基于MATLAB_GUI的模拟信号调制系统设计.pdf

Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),3450-3463 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124316 文章引用文章引用:陈骏,吕军.基于 MATLAB/GUI 的模拟信号调制系统设计J.建模与仿真,2023,12(4):3450-3463.DOI:10.12677/mos.2023.124316 基于基于MATLAB/GUI的模拟信号调制系统设计的模拟信号调制系统设计 陈陈 骏骏，吕吕 军军 浙江理工大学信息科学与工程学院，浙江 杭州 收稿日期：2023年4月12日；录用日期：2023年7月4日；发布日期：2023年7月12日 摘摘 要要 本文设计了一个基于本文设计了一个基于MATLAB/GUI的模拟信号调制系统，用于教学和技术开发的仿真应用。该系统包括的模拟信号调制系统，用于教学和技术开发的仿真应用。该系统包括用户登录、调制类型选择、参数设置、绘图、计算和结果输出六大功能模块。用户可以通过交互式和可用户登录、调制类型选择、参数设置、绘图、计算和结果输出六大功能模块。用户可以通过交互式和可视化的界面灵活更改参数，并实时展示对应结果，同时支持参数与结果导出实现数据可追溯。本文还介视化的界面灵活更改参数，并实时展示对应结果，同时支持参数与结果导出实现数据可追溯。本文还介绍了绍了AM和和FM调制的原理与计算公式，以及调制的原理与计算公式，以及MATLAB/GUI的基本概念和应用。该系统的设计可以有效辅的基本概念和应用。该系统的设计可以有效辅助教学和技术开发，并在数据可视化方面有一定的借鉴意义。助教学和技术开发，并在数据可视化方面有一定的借鉴意义。关键词关键词 MATLAB/GUI，模拟信号调制系统，模拟信号调制系统，AM调制，调制，FM调制，数据可视化调制，数据可视化 Design of Analog Signal Modulation System Based on MATLAB/GUI Jun Chen,Jun Lv School of Information Science and Engineering,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou Zhejiang Received:Apr.12th,2023;accepted:Jul.4th,2023;published:Jul.12th,2023 Abstract In this paper,a simulation signal modulation system based on MATLAB/GUI is designed as a si-mulation application for teaching and technical development.The system consists of six functional modules:user login,modulation type selection,parameter setting,plotting,calculation,and result output.Users can flexibly change parameters through an interactive and visual interface,and cor-responding results are displayed in real-time.The system also supports parameter and result ex-port for data traceability.The principles and calculation formulas of AM and FM modulation,as well as the basic concepts and applications of MATLAB/GUI,are introduced in this paper.The de-sign of this system can effectively assist in teaching and technical development,and has certain 陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3451 建模与仿真 reference significance in data visualization.Keywords MATLAB/GUI,Simulation Signal Modulation System,AM Modulation,FM Modulation,Data Visualization Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 调制与解调1是无线通信系统中的重要技术，其应用涵盖了广泛的领域，如移动通信、卫星通信、无线电广播等。随着无线通信技术的不断发展和普及，调制技术也在不断地发展和完善。目前，调制技术已经从最初的振幅调制(Amplitude Modulation，简称 AM)和频率调制(Frequency Modulation，简称 FM)发展到了更高级别的调制技术，如相位调制(Phase Modulation，简称 PM)、正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，简称 QAM)等2。这些调制技术在传输带宽利用率、抗干扰能力等方面具有更好的性能，已经成为现代无线通信系统中的重要组成部分。在学术研究方面，对于调制技术的研究也十分活跃。目前，对于不同调制技术的理论研究和性能分析已经比较成熟，同时也有许多基于计算机仿真的调制系统实现3。这些研究成果为调制技术的进一步发展提供了理论和实践支持。本文基于 MATLAB/GUI 设计了一个模拟信号调制系统4，该系统可以方便地调整各种参数，实时展示对应的结果，并支持参数与结果导出实现数据可追溯等，便于进行实验研究和教学使用。相比于传统的实验教学设备，该系统具有操作简便、结果可视化等优点，有助于提高实验效率和教学质量5。2.AM/FM 调制原理调制原理 2.1.AM 调制理论与计算调制理论与计算 AM 信号时域表达式为()()0cosAMcstAm tt=+(1)式(1)中，0A为外加的直流分量，mA为调制信号幅度，m为调制信号角频率，c为载波频率。若调制信号为单频信号即式(1)中()cosmmm tAt=，则 AM 信号时域表达式也可表示为 0()coscosAMmmcstAAtt=+(2)根据2f=可将信号频率转换为角频率即2mmf=和2ccf=，其中mf为调制信号频率、为载波频率。对式(1)进行傅里叶变换就可以得到 AM 信号的频域表达式为()()()()()()012AMAMccccSstMMA =+(3)Open AccessOpen Access陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3452 建模与仿真 zaide 利用 MATLAB 绘制 AM 信号的时域波形和频谱，仿真结果分别如图 1 和图 2 所示。Figure 1.Time domain waveform diagram of AM signal 图图 1.AM 信号时域波形图 Figure 2.Spectrogram of AM signal 图图 2.AM 信号频谱图 基带信号幅度和直流分量的大小关系影响 AM 的包络形状。将基带信号与直流信号大小关系对 AM信号形状的影响参数定义为调幅度。AM 信号的调幅度表达式为()max00mAMm tAAA=(4)为了实现线性调幅，必须要求1AM，否则将会出现过调幅现象。为了确保信号传输的可靠性，需要控制 AM 信号的功率，并确保它在一定范围内稳定。如果 AM 信号的功率过大，可能会导致接收端的失真，而功率过小则会降低信号传输的可靠性6。AM 信号的平均功率等于 AM 信号在1 电阻上()AMst的均方值，即 AM 信号平均功率表达式为()()()()()22202222200220coscoscos2cos22AMAMcccccssAm tAtmttA m ttmtPPAttP=+=+=+=+(5)陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3453 建模与仿真 式(5)中，202cAP=为载波功率,()22smtP=为边带功率。若调制信号为单频信号即式(5)中()cosmmm tAt=，则 AM 信号平均功率表达式也可表示为 22022mAMAAP=+(6)2.2.FM 调制理论与计算调制理论与计算 FM 信号时域表达式为()()coscosdFMccftccsAtAtkmt=+=+(7)式(7)中，cA为载波幅度，c为载波角频率，fk为调频灵敏度，mA为调制信号幅度，m为调制信号角频率。若调制信号为单频信号即式(7)中()cosmmmA=，则 FM 信号时域表达式也可表示为 coscosdcossintFMccfmmfmccmmsAtkAk AAtt =+=+(8)根据2f=可将信号频率转换为角频率即2ccf=和2mmf=，其中cf为调制信号频率、mf为载波频率。利用 MATLAB 绘制 FM 信号的时域波形，仿真结果分别如图 3 所示。Figure 3.Time-domain waveform of FM signal 图图 3.FM 信号时域波形图 FM 信号的调频度决定了信号的频率偏离载波频率的程度，代表着信号中所包含的信息的大小7。FM 信号的调频度表达式为 fmFMmk A=(9)为了确保信号传输的可靠性，需要控制 FM 信号的功率，并确保它在一定范围内稳定。如果 FM 信号的功率过大，可能会导致接收端的失真，而功率过小则会降低信号传输的可靠性8。FM 信号的平均功率等于 FM 信号在1 电阻上()FMst的均方值，即 FM 信号平均功率表达式为()()()()2222codscd212os 2FtMFMcffctccPAttstkmtkmA=+=+(10)陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3454 建模与仿真 3.模拟信号调制系统模拟信号调制系统 GUI 设计设计 MATLAB/GUI 是 MATLAB 提供的一种图形用户界面设计工具，它使得用户可以通过简单的操作，设计出一个美观、易用的界面。同时，MATLAB/GUI 还提供了强大的绘图和可视化功能，使用户可以通过实时可视化来观察不同调制参数对调制信号的影响，从而探索不同的调制场景，极大地促进了信号调制领域的教学和研究9。模拟信号调制系统 GUI 由用户登录、调制类型选择、参数设置、绘制图像、计算、结果输出六大功能模块组成，系统总体框架结构如图 4 所示。用户首先进入登录系统进行用户注册，用户登录后进入类型选择界面选择进行 AM 调制或 FM 调制仿真操作。随后用户可以通过文本输入框、滑块等控件调节载波频率、直流分量、调制信号频率、调制信号幅度、加性噪声强度等参数，进而调节系统产生满足不同情况下的调制信号。模拟调制信号参数设置完成后，用户可通过单击“生成时域图”和“生成频谱图”按钮生成信号的时域图和频谱图。用户单击“计算”按钮系统将根据信号调制模型计算调制度和信号平均功率并显示在界面上。最后，用户可将设定的参数、绘制出的信号波形图、计算得到的调制度和信号平均功率等数据导出并保存在指定路径，便于后期的数据统计与分析。Figure 4.Structure diagram of analog signal modulation system based on MATLAB/GUI 图图 4.基于 MATLAB/GUI 的模拟信号调制系统的结构图 本系统 GUI 设计流程如下：1)在 GUI 窗口中添加必要的控件，例如静态文本、可编辑文本、按钮、滑块和坐标区。如图 5 所示，陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3455 建模与仿真 添加控件并合理布局。Figure 5.Adding GUI controls 图图 5.添加 GUI 控件 2)设置控件的属性和回调函数。每个控件都有其特定的属性，例如位置、大小、颜色等，根据需要调整每个控件的属性，如图 6 所示。此外，每个控件还具有回调函数，即当用户与该控件交互时将调用的函数。例如，设置按钮控件的回调函数为 pushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)，即当用户单击按钮时将执行 pushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)函数来生成时域图。Figure 6.Sets GUI control properties 图图 6.设置 GUI 控件属性 陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3456 建模与仿真 3)编写 GUI 回调函数。在 MATLAB 代码中编写回调函数，用于实现控件交互时的相应操作。例如，pushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)函数将调用 get()函数获取用户设置的信号参数，根据模拟信号调制相对应的数学模型生成对应的调制信号，然后将其绘制在坐标区控件内，并自动调整显示范围为三个周期的波形以便最佳展示图像。生成时域图按钮回调函数如下所示：function pushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)%Carrier frequency fc=get(handles.edit1,string);%Dc component A0=get(handles.edit2,string);%Modulating signal frequency fm=get(handles.edit3,string);%Modulating signal amplitude Am=get(handles.edit4,string);%Random additive noise value=get(handles.slider1,Value);%Time vector t=0:0.001:3/str2double(fm);%Signal expression S=(str2double(A0)+str2double(Am)*cos(2*pi*str2double(fm)*t).*.cos(2*pi*str2double(fc)*t)+(exp(value*3)-1)*randn(size(t);%Draw the time domain waveform diagram axes(handles.axes1);plot(t,S);grid on 4)测试和调试。测试 GUI 界面的各项功能是否正常运行，并根据需要进行调试和优化。用户登录界面如图 7 所示，输入用户名以及由数字、字母、符号等字符组合成的密码进行用户注册，本系统会自动生成两个扩展名为.mat 的文件用来储存用户名和密码。用户登录时会比对用户名和密码，用户登录成功后自动跳转至调制模式选择页面。Figure 7.User login screen 图图 7.用户登录界面 陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3457 建模与仿真 表 1 列举了本系统所使用的 GUI 控件并简要介绍了对应控件所实现的功能作用。Table 1.List of GUI controls used in this system 表表 1.本系统所使用的 GUI 控件清单 GUI 控件 功能 示例 静态文本 用于展示信息、提示用户操作或者显示计算结果 提示用户输入用户名 可编辑文本 用于接收用户输入的数据 用户输入“载波频率”按钮 其交互作用，按下按钮实现相应功能“生成时域图”按钮 滑块 通过滑动来线性改变输入值“加性噪声”滑块 坐标区 信号时域图或频谱图的显示区域 时域图展示区域 4.模拟信号调制系统模拟信号调制系统 GUI 的试验演示的试验演示 4.1.AM 调制试验调制试验 4.1.1.调幅度对调幅度对 AM 试验的影响分析试验的影响分析 调幅度的大小影响 AM 信号形状，影响后期 AM 解调方法的选择10。调幅度主要体现在直流分量和基带信号幅度的大小关系。因此，在调制信号频率为 1 Hz，载波频率为 30 Hz，加性噪声为 0%和直流分量的相同条件下，调整调制信号幅度来改变调幅度值和绘制 AM 时域波形和频谱图。试验参数设置和结果如表 2 和图 8图 10 所示。Table 2.Simulation results of signal amplitude modulation and power value 表表 2.信号调幅度与功率值仿真结果 调制信号幅度(V)调幅度理论值 调幅度仿真值 功率理论值(W)功率仿真值(W)1 0.5 0.5 2.5 2.5 2 1 1 3 3 3 1.5 1.5 3.5 3.5 Figure 8.AM signals with a modulated signal amplitude of 1 V 图图 8.调制信号幅度为 1 V 的 AM 信号 陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3458 建模与仿真 Figure 9.AM signals with a modulated signal amplitude of 2 V 图图 9.调制信号幅度为 2 V 的 AM 信号 Figure 10.AM signals with a modulated signal amplitude of 3 V 图图 10.调制信号幅度为 3 V 的 AM 信号 由表 2 和图 8图 10 可见，当加性噪声为 0%时调幅度和信号平均功率的理论值与仿真值均无误差。图 8 AM 信号调幅度为 0.5 处于正常范围内，AM 信号波形正常。图 9 AM 信号调幅度为 1 处于过调幅的临界值，如果调幅度继续增加 AM 信号将出现过调幅现象，但此时 AM 信号波形依旧正常。图 10 AM 信号调幅度为 1.5，出现过调幅现象，AM 信号波形异常，如果对这样的 AM 信号进行解调将无法得到原本陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3459 建模与仿真 的调制信号。通过观察 AM 信号的时域图和频谱图我们可以看出，当调制指数小于 1 时，随着调幅度的逐渐增大，AM 信号时域波形图的振幅会逐渐增大，但是信号的形状不会发生明显变化。当调幅度达到一定程度时，如果继续增大调幅度，信号的振幅将会超过载波信号的幅度，导致信号出现振幅压缩和扭曲，称为过调制。4.1.2.噪声对噪声对 AM 试验的影响分析试验的影响分析 加性噪声使 AM 信号的质量受到破坏，导致信号的信噪比降低。噪声的存在会使信号的振幅发生变化，从而导致信号的包络线发生变化。因此，在调制信号频率为 1 Hz，调制信号幅度为 1 V，载波频率为 30 Hz 和直流分量的相同条件下，调整加性噪声来绘制 AM 时域波形和频谱图。试验参数设置和结果如表 3 和图 11图 13 所示。Table 3.Simulation results of signal amplitude modulation and power value 表表 3.信号调幅度与功率值仿真结果 加性噪声 调幅度理论值 调幅度仿真值 功率理论值(W)功率仿真值(W)10%0.5 0.51957 2.5 2.5218 20%0.5 0.53224 2.5 2.5272 40%0.5 0.69245 2.5 2.8634 Figure 11.AM signal with 10%additive noise 图图 11.加性噪声为 10%的 AM 信号 由表 3 和图 11图 13 可见，随着加性噪声的增加，AM 信号调幅度和信号平均功率的理论值与仿真值误差逐渐偏大。图 11 信号时域图出现微小毛刺，频谱图在各个频率上都出现噪声，信号平均功率略微偏大。图 12 信号时域图出现明显毛刺，频谱图在各个频率上都出现噪声，信号平均功率略微偏大。图 13信号时域图出现明显失真，频谱图在各个频率上都出现噪声，信号平均功率偏大。陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3460 建模与仿真 Figure 12.AM signal with 20%additive noise 图图 12.加性噪声为 20%的 AM 信号 Figure 13.AM signal with 40%additive noise 图图 13.加性噪声为 40%的 AM 信号 加性噪声使 AM 信号的质量受到破坏，导致信号的信噪比降低。噪声可以来源于多种因素，例如电路中的热噪声、电磁干扰以及传输信号时受到的外界干扰等。当加性噪声存在于 AM 信号中时，它将随着信号一起传输并被解调器接收。噪声的存在会使信号的振幅发生变化，从而导致信号的包络线发生变化。这会使得解调器难以正确地提取出信号中的信息，从而使得信号的质量下降。当噪声的水平很高时，甚至可能使解调器无法正确地识别信号的存在。陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3461 建模与仿真 为了减少加性噪声对 AM 信号的影响，可以采取一些技术手段，例如使用前置放大器、增加信号的带宽、使用低噪声放大器等。此外，在传输信号时，也可以采用抗噪声技术，例如差分信号传输和频率选择性传输等，以减少噪声对信号的影响。4.2.调频度对调频度对 FM 试验的影响分析试验的影响分析 调频度对 FM 信号的影响非常重要，它决定了信号的带宽、频谱特性以及解调器对信号的解调难度。在调制信号频率为 5 Hz，调制信号幅度为 1 V，载波频率为 25 Hz，载波幅度为 3 V 和加性噪声为 0%的相同条件下，调整调频灵敏度来改变调频度值和绘制 FM 时域波形和频谱图。试验参数设置和结果如表 4和图 14、图 15 所示。由表 4 和图 14、图 15 可见，当加性噪声为 0%时调频度和信号平均功率的理论值与仿真值均无误差。图 14 FM 信号调幅度为 3，FM 信号波形正常。图 15 FM 信号调幅度为 1，FM 信号波形正常。调频度对 FM 信号的影响非常重要，它决定了信号的带宽、频谱特性以及解调器对信号的解调难度。当调频度较小时，FM 信号的频谱主要集中在载波频率附近，且频谱形状近似于一个钟形曲线。此时，解调器可以相对容易地对信号进行解调。随着调频度的逐渐增大，FM 信号的带宽也逐渐增大，频谱形状逐渐变得更加平坦，且在频谱中出现了更多的高频成分。这使得解调器对信号的解调变得更加困难，需要使用更加复杂的解调算法。当调频度过高时，FM 信号的频谱将会变得非常宽，甚至超过整个频率带宽。这种情况下，信号将会产生干扰，导致解调器无法正确地识别信号的存在。因此，在实际应用中，调频度需要控制在一个合适的范围内，以保证信号能够被有效地传输和解调。Table 4.Simulation results of signal amplitude modulation and power value 表表 4.信号调频度与功率值仿真结果 调频灵敏度 调频度理论值 调频度仿真值 功率理论值(W)功率仿真值(W)15 3 3 4.5 4.5 5 1 1 4.5 4.5 Figure 14.An FM signal with an FM sensitivity of 15 图图 14.调频灵敏度为 15 的 FM 信号 陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3462 建模与仿真 Figure 15.An FM signal with an FM sensitivity of 5 图图 15.调频灵敏度为 5 的 FM 信号 5.结论结论 本文设计的基于MATLAB/GUI的模拟信号调制系统，可以方便地进行不同类型调制信号的仿真操作，并实时可视化展示不同调制参数对信号的影响。系统具有操作简便、结果可视化等优点，有助于提高实验效率和教学质量。该系统可以应用于信号调制领域的教学和研究，为学术研究和实际应用提供了一个便捷的工具。在系统的设计过程中，通过使用 MATLAB/GUI 工具，结合各种控件的设计和布局，实现了用户友好的界面，使用户能够方便地输入参数、生成时域图和频谱图，并进行调制度和信号平均功率的计算。同时，系统支持参数与结果的导出，实现了数据的可追溯性和后期的数据统计与分析。此外，通过本文的设计，还可以深入研究不同调制技术在无线通信系统中的性能特点，如传输带宽利用率、抗干扰能力等。通过调整不同调制参数，可以观察和比较不同调制技术在不同情况下的性能表现，从而深入理解调制技术的原理和应用。同时，该系统还可以作为教学工具，用于信号调制领域的教学，帮助学生更好地理解和掌握调制技术的相关知识。总之，本文设计的基于 MATLAB/GUI 的模拟信号调制系统为信号调制领域的研究和教学提供了一个便捷的工具，具有实用性和教育性的优点，并为后续的研究和应用提供了参考和借鉴。参考文献参考文献 1 樊昌信,曹丽娜.通信原理M.北京:国防工业出版社,2013.2 马景涛.通信信号调制模式识别与特征参数估计D:硕士学位论文.成都:西南交通大学,2013.3 张林,王艳芬,张晓光,芦楠楠.基于 MatlabGUI 的数字信号处理演示平台设计J.实验技术与管理,2016,33(12):154-157.https:/doi.org/10.16791/ki.sjg.2016.12.038 4 张志民,欧建平,皇甫堪.模拟通信信号调制方式自动识别算法J.计算机工程与科学,2013,35(3):163-167.5 李沛花.基于 LabVIEW 的信号分析和应用D:硕士学位论文.北京:北京邮电大学,2013.6 周玲.Matlab/Simulink 在信号调制与解调中的应用J.鲁东大学学报(自然科学版),2011,27(4):310-313.陈骏，吕军 DOI:10.12677/mos.2023.124316 3463 建模与仿真 7 叶歆.基于 FPGA 的模拟调制模式识别系统的研究D:硕士学位论文.大连:大连海事大学,2011.8 潘毓.基于调制技术的应用J.企业导报,2011(1):290-291.https:/doi.org/10.19354/ki.42-1616/f.2011.01.204 9 徐红,赵小娟.MATLAB 在信号调制与解调的仿真实验中的应用J.桂林航天工业高等专科学校学报,2010,15(4):437-438.10 吕挺岑.通信信号调制识别技术研究D:硕士学位论文.西安:西安电子科技大学,2007.