基于matlab的通信原理辅助实验系统设计.doc

中北大学2009届毕业设计说明书
基于matlab的通信原理辅助实验系统设计毕设论文
1 引言
1.1 课题研究的目的及意义
随着现代通信技术发展的日新月异，通信原理课程变得愈来愈重要。
通信原理是通信工程专业、电子信息专业的一门重要的专业基础课程，它以各种通信系统的基本理论为研究对象。通信原理与实际应用联系密切，又具有很强的理论性和抽象性，需要应用概率论、随机过程、信号与系统、模拟与数字电路等多门课程知识为基础。给我们的学习造成了一定的困难。形成这种学习困难的原因是多方面的，其中最主要的是缺乏一个直观认识通信系统的感性基础[1~2]。
为了解决该问题，使抽象的理论知识具体化、形象化，我们引入了此课题。旨在通过以MATLAB语言进行的GUI编程，搭出一个简单的、直观的、容易操作的、可视化的人机交互界面。通过鼠标点击按钮，即可完成通信原理课程中一些基本的实验[3~4]。
本文的目的是研究基于MATLAB 的通信原理辅助实验系统的设计方法并对其进行实现。
1.2 选用MATLAB的原因
由于我们要做的只是一个通信原理辅助实验系统，并非是对通信系统深入地、精确地分析研究。此外，我们还需要搭出一个人机友好的界面，综合分析一下，我们决定采用MATLAB，用.m文件编程实现图形用户界面及界面内部的通信原理的相关计算[3]。
Visual Basic和Visual C++亦可进行图形用户界面的编程。但此课题我们选用MATLAB，因为MATLAB语法简单，贴近人的思维方式，图形表现丰富有效，并且MATLAB提供了各种数学、科学计算的相关函数，编程简洁美观，比Basic和C语言用起来要更方便一些。另外，MATLAB还提供了与Visual Basic和Visual C++相连接的接口，可以实现两种语言的混合编程[5]。
综合以上优点，所以选用MATLAB做通信原理辅助实验系统的设计。
1.3 MATLAB应用现状
MATLAB是一种用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的科学计算软件，它将高性能的数值计算和可视化方法集成在一起，并提供了很多专业工具箱和大量的内置函数。自从90年代初在我国引入后，一直受到广大科研人员和技术工程师的喜爱，随着版本的不断更新和MathWorks公司在开发力度上的不断加大，MATLAB的功能日益强大，应用范围也越来越广阔，从最初的数值运算，二维图示，3D建模到数字信号处理，电子电力仿真，神经网络，航空航天，通信仿真，图像处理，控制工程等等几乎囊括了所有工程设计的方方面面。
MATLAB是从事众多工业、科研领域的必备工具。无论是在校学生，还是已经参加工作的工程技术人员和科研人员，都运用它来解决各种科学问题、工程问题。全球现有超过50万的企业用户和上千万的个人用户，他们广泛地分布在航空航天、金融财务、机械化工、电信、教育等各个行业。
1.4 本论文的主要研究工作
本文的研究工作主要包括以下几个方面：
第二章简要介绍了MATLAB的相关知识及GUI的相关介绍：MATLAB的发展历程、应用、优势和特点；GUI的定义、特点及其组成部分。
第三章主要介绍通信原理中的模拟调制系统，对调幅（AM）、单边带（SSB）和频率调制（FM）三种调制方式进行了详细介绍。
第四章主要介绍了通信原理中的二进制数字调制系统，对二进制振幅键控（2ASK），二进制频移键控（2FSK），二进制相移键控（2PSK）三种调制方式进行了详细介绍。
第五章主要介绍了图形用户界面设计，对句柄图形、界面菜单、用户控件的相关知识，一些常用的编程命令、语法格式进行了介绍。
第六章为设计成果，展示了设计的代码和搭出的界面。
2 MATLAB相关知识
2.1 MATLAB
2.1.1 MATLAB的简介
MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，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、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域[6~7]。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
2.1.2 发展历程
20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件[8]。版本已经由1984年的MATLAB 1.0，历经25年的发展，如今已经更新到了MATLAB 7.8（2009年3月6日发布）。
2.1.3 应用
MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作：
● 数值分析
● 数值和符号计算
● 工程与科学绘图
● 控制系统的设计与仿真
● 数字图像处理
● 数字信号处理
● 通讯系统设计与仿真
● 财务与金融工程
MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
2.1.3 MATLAB的优势和特点
（1）MATLAB特点
● 此高级语言可用于技术计算
● 开发环境可对代码、文件和数据进行管理
● 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题
● 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等
● 二维和三维图形函数可用于可视化数据
● 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面
● 各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成
（2）MATLAB的优势[9]
1）友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
2）简单易用的程序语言
Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
3）强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
4）出色的图形处理功能
MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
5）应用广泛的模块集合工具箱
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。
6）实用的程序接口和发布平台
新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。
7）应用软件开发（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。
2.2 GUI相关知识简介
2.2.1 定义及简单介绍
图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户介面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。
如Windows是以图形界面方式操作的，因为你可以用鼠标来点击按钮来进行操作，很直观。而DOS就不具备GUI，所以他只能输入命令。DOS 的这种界面叫CUI (Command line User Interface ) 命令行模式的人机接口。
通常人机交互图形化用户界面设计经常读做“goo-ee”，准确来说 GUI 就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。
GUII是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人—机—环境三者作为一个系统进行总体设计。这种面向客户的系统工程设计其目的是优化产品的性能，使操作更人性化，减轻使用者的认知负担，使其更适合用户的操作需求，直接提升产品的市场竞争力。
GUI即人机交互图形化用户界面设计。纵观国际相关产业在图形化用户界面设计方面的发展现状，许多国际知名公司早已意识到 GUI 在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门专门从事 GUI 的研究与设计，同业间也成立了若干机构，以互相交流 GUI 设计理论与经验为目的。随着中国 IT 产业，移动通讯产业，家电产业的迅猛发展，在产品的人机交互界面设计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起了制约的作用[13]。
2.2.2 特点
GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，他极大地方便了非专业用户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可用用通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。
2.2.3 GUI的组成部分
（1）桌面
在启动时显示，也是界面中最底层，有时也指代包括窗口、文件浏览器在内的“桌面环境”。在桌面上由于可以重叠显示窗口，因此可以实现多任务化。一般的界面中，桌面上放有各种应用程序和数据的图标，用户可以依此开始工作。桌面与既存的文件夹构成里面相违背，所以要以特殊位置的文件夹的参照形式来定义内容。比如在微软公司的Windows XP系统中，各种用户的桌面内容实际保存在系统盘（默认为C盘）：\Documents and Settings\[用户名]\桌面 文件夹里[10]。
墙纸，即桌面背景。可以设置为各种图片和各种附件，成为视觉美观的重要因素之一。
（2）视窗[11]
应用程序为使用数据而在图形用户界面中设置的基本单元。应用程序和数据在窗口内实现一体化。在窗口中，用户可以在窗口中操作应用程序，进行数据的管理、生成和编辑。通常在窗口四周设有菜单、图标，数据放在中央。
在窗口中，根据各种数据/应用程序的内容设有标题栏，一般放在窗口的最上方，并在其中设有最大化、最小化（隐藏窗口，并非消除数据）、最前面、缩进（仅显示标题栏）等动作按钮，可以简单地对窗口进行操作。
1）单一文件界面（Single Document Interface）
在窗口中，一个数据在一个窗口内完成的方式。在这种情况下，数据和显示窗口的数量是一样的。若要在其他应用程序的窗口使用数据，将相应生成新的窗口。因此窗口数量多，管理复杂。
2）多文件界面（Multiple Document Interface）
在一个窗口之内进行多个数据管理的方式。这种情况下，窗口的管理简单化，但是操作变为双重管理。
（3）标签
多文件界面的数据管理方式中使用的一种界面，将数据的标题在窗口中并排，通过选择标签标题显示必要的数据，这样使得接入数据方式变得更为便捷。
上述中，多文件界面主要是微软视窗系统采用。而在其他环境中，通常多是单文件界面，所以无所谓单一/多文件界面的称呼问题。
（4）菜单
将系统可以执行的命令以阶层的方式显示出来的一个界面。一般置于画面的最上方或者最下方，应用程序能使用的所有命令几乎全部都能放入。重要程度一般是从左到右，越往右重要度越低。命定的层次根据应用程序的不同而不同，一般重视文件的操作、编辑功能，因此放在最左边，然后往右有各种设置等操作，最右边往往设有帮助。一般使用鼠标的第一按钮进行操作。
即时菜单（又称功能表）
与应用程序准备好的层次菜单不同，在菜单栏以外的地方，通过鼠标的第二按钮调出的菜单称为“即时菜单”。根据调出位置的不同，菜单内容即时变化，列出所指示的对象目前可以进行的操作。
（5）图标
显示在管理数据的应用程序中的数据，或者显示应用程序本身。
数据管理程序，即在文件夹中用户数据的管理、进行特定数据管理的程序的情况下，数据通过图标显示出来。通常情况下显示的是数据的内容或者与数据相关联的应用程序的图案。另外，点击数据的图标，一般可以之间完成启动相关应用程序以后再显示数据本身这两个步骤的工作。
应用程序的图标只能用于启动应用程序。
（6）按钮
菜单中，利用程度高的命令用图形表示出来，配置在应用程序中，成为按钮。
应用程序中的按钮，通常可以代替菜单。一些使用程度高的命令，不必通过菜单一层层翻动才能调出，极大提高了工作效率。但是，各种用户使用的命令频率是不一样的，因此这种配置一般都是可以由用户自定义编辑。
（7）实现方法
针对特定的图形设备输出接口，自行开发相关的功能函数。
购买针对特定嵌入式系统的图形中间软件包。
采用源码开放的嵌入式GUI系统。
使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。
（8）GUI准则
● 减少用户的认知负担
● 保持界面的一致性。
● 满足不同目标用户的创意需求
● 用户界面友好性
● 图标识别平衡性
● 图标功能的一致性
● 建立界面与用户的互动交流
（9）GUI应用领域
● 手机通讯移动产品
● 电脑操作平台
● 软件产品
● PDA产品
● 数码产品
● 车载系统产品
● 智能家电产品
● 游戏产品
● 产品的在线推广
此章介绍了MATLAB的相关知识，下面两章我们主要对通信原理的相关知识进行介绍。
2.3 本章小结
本章主要介绍了MATLAB和GUI相关的基本知识。详细讲解了MATLAB的发展历程、应用、MATLAB的优势、特点以及与图形用户界面（GUI）的定义、特点组成部分和GUI准则、应用领域。通过本章的学习，使我们对搭建通信原理辅助实验系统的工具MATLAB和图形编程有了一个基本的了解。

3 模拟调制系统
调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程[16]。
最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。常见的调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）和残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的几个典型实例；而频率调制（FM）是角度调制中被广泛应用的一种。
本文列举调幅（AM）、单边带（SSB）和频率调制（FM）三种调制方式，对模拟调制系统进行研究。
3.1 幅度调制的原理
幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。
设正弦型载波为
（3.1）
式中：A为载波幅度；为载波角频率；为载波初始相位（以后可假定为0，而不失讨论的一般性）。
根据调制的定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成
（3.2）
式中：为基带调制信号。
设调制信号的频谱为，则由式（3. 2）不难得到已调信号的频谱：
（3.3）
由以上表示式可见，在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；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[17]。
3.1.1 调幅
标准调幅就是常规双边带调制，简称调幅（AM）。假设调制信号的平均值为0，将其叠加一个直流偏量A0后与载波相乘（图3.1），及可形成调幅信号。其时域表示式为
（3.4）
式中： A0为外加的直流分量；可以是确知信号，也可以是随机信号。
cos2
ni(t)
A0
m(t)
图3.1 AM调制模型

若为确知信号，则AM信号的频谱为

（3.5）
其典型波形和频谱（幅度谱）如图3.2所示。

图3.2 AM信号的波形和频谱
若为随机信号则已调信号的频域表示必须用功率谱描述。
由波形可以看出，当满足条件：
（3.6）
时，AM波的包络与调制信号的形状完全一样，因此，用包络检波的方法很容易恢复出原始调制信号；如果上述条件没有满足，就会出现“过调幅”现象，这时用包络检波将会发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。
由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的2倍，即
（3.7）
AM信号在1电阻上的平均功率等于的均方值。当为确知信号时，的均方值等于其平方的时间平均，即
（3.8）
通常假设调制信号的平均值为0，即=0。因此
（3.9）
式中：，为载波频率；，为边带频率。
由此可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关，也就是说，载波分量并不携带信息[19]。有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例可以写为
（3.10）
我们把称为调制效率。当调制信号为单音余弦信号时，即=时，=。此时
（3.11）
在“满调幅”（时，也称100%调制）条件下，这时调制效率的最大值为。因此，AM信号的功率利用率比较低。
AM的优点在于系统结构简单，价格低廉。所以至今调幅制仍广泛用于无线电广播。
3.1.2 单边带调制
单边带调制（SSB）信号是将双边带信号中的一个边带滤掉而形成的。根据滤除方法的不同，产生SSB信号的方法有：滤波法和相移法。
（1） 滤波法及SSB信号的频域表示
产生SSB信号最直观的方法是，先产生一个双边带信号，然后让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。我们吧这种方法称为滤波法，它是最简单也是最常用的方法。其原理框图如图3.3所示。图3.3中，为单

载波

H()
图3.3 滤波法SSB信号调制器

滤边带波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：
（3.12）
则可滤除下边带，保留上边带（USB）；若具有如下理想低通特性：
（3.13）
则可滤除上边带，保留下边带（LSB）。
因此，SSB信号的频谱可表示为
（3.14）
图3.4示出了用滤波法形成的上边带（USB）信号的频谱图。
图3.4 滤波法形成上边带信号的频谱图

0
0
0

滤波法的技术难点是边带滤波器的制作。因为实际滤波器都不具有如式（3.12）或式（3.13）所描述的理想特性，即在载频处不具有陡峭的截止特性，而是有一定的过渡带。例如，若经过滤波后的话音信号的最低频率为300Hz，则上、下边带之间的频率间隔为600Hz。实现滤波器的难易程度与过渡带相对载频的归一化值有关，该值越小，边带滤波器就难以实现。因此在600Hz过渡带和不太高的载频情况下，滤波器不难实现；但当载频较高时，采用一级调制直接滤波的方法已不可能实现单边带调制。这时可以采用多级（一般采用两级）DSB调制及边带滤波的方法，即先在较低的载频上进行DSB调制，目的是增大过渡带的归一化值，以利于滤波器的制作，经单边带滤波后再在要求的载频上进行第二次调制及滤波（常称为变频）。但当调制信号中含有直流及低频分量时滤波法就不适用了[20]。
3.2 角度调制的原理
正弦载波有三个参量：幅度、频率和相位。我们不仅可以把调制信号的信息载荷于载波的幅度变化中，还可以载荷于载波的频率和相位变化中。在调制时，若载波的频率随调制信号而变化，称为频率调制或调频（Frequency Modulation,FM）；若载波的相位随调制信号而变称为相位调制或调相（Phase Modulation,PM）。在这两种调制过程中，载波的幅度都保持恒定不变，而频率和相位和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化，故把调频和调相统称为角度调制或调角。
角度调制与幅度调制不同的是，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。
本节主要介绍调频。
3.2.1 FM信号的一般表达式
FM调制信号的一般表达式为
（3.15）
式中：A为载波的恒定振幅；为信号的瞬时相位，记为；为相对于载波相位的瞬时相位偏移；是信号的瞬时角频率，记为；而称为相对于载频的瞬时频偏。
所谓频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，即
（3.16）
式中：为调频灵敏度。
这时相位偏移为
（3.17）
带入式（3.15），则可得调频信号为
（3.18）
3.2.2 调频信号的产生
调频的方法有两种：直接调频和间接调频。
1）直接调频法
调频就是用调制信号控制载波的频率变化。直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。
可以由外部电压控制振荡频率的振荡器叫做压控振荡器（VCO）。每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即

若用调制信号作控制电压信号，就能产生FM波，如图3-5所示。
VCO

图3.5 FM调制器

若被控制的振荡器是LC振荡器，则只需控制振荡回路的某个电抗元件（L或C），使其参数随调制信号变化。目前常用的电抗元件是变容二极管。用变容二极管实现直接调频，由于电路简单，性能良好，已成为目前最广泛采用的调频电路之一。
在直接调频法中，振荡器鱼调制器合二为一。这种方法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏；其主要缺点是频率稳定性不高。因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率。
2）间接调频法
间接调频法（简称间接法）是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个NBFM信号，在经n次倍频器得到WBFM信号，其原理框图如图3.6所示。这种产生WBFM的方法称为阿姆斯特朗（Armstrong）法或间接法[21]。
积
分
器
倍频器
相位调制

~

图3.6 间接法产生WBFM

NBFM信号可看成正交分量与同相分量合成，即
（3.19）
因此，采用图3-7所示的方框图可实现NBFM。
载波
积分器

图3.7 NBFM信号的产生

图3.6中倍频器的作用是提高调频指数，从而获得宽带调频WBFM。倍频器可以用非线性器件实现，然后用带同滤波器滤去不需要的频率分量。以理想平方律器件为例，其输出／输入特性为
（3.20）
当输入信号为调频信号时，有
（3.21）
由式（3.21）可知，滤除直流分量成分后可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍。同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。
3.2.2 调频信号的解调
调频信号的解调也分为相干解调和非相干解调。相干解调仅适用于NBFM信号，而非相干解调对NBFM信号和WBFM信号均适用。
1）非相干解调
调频信号的一般表达式为
（3.22）
解调器的输出应为
（3.23）
这就是说，调频信号的解调是要产生一个与输入调频信号的频率呈线性关系的输出电压。完成这种频率-电压转换关系的器件是频率检波器，简称鉴频器。
鉴频器有多种，微分器和包络检波器构成了具有近似理想鉴频特性的鉴频器。微分器的作用是把幅度恒定的调频波变成幅度和频率都随调制信号变化的调幅调频波，即
（3.24）
包络检波器则将其幅度变化检出并滤去直流，再经低通滤波后既得解调输出
（3.25）
式中：为鉴频器灵敏度。
限幅器的作用是消除信道中噪声和其他原因引起的调频波的幅度起伏，带通滤波器（BPF）是让调频信号顺利通过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量。
鉴频器的种类很多，除了上述的振幅鉴频器之外，还有相位鉴频器、比例鉴频器、正交鉴频器、斜率鉴频器、频率负反馈解调器、锁相环（PLL）鉴频器等。这些电路和与原理在高频电子线路课程中都有详细的讨论，这里不再赘述[22]。
2）相干解调
由于NBFM信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如图3.8所示。
BPF
LPF
微分

图3.8 NBFM信号的相干解调

设窄带调频信号
（3.26）
并设相干载波
（3.27）
则相乘器的输出为

经低通滤波器取出其低频分量

再经微分器，即得解调输出

可见，相干解调可以恢复原调制信号。这种解调方法与线性调制中的相干解调一样，要求本地载波与调制载波同步，否则将使调制信号失真。
3.3 本章小结
本章主要分幅度调制和角度调制两大模块，对通信原理中的模拟调制系统做相关介绍。幅度调制主要讲解调幅（AM）和单边带调制（SSB）的基本原理及其调制与解调；角度调制主要讲解调频（FM）的基本原理及其调制与解调。
本章与下章的二进制数字调制中的相关计算公式，是通信原理辅助实验系统的核心，为搭建通信原理的图形用户界面做铺垫。
4 二进制数字调制原理
用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制（digital modulation）。在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调（digital demodulation）。
一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。利用数字信号的这种离散取值特点通过开关键控制载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK），频移键控（Frequency Shift Keying,FSK）和相移键控（Phase Shift Keying,PSK）三种基本的数字调制方式。
调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。
4.1 二进制振幅键控
振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通-断键控（On Off Keying,OOK），其表达式为
（4.1）
载波在二进制基带信号控制下通-断变化，所以这种键控又称为通-断键控。在OOK中，某一种符号（“0”或“1”）用没有电压来表示。
2ASK信号的一般表达式为
（4.2）
其中
（4.3）
式中：为为码元持续时间；为持续时间为的基带脉冲波形。为简便起见，通常假设是高度为1、宽度等于的矩形脉冲；是第n个符号的电平取值。若取
（4.4）
则相应的2ASK信号就是OOK信号。
2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。模拟调制法用乘法器实现；数字监控法用受控制的开关电路实现。
与AM信号的解调方法一样，2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干（noncoherent）解调（包络检波法）和相干（coherent）解调（同步检测法）。
4.2 二进制频移键控
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为
（4.5）
一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成

（4.6）
式中：为单个矩形脉冲，脉宽为；
（4.7）
是的反码，若=1，则=0；若=0，则=1，于是
（4.8）
和分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位。在移频键控中，和不携带信息，通常可令和为0。因此2FSK信号的表达式可简化为
（4.9）
其中
（4.10）
（4.11）
2FSK信号的产生方法注要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法来实现。
2FSK信号的常用解调方法采用的是非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解题，然后进行判决（decision）。
4.3 二进制相移键控
相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为
（4.12）
其中，表示第n个符号的绝对相位：
（4.13）
因此，式（4.12）可改写为
（4.14）
由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性（bipolarity）全占空（100% duty ratio）矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即
（4.15）
其中

这里，是脉宽为的单个矩形脉冲，而的统计特性为
（4.16）
即发送二进制符号“0”时（取+1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取-1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。
2PSK信号的调制与2ASK信号的相比较，只是对的要求不同，在2ASK中是双极性的基带信号。
2PSK信号的街头通常采用相干解调法。在相干解调中，如何得到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波是个关键问题。
4.4 本章小结
本章主要对二进制数字调制进行介绍，重点介绍二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）的基本原理，及其相应信号的调制与解调。本章中的相关公式及其推导，是通信原理辅助实验系统的核心。
5 图形用户界面设计
5.1 句柄图形
句柄图形（Handle Graphics）是一种面向对象（Object-Oriented）的绘图系统中的概念。所有的图形操作都是针对图形对象而言的，图形对象是图形系统中最基本、最底层的图元。
5.1.1 句柄图形的结构层次
句柄图形是基于这样一个概念，即一幅图的每一组成部分是一个对象，每一个对象都有一系列句柄和其相关，每一个对象有按需要可以改变的属性。它提供创建计算机所必需的各种软件。它所支持的命令，可以直接创建线、文字、网格、面以及图形用户界面前面所介绍的高层图形命令（如plot、mesh等）。这些都是以句柄图形软件为基础写成的。因此，句柄图形也被称为低层图形[23]。