图
例：利用MATLAB对一信号进行调制解调。

设正弦载波为:U c=U c m c o s(ωc t+Ф)式中:ωc—载波角频率;Ф—载波初相位;U c m—载波的幅度。

设调制信号为:Us=Usmcos(ωst+a)式中:ωs—调制信号角频率;a—调制信号初相位;Usm—调制信号的幅度。

现有调制信号u s=c o s(20πt+π/4)去调制载波信号uc=cos(300πt+π/3)得到普通调幅波,这里我们可以设定抽样频率为Fs=8000hz,抽样时间为0.1秒,编制如下M脚本文
Fs=8000;%设定抽样频率(单位:hz)Fc=300;%设定载波频率(单位:hz)t=0:0.001:0.6;%设定抽样时间0.1s us=cos(20*pi*t+pi/4);%调制信号(图4)uc=cos(300*pi*t+pi/3);%载波信号(图5)
u0=modulate(us,Fc,Fs,'amdsb-tc',2.5);%获得保留载波的调幅波(图6)
figure;%画图
subplot(3,1,1);plot(t,us);%画出调制信号波形hold on%保持绘制的线不被清除
plot(t,zeros(size(t)),'r');%画纵坐标为0的基准线xlabel('t'),ylabel('us'),title('调制信号');%标注坐标轴
subplot(3,1,2);plot(t,uc);%画出载波信号波形hold on%保持绘制的线不被清除
plot(t,zeros(size(t)),'r');%画纵坐标为0的基准线xlabel('t'),ylabel('uc'),title('载波信号');%标注坐标轴
subplot(3,1,3);plot(t,u0)%画出调幅波波形hold on%保持绘制的线不被清除
plot(t,zeros(size(t)),'r');%画纵坐标为0的基准线xlabel('t'),ylabel('u0'),title('已调波'); %标注坐标轴
us2=demod(u0,Fc,Fs,'amdsb-tc');%对普通调幅波进行解调(图7)
figure;plot(t,us2)%画出检波后的结果hold on%保持绘制的线不被清除
plot(t,zeros(size(t)),'r');%画纵坐标为0的基准线xlabel('t'),ylabel('us2'),title('解调结果'); %标注坐标轴
运行程序后,得如下波形:
观察上述波形发现与理论波形基本吻合。

五、结论
本论文利用MATLAB仿真软件进行了调制解调系统的仿真设计。

MATLAB是高性能的数值计算和可视化软件，它集矩阵运算、数值分析、信号处理和图形显示于一体，广泛应用于通信系统的各个领域。

在弄清楚调制解调的原理后，利用MATLAB函数进行仿真，在MATLAB仿真软件中运行，就会出现仿真图形。

如果仿真结果与理论结果比较不理想，我们可以重新设置仿真程序中的相应参数重复仿真直至获得较理想的结果。

通过运用MATLAB对调制解调系统进行的仿真，可以使我们很清楚的掌握MATLAB仿真的步骤和流程，为以后进一步研究MATLAB以及通信仿真系统奠定了坚实的基础。

参考文献：
[1]刘毅敏. 基于MATLAB的调制解调器的设计[J]. 现代计算机, 2005,7: 95-97
[2]陈洁，焦振宇.基于MATLAB7. 0 的信号调制与解调分析[J] .山西电子技术， 2006，5(1-3): 35-37
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调用该函数可以关闭一个s o c k e t通信，其函数格式如下：int close (int socketfd); 该函数只有一个参数socketfd，为套接字描述符，通过调用此函数即可以关闭该套接字描述符对应的socket通信。

关闭成功返回值0，失败返回-1。

（三）广告发布服务器实现
广告的设计可以采用专门的设计软件来进行，利用广告设计软件将广告设计完成后将广告内容通过转换工具分别将视频数据、字幕数据、图片数据等转换成广告机播放器能够播放的格式，然后通过专门制作的广告发布服务器将这些数据发送到广告机播放终端。

其中广告发布服务器是基于s o c k
e t通信模式的服务器，采用V C++6.0开发工具来进行开发，通过调用socket通信的标准app接口函数来实现客户机/服务器间的网络传输，服务器设计界面如图7所示：
图7 广告机发布服务器界面
广告机发布服务器运行界面如图7所示，服务器的IP地址是服务器所在P C机的I P地址，该P C机通过移动3G无线网卡连接到中国移动内网，该I P是自动获取的，当P C机的I P地址变动时服务器的I P地址同时进行变动，点击服务器的启动按钮运行服务器，服务器开始监听客户端的连接请求，当监听到有客户端连接请求时开始建立服务器与客户端的连接，在该系统中客户端就是广告机播放终端，该终端是一个基于ARM11内核的嵌入式系统，上电时自动拨号连接到中国移动内网，并且根据服务器的I P地址和端口号发布连接服务器的挂接请求，当与服务器连接成功后在服务器的左侧会显示出该广告机播放终端的I P地址，一个服务器可以与多个广告机播放终端进行连接，广告机播放端通过不同的I P地址来进行区分，当要给广告机播放终端发布广告更新时通过点击不同的I P地址即可。

（四）系统测试效果
首先进行服务器与广告机播放终端之间网络通信的测试，在服务器上给一个广告机播放终端更新一个视频，在视频传输过程中服务器的显示如图8所示：
广告机终端接收完服务器发送的广告数据后，就可以进行更新后的广告播放了，利用qt制作的广告机调用Mplayer播放器软件来播放视频，其中Mplayer播放器界面的位置和大小可以通过修改-screenrect<x,y,w,h>中的参数来设定，在本设计中指定播放位置在屏幕中的位置为50，50，320，240，播放效果如图9所示：
五、总结
本文介绍了一种基于3G网络的无线广告机发布系统，该系统采用中国移动3G网络作为传输媒介，在ARM11开发板上利用qt技术开发广告播放界面，在PC机上利用VC++6.0开发工具
开发广告发布服务器，最终实现了广告的远程更新和正确播
放，在人工定时进行广告更新的大背景下利用3G和物联网技术进行广告的远程更新有很大的市场应用空间，相比传统的广告更新方式，既经济又方便。

图8 服务器传输数据运行图
图9 广告机播放效果
参考文献：
[1]徐霖.基于ARM11的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现[D].武汉科技大学2012
[2]郝宝芳、袁和刚.Linux环境下基于Socket的网络通信研究[J].电脑知识与技术.2011(26)
[3]张允刚、刘常春、刘伟、何付志.基于Socket和多线程的远程监控系统[J].控制工程.2006(02)
[4]向海波.基于3G的嵌入式视频传输系统的设计与实现[D].内蒙古大学2013
[5]刘福良.嵌入式网络广告机系统的设计与实现[D].北京邮电大学2012
基金项目：
基金名称：2012年国家级大学生创新创业项目，基金编号：201210702058.
[3]徐明远，邵玉斌.MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007
[4]郑阿奇，曹弋，赵阳. MATLAB实用教程[M] .北京：电子工业出版社，2007
[5]张宇伟，王耀明.基于MATLAB 的调制解调系统仿真设计[J] .上海机电学院学报，2005，5: 14-17
[6]王洪元，石澄贤，郑明芳.MATLAB 语言及在电子信息工程中的应用[M] .北京：清华大学出版社，2004
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基于MATLAB的调制解调系统仿真设计
作者：吴承启， Wu cheng qi
作者单位：726000,商洛职业技术学院 陕西 商洛
刊名：
数字化用户
英文刊名：ShuZiHua YongHu
年，卷(期)：2013(30)
参考文献(6条)
1.刘毅敏基于MATLAB的调制解调器的设计[期刊论文]-现代计算机（专业版） 2005(7)
2.陈洁,焦振宇基于MATLAB7.0的信号调制与解调分析[期刊论文]-山西电子技术 2006(5)
3.徐明远;邵玉斌MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用 2007
4.郑阿奇;曹弋;赵阳MATLAB实用教程 2007
5.张宇伟;王耀明基于MATLAB的调制解调系统仿真设计 2005
6.王洪元;石澄贤;郑明芳MATLAB语言及在电子信息工程中的应用 2004
引用本文格式：吴承启.Wu cheng qi基于MATLAB的调制解调系统仿真设计[期刊论文]-数字化用户 2013(30)。