AM及FM调制系统设计与仿真

河北联合大学轻工学院通信原理课程设计设计报告课题名称：AM及FM调制系统设计与仿真专业班级：08级通信一班组数：（1）成员及学号：一、设计内容概述调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将信号转换成合适于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。AM信号的调制属于频谱的线性搬移，它的解调往往采用非相干解调即包络解调方式；而FM信号的调制属于频谱的非线性搬移，它的解调有相干和非相干解调两种方式。本课程设计使用的仿真软件为Matlab6.5，利用Matlab集成环境下的M文件，编写程序来实现模拟调制中的振幅调制AM和频率调制FM的设计和仿真，并分析绘制基带信号即调制信号、载波信号、已调信号的时域波形和频域波形，并改变参数观察信号变化情况，进行实验分析。二、仿真软件介绍MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它的首创者是在数值线性代数领域颇有影响的CleveMoler博士，他也是生产经营MATLAB产品的美国Mathworks公司的创始人之一。MATLAB是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。MATLAB的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数，它将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，应用MATLAB可方便地解决复杂数值计算问题。此外，MATLAB还具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。MATLAB以一系列称为工具箱的应用指定解答为特征。对多数用户十分重要的是，工具箱使你能学习和应用专门的技术。工具箱是MATLAB函数（M-文件）全面的综合，这些文件把MATLAB的环境扩展到解决特殊类型问题上。具有可用工具箱的领域有：信号处理，控制系统神经网络，模糊逻辑，小波分析，模拟等等，从而使其被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。MATLAB与其它计算机高级语言如C，C++等相比，MATLAB语言编程要简洁得多，编程语言更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的学生来说，学习MATLAB十分重要。MATLAB使人们摆脱了常规计算机编程的繁琐，让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上。可以说，应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具，可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。MATLAB®是一种对技术计算高性能的语言。它集成了计算，可视化和编程于一个易用的环境中，在此环境下，问题和解答都表达为我们熟悉的数学符号。典型的应用有：数学和计算，算法开发，建模，模拟和原形化，数据分析、探索和可视化，科学与工程制图，应用开发，包括图形用户界面的建立。三、模拟调制AM、FM的基本原理3.1模拟通信系统设计原理模拟通信系统的主要内容是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。调制可以分为三类，即调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。基带信号：（1）基带信号是由消息转化而来的原始模拟信号，它的频谱一般从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz；（2）在实际通信系统中，基带信号一般含直流和低频成分，不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换，完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。已调信号：它有三个基本特征，即（1）携带有信息；（2）适合在信道中传输；（3）信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称带通信号或频带信号。所谓调制，就是在传送信号的一方将所要传送的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的运载工具，也叫载波。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。3.2振幅调制产生原理振幅调制，就是由调制信号去控制高频载波的振幅，直至随调制信号做线性变化。在线性调制系列中，最先应用的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的线性位移；在时域中，已调波包络与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(假设=0).调制信号（基带信号）为。根据调制的定义，振幅调制信号（已调信号）一般可以表示为：设调制信号的频谱为，则已调信号的频谱：3.3AM调幅电路方案分析标准调幅波（AM）产生原理调制信号是只来来自信源的调制信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，亦可以是数字的。调制的高频振荡信号可称为载波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脉冲序列)。载波由高频信号源直接产生即可，然后经过高频功率放大器进行放大，作为调幅波的载波，调制信号由低频信号源直接产生，二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波。假设调制信号的平均值为0，将其叠加一个直流偏量后与载波相乘（如下图），即可形成调幅信号。设载波信号的表达式为，调制信号的表达式为，则调幅信号的时域表达式为式中：为外加的直流分量；可以是确知信号，也可以是随机信号。若为确知信号，则AM信号的频谱为图3.1AM调制模型3.4频率调制（FM）产生原理调制时，若载波的频率随调制信号变化，称为频率调制或调频FM。频率调制和振幅调制不同的是，已调信号的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。从频率调制的相位与频率关系可以看出，调频信号可通过直接调频和间接调频两种方法得到。所谓间接调频急事先对调频信号积分再调相而得到，如下图3.3.2。在调制时，调制信号的频率去控制载波的频率的变化，载波的瞬时频偏随调制信号()mt成正比例变化，即()()fdtKmtdt式中，fK为调频灵敏度（()radsV）。这时相位偏移为()()ftKmd则可得到调频信号为()cos()FMcfstAtKmd其中，()mt为基带调制信号设调制信号为()cos(2)mmtAft设正弦载波为()cos(2)cctft图3.2直接调频模型图3.3间接调频模型四、设计思路和仿真程序4.1设计流程图积分器PM调制器m（t）SFM(t)4.2振幅调制AM的仿真程序%===========载波信号=========================t=-1:0.00001:1;%设定步长A0=8;%载波信号振幅f=3000;%载波信号频率w0=2*f*pi;ct=A0*cos(w0*t);%产生载波信号subplot(2,1,1);plot(t,ct);title('载波信号波形');调制信号FFT变换载波信号已调信号FMFFT变换载波信号频谱FFT变换图4.2FM振幅调制设计流程图（即设计思路）调制信号频谱已调信号频谱产生调制信号产生载波信号调制信号FFT变换载波信号已调信号AMFFT变换载波信号频谱FFT变换图4.1AM振幅调制设计流程图（即设计思路）调制信号频谱已调信号频谱产生调制信号产生载波信号axis([0,0.01,-10,10]);subplot(2,1,2);Y1=fft(ct);%对载波信号进行傅里叶变换plot(abs(Y1));title('载波信号频谱');axis([5900,6100,0,1000000]);%===========调制信号=========================t=-1:0.00001:1;A1=5;%调制信号振幅f=3000;%调制信号频率w0=2*f*pi;mes=A1*sin(0.001*w0*t);%调制信号subplot(2,1,1);plot(t,mes);xlabel('t'),title('调制信号');subplot(2,1,2);Y2=fft(mes);%对调制信号进行傅里叶变换plot(abs(Y2));title('调制信号频谱');axis([198000,201000,0,1000000]);%============AM已调信号=====================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*sin(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);gridon;title('AM已调信号波形');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已调信号频谱');axis([5950,6050,0,500000]);4.3频率调制FM的仿真程序%============载波信号=====================t=0:0.0001:1.5;fc=50;%载波信号频率ct=cos(2*pi*fc*t);%生成载波subplot(2,1,1);plot(t,ct);axis([0,1.5,-1,1]);xlabel('t'),title('载频信号波形');subplot(2,1,2);Y1=fft(ct);%对载波信号进行傅里叶变换plot(abs(Y1));title('载波信号频谱');axis([0,150,0,10000]);%============调制信号=====================t=0:0.0001:1.5;%设置步长A1=15;%调制信号振幅f=5;%调制信号频率mt=A1*cos(2*pi*f*t);%生成调制信subplot(2,1,1);plot(t,mt);axis([0,1.5,-17,17]);xlabel('t'),title('调制信号');subplot(2,1,2);Y2=fft(mt);%对调制信号进行傅里叶变换plot(abs(Y2));title('调制信号频谱');axis([10000,20000,0,100000]);%============FM已调信号====================dt=0.0001;%设定时间步长t=0:dt:1.5;%产生时间向量A2=15;%设定调制信号幅度←可更改fm=5;%设定调制信号频率←可更改mt=A2*cos(2*pi*fm*t);%生成调制信号fc=50;%设定载波频率←可更改ct=cos(2*pi*fc*t);%生成载波kf=10;%设定调频指数int_mt(1)=0;%对mt进行积分fori=1:length(t)-1int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt;endsfm=A2*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt);subplot(4,1,1);plot(t,mt);%绘制调制信号的时域图xlabel('时间t');title('调制信号的时域图');subplot(4,1,2);plot(t,ct);%绘制载波的时域图xlabel('时间t');title('载波的时域图');subplot(4,1,3);plot(t,sfm);%绘制已调信号的时域图xlabel('时间t');title('已调信号的时域图')subplot(4,1,4);Y3=fft(sfm);%对调制信号进行傅里叶变换plot(abs(Y3));title('调制信号频谱');axis([10000,20000,0,100000]);五、仿真结果和分析本课程设计圆满的完成了对信号实现AM和FM的调制，与课题的要求十分相符；也较好的完成了对调制信号、载波信号以及AM已调信号和FM已调信号的时域分析及时域波形，通过fft变换，得出了这些信号的频谱图。下面给