基于MatlabSimulink的AM通信系统仿真设计与研究.doc

天津理工大学计算机及通信工程学院
通信工程专业设计说明书

基于Matlab/Simulink
AM通信系统仿真设计及研究

姓 名 杜艳玮
学 号 20092177
班 级 09通信-2
指导老师 赵 健
日 期 2012/12/16

目 录
摘 要 3
第一章 前 言 4
1.1 专业设计任务及要求 4
1.2 Matlab简介 5
1.4 通信系统模型 6
第二章 AM调制原理及仿真 7
2.1 AM调制原理 7
2.1.1 AM介绍 8
2.1.2 AM调制原理框图 8
2.2 AM调制方式Matlab仿真 9
2.2.1 载波信号分析 9
2.2.2 AM调制 10
2.3 AM调制方式Matlab-simulink仿真 11
2.3.1 仿真框图 11
2.3.2 仿真结果 12
第三章 AM解调 14
3.1 AM解调原理 14
3.2 AM解调方式Matlab仿真 14
3.2.1 滤波前AM解调信号波形 14
3.2.2 AM调制信号解调 16
3.3 AM解调方式Matlab-simulink仿真 18
3.3.1 仿真框图 18
3.3.2 仿真结果 19
第四章 结 论 20
参考文献 21

摘 要
学习AM调制原理，AM调制就是由调制信号去控制高频载波幅度，使之随调制信号作线性变化过程。在波形上，幅度已调信号幅度随基带信号规律而呈正比地变化。解调方法利用相干解调。解调就是实现频谱搬移，通过相乘器及载波相乘来实现。通过相干解调，通过低通滤波器得到解调信号。相干解调时，接收端必须提供一个及接受已调载波严格同步本地载波，它及接受已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，得到原始基带调制信号。通过信号功率谱密度公式，得到功率谱密度。利用Matlab和Matlab-Simulink仿真建立AM调制通信系统模型，用Matlab仿真程序画出调制信号、载波、已调信号、相干解调之后信号波形以及功率频谱密度，分析所设计系统性能。用Matlab-Simulink仿真建立基于相干解调AM仿真模型，详细叙述模块参数设置，分析仿真结果。

关键字：AM调制 相干解调 Matlab仿真 Matlab-Simulink仿真

第一章 前 言
1.1 专业设计任务及要求
1、了解并掌握AM调制及解调基本原理；
2、在通信原理课程基础上设计及分析简单通信系统；
3、学会利用MATLAB7.0编写程序进行仿真，根据实验结果能分析所设计系统性能。
4、学习MATLAB基本知识，熟悉MATLAB集成环境下Simulink仿真平台。
5、利用通信原理相关知识在仿真平台中设计AM调制及解调仿真系统并用示波器观察解调后波形
6、在指导老师指导下，独立完成课程设计全部内容，能正确阐述和分析设计和实验结果。

1.2 Matlab简介
MATLAB是由美国mathworks公司发布主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算众多科学领域提供了一种全面解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）编辑模式，代表了当今国际科学计算软件先进水平。
　　MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理及通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计及分析等领域。
MATLAB基本数据单位是矩阵，它指令表达式及数学、工程中常用形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件优点，使MATLAB成为一个强大数学软件。在新版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多MATLAB爱好者都编写了一些经典程序，用户可以直接进行下载就可以用。

1.3 Matlab下simulink简介
Simulink是MATLAB最重要组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。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复杂仿真和设计。同时有大量第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
　　Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析一个软件包，被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建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中不同部分具有不同采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了方式，而且用户可以立即看到系统仿真结果。
　　Simulink是用于动态系统和嵌入式系统多领域仿真和基于模型设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务相应工具。Simulink及MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量工具来进行算法研发、仿真分析和可视化、批处理脚本创建、建模环境定制以及信号参数和测试数据定义。

1.4 通信系统模型
信号发生器（产生一个调制信号）
对信号进行AM调制
对调制的信号相干解调
输出波形及调制信号频谱

图1.4.1 通信系统模型

第二章 AM调制原理及仿真
2.1 AM调制原理
所谓调制，就是在传送信号一方将所要传送信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。这里高频振荡波就是携带信号运载工具，也叫载波。振幅调制，就是由调制信号去控制高频载波振幅，直至随调制信号做线性变化。在线性调制系列中，最先应用一种幅度调制是全调幅或常规调幅，简称为调幅（AM）。在频域中已调波频谱是基带调制信号频谱线性位移；在时域中，已调波包络及调制信号波形呈线性关系。
设正弦载波为

式中，A为载波幅度；为载波角频率；为载波初始相位(通常假设=0).
调制信号（基带信号）为。根据调制定义，振幅调制信号（已调信号）一般可以表示为

设调制信号频谱为，则已调信号频谱：

2.1.1 AM介绍
通信目是传输信息，如何准确地传输信息是通信一个重要目标。通常从信源产生原始基带信号具有较低频谱分量，这种信号在多信道复用、无线电传输等场合不适宜直接进行传输。因此。在通信系统发送端通常要将基带信号调制在较高载频上，而在接收端则需要有相反过程-----解调。根据调制前信号是模拟信号还是数字信号，可以把信号调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。模拟调制方式是载频信号幅度、频率或相位随着欲传输模拟输入基带信号变化而相应发生变化调制方式，包括：幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）三种。 幅度调制是用调制信号去控制高频载波振幅，使其按调制信号规律变化，其它参数不变。是使高频载波振幅载有传输信息调制方式。振幅调制分为三种方式：普通调幅方式（AM）、抑制载波双边带调制（DSB-SC）和单边带调制（SSB）。所得已调信号分别称为调幅波信号、双边带信号和单边带信号。
2.1.2 AM调制原理框图
t
t
m
A
t
s
c
AM
w
cos
)]
(
[
)
(
0
+
=

图2.1.1 AM调制原理框图

2.2 AM调制方式Matlab仿真
2.2.1 载波信号分析
t=-1:0.00001:1;
A0=10; %载波信号振幅
f=6000; %载波信号频率
w0=f*pi;
Uc=A0*cos(w0*t); %载波信号
figure(1);
subplot(2,1,1);
plot(t,Uc);
title('载频信号波形');
axis([0,0.01,-15,15]);
subplot(2,1,2);
Y1=fft(Uc); %对载波信号进行傅里叶变换
plot(abs(Y1));title('载波信号频谱');
axis([5800,6200,0,1000000]);

图2.2.1 载波信号波形
2.2.2 AM调制
t=-1:0.00001:1;
A0=10; %载波信号振幅
A1=5; %调制信号振幅
A2=3; %已调信号振幅
f=3000; %载波信号频率
w0=2*f*pi;
m=0.15; %调制度
mes=A1*cos(0.001*w0*t); %消调制信号
Uam=A2*(1+m*mes).*cos((w0).*t); %AM 已调信号
subplot(2,1,1);
plot(t,Uam);
grid on;
title('AM调制信号波形');
subplot(2,1,2);
Y3=fft(Uam); % 对AM已调信号进行傅里叶变换
plot(abs(Y3)),grid;
title('AM调制信号频谱');
axis([5950,6050,0,500000]);

图2.2.2 AM调制信号波形

2.3 AM调制方式Matlab-simulink仿真
2.3.1 仿真框图

图2.3.1 AM调制Simulink仿真框图
图2.3.1中Sine Wave1和Sine Wave2模块分别产生发送端和接收端载波信号，角频率ωc都设为60rad/s，调幅系数为１；调制信号m(t)由Sine Wave模块产生，其为正弦信号，角频率为5rad/s，幅度为1V；直流分量A0由Constant模块产生，为1V；低通滤波器模块截止角频率设为6rad/s。此处Sine Wave2、product1和低通滤波器为下节解调过程所用，故未连接示波器。
2.3.2 仿真结果

图2.3.2 AM调制Simulink仿真输出波形
参数设定如图2.3.3至图2.3.5所示。从图2.3.2可以看出调制信号、AM信号波形

图2.3.3 低通滤波器截止角频率参数设置

图2.3.4 调制信号角频率参数设置

图2.3.5发送端、接收端载波信号Sine Wave1、Sine Wave2角频率参数设置

第三章 AM解调
3.1 AM解调原理
从高频已调信号中恢复出调制信号过程称为解调(demodulation )，又称为检波(detection )。对于振幅调制信号，解调(demodulation )就是从它幅度变化上提取调制信号过程。解调(demodulation )是调制逆过程。
可利用乘积型同步检波器实现振幅解调，让已调信号及本地恢复载波信号相乘并通过低通滤波可获得解调信号。

图3.1.1 AM解调原理

3.2 AM解调方式Matlab仿真
3.2.1 滤波前AM解调信号波形
t=-1:0.00001:1;
A0=10; %载波信号振幅
A1=5; %调制信号振幅
A2=3; %已调信号振幅
f=3000; %载波信号频率
w0=2*f*pi;
m=0.15; %调制度
k=0.5 ; %DSB 前面系数
mes=A1*cos(0.001*w0*t); %调制信号
Uam=A2*(1+m*mes).*cos((w0).*t); %AM 已调信号
Dam=Uam.*cos(w0*t); %对AM调制信号进行解调
subplot(2,1,1);
plot(t,Dam);
grid on;
title('滤波前AM解调信号波形');
subplot(2,1,2);
Y5=fft(Dam); % 对AM解调信号进行傅里叶变换
plot(abs(Y5)),grid;
title('滤波前AM解调信号频谱');
axis([187960,188040,0,200000]);

图3.2.1 滤波前AM解调信号波形
3.2.2 AM调制信号解调
clear
clc
close all;
t=0:0.01:2*pi;
y0=2^(1/2)*cos(2*pi*t);
y1=(2+2^(1/2))*cos(2*pi*t); %信源频率为1Hz余弦
y2=cos(2*pi*10*t); %载波10Hz
y3=y1.*y2; %已调信号
y4=y3.*y2; %同步解调，及载波相乘
figure(1);
[b,a]=cheby1(12,0.5,100/500); %切比雪夫滤波器
y5=filter(b,a,y4); %滤波
y6=y5*2;
figure(1);
subplot(5,1,1);
plot(y0); %画出信源图形
title('余弦信号');
subplot(5,1,2);
plot(y2); %画出载波图形
title('载波信号');
subplot(5,1,3);
plot(y3); %画出已调信号信号图形
title('调制信号');
subplot(5,1,4);
plot(y4);
title('相干解调信号');
subplot(5,1,5);
plot(y5); %画出解调信号图形
title('解调信号');
N=100;
t=0:0.01:1;
T=1;
Pxx=(abs(fftshift(fft(y5)).^2)/T);
f=-length(Pxx)/2:length(Pxx)/2-1
figure(2);
plot(f,Pxx);
title('解调信号功率谱密度');
xlabel('频率');
ylabel('功率（dB）');
grid on;

图3.2.2
图3.2.2中第一个基带余弦信号，第二个为载波信号，第三个为调制信号，可以看出调制信号幅度随基带信号幅度变化而变化。第四个为相干解调信号，可以看出其中含有高频信号。第五个为通过低通滤波器后信号，可以看出和基带信号基本保持一致。

图3.2.3 解调信号频谱密度
3.3 AM解调方式Matlab-simulink仿真
3.3.1 仿真框图

图3.3.1 AM解调方式Simulink仿真框图
图3.3.1中Sine Wave1和Sine Wave2模块分别产生发送端和接收端载波信号，角频率ωc都设为60rad/s，调幅系数为１；调制信号m(t)由Sine Wave模块产生，其为正弦信号，角频率为5rad/s，幅度为1V；直流分量A0由Constant模块产生，为1V；低通滤波器模块截止角频率设为6rad/s。
3.3.2 仿真结果

图3.3.2
从示波器Scope可以看到AM信号及解调信号波形，如图3.3.2所示。从图中可以看出，解调后信号延时输出，经过解调波形及原调制信号波形基本相同，证明了AM调制及相干解调理论正确性。参数设置如图2.3.3至图2.3.5所示。

第四章 结 论
本设计分别用Matlab和Matlab-Simulink完成了对AM信号实现调制及解调，Matlab仿真中完成了对AM信号时域分析，通过fft变换，得出了调制信号和解调信号频谱图；从巴特沃斯滤波器入手来设计低通滤波器等入手，实现了预期滤波效果。载波频率f可以选高一些，在设计时候时间采样t间隔就要大一些。通过相干解调，通过低通滤波器得到解调信号，可以看出调制信号幅度随基带信号幅度变化而变化。通过低通滤波器后信号，可以看出和基带信号基本保持一致。
Matlab-Simulink仿真结果出来后，经过仔细对比，解调后信号及原信号大致相同，但在波形和幅度上均有偏差，幅度上偏差是由于噪声和调制系统性能共同引起，可以通过增强振幅恢复至原始状态。

参考文献
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