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1、基于Matlab（Simulink）通信原理实验仿真（模拟部分） 摘 要模拟通信在通信系统中的使用非常广泛，而MATLAB（Simulink）是用于算法开发、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，它可以解决包括信号和图像处理、通讯等众多应用领域中的问题。利用MATLAB集成环境下的M文件和Simulink工具箱可以完成通讯系统设计与仿真，本文主要是利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现AM、FM、VSB调制与解调过程，并分别绘制出其信号波形。再通过Simulink工具箱对模拟通信系统进行建模仿真。Simulation of communication in
2、 a communication system is very extensive, and the use of MATLAB (Simulink) is used to algorithm development, data visualization, data analysis and numerical calculation of the senior technical calculation language and interactive environment, it can solve the including signal and image processing,
3、communication etc many applications in question. MATLAB integration environment M files and Simulink tool box can complete communication system design and simulation, this paper is mainly use of MATLAB integration environment, programming of the M files to achieve AM, FM, VSB modulation and demodula
4、tion process, and separately plot its signal waveform. Again through Simulink communication system toolbox of simulation modeling simulation .关键词 模拟信号；AM；FM；VSB；调制解调；MATLAB（Simulink）目 录：第一章 绪论 第二章 理论与方法 2.1 matlab简介 2.2 Simulink简介 2.3 通信原理概述第三章 设计方案 3.1用 MATLAB的M文件进行模拟调制 3.1.1 基于MATLAB的AM信号调制与解调 3.1
5、.2 基于MATLAB的FM信号调制与解调 3.1.3 基于MATLAB的VSB信号调制与解调 3.2用Simulink对模拟通信系统进行建模仿真 3.2.1频分复用和超外差接收机的仿真模型3.2.2调频立体声接收机模型第四章 小结参考文献致谢附录1：程序清单 第一章 绪论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。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（
6、基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它含有调制信号的全部特征。解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。调制方式有很多。根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波（通常是正弦波）还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。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。随着通信系统的规模和复杂性的不断增加，
7、计算机仿真技术越来越受到重视。通过构筑通信技术仿真平台，可以在计算机上显示不同的工作原理。以方便对波形，频谱，抗噪声性能进行分析和处理。从而为通信系统设计和研究提供强有力的指导和帮助。设计对通信系统原理进行了设计和分析。利用MATLAB和编程原理对数字调制系统进行仿真第二章 理论与方法2.1 matlab简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。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的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种
8、全面的解决方案，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）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。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等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB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
9、接进行下载就可以用。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。 2.2 Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。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的复杂仿真和设计。Simul
10、ink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，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的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(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、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿
11、真和基于模型的设计工具。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基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。2.3 通信原理概述通信系统作为一个实际系统，是为了满足社会与个人的需求而产生的，目的就是传送消息（数据、语音和图像等
12、）。通信技术的发展，特别是近30年来形成了通信原理的主要理论体系，即信息论基础、编码理论、调制与解调理论、同步和信道复用等。3.1.1 基于MATLAB的AM信号调制与解调AM属于基带调制。使高频载波的频率随信号改变的调制（AM）。其中，载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出，电视的图像信号使用调幅。调频的抗干扰能力强，失真小，但服务半径小。调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。这时
13、候在接收端可以把调制信号解调出来，也就是把高频信号的幅度解读出来就可以得到调制信号了。早期VHF 频段的移动通信电台大都采用调幅方式，由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真，目前已很少采用。调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅制，对移动信道有较好的适应性，现在世界上几乎所有模拟蜂窝系统都使用频率调制。 图中是是调制信号叠加在高频信号中的波形，从图中可以看出，高频信号的幅度随着调制信号作相应的变化，这就是调幅波。由于高频信号的幅度很容易被周围的环境所影响。所以调幅信号的传输并不十分可靠。在传输的过程中也很容易被窃听，不安全。所以现在这种技术已经比较少被采用。但在简单设备的 通信中还有
14、采用。比如收音机中的AM波段就是调幅波，大家可以和FM波段的调频波相比较，可以看到它的音质和FM波段的调频波相比会比较差，原因就是它更容易被干扰。3.1.2 基于MATLAB的FM信号调制与解调 FM调制模型的建立图2 FM调制模型其中，为基带调制信号，设调制信号为设正弦载波为信号传输信道为高斯白噪声信道，其功率为。 调制过程分析在调制时，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成正比例变化，即式中，为调频灵敏度（）。这时相位偏移为则可得到调频信号为FM解调模型的建立 调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，故应用范围受限
15、；而非相干解调不需同步信号，且对于NBFM信号和WBFM信号均适用，因此是FM系统的主要解调方式。在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。 图4 FM解调模型非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图5所示。限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。解调过程分析设输入调频信号为微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号
16、。包络检波器输出为称为鉴频灵敏度（），是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度，经低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得3.1.3 基于MATLAB的VSB信号调制与解调VSB信号只保留与调制信号的较低频率相对应的一些频谱分量，而其他分量都被大量衰减的边带3.2.1频分复用和超外差接收机的仿真模型在超外差式结构的接收机中，从天线接收的弱信号总是通过变频器转变为同一频率的中频信号，然后进行中频放大和处理，接着把达到解调电平要求的中频放大输出信号送入解调器还原为基带信号。超外差式接收机是对单一频率段的中频信号进行处理，所以其放大器和滤波器的品质可以做得很高，而且放大和滤波性能不随传输载波频率变
17、化而变化。由于这些优点，现代通信接收机大多采用超外差式结构，在一些要求更高的通信接收机中，还采用多级混频的超外差式结构，将信号依次转换到不同的中频（称为第一中频、第二中频等）上进行处理，以进一步提高对信号的选择性和干扰抑制能力。 下面的实例仿真了一台超外差式中波收音机的信号处理过程，其中以不同载波频率同时传输了两路不同的调幅信号，以对频分复用模式进行模拟。接收机可通过设置不同的本机振荡频率来选择接收其中某一路信号。 实例 调幅中波收音机的接收频率段为5501605kHz,中频为465kHz。试对超外差式中波收音机建模，要求接收频率范围可调。图为 超外差式中波收音机模型 根据题设要求建立的模型如
18、图所示。其中将两个调幅发射机封装为子系统模型，载波分别为1000kHz和1200kHz,被调基带信号分别为1000Hz的正弦波和500Hz的方波，调幅为0.3V。为了模拟接收机距离两发射机距离不同引起的传输衰减，分别以Gain1、Gain2模块对传输信号进行衰减，最后在信道中加入白噪声并送入接收机。为简单起见，接收机模型中没有设计输入选频滤波器和高频放大器，天线接收信号直接送入混频器进行混频。混频所使用的本机振荡信号由压控振荡器产生，其振荡频率始终比接收信号频率高一个中频频率，这样，接收信号与本机振荡在混频器Pruduct模块中进行相乘运算后，其差频信号成分的频率就是中频频率，通过中频带通滤波
19、器Analog Filter Design1选出，然后由中频放大器Gain进行中频放大。放大后的中频信号再次经过Analog Filter Design2进行中频滤波后送入包络检波器进行解调，并通过中频滤波器滤除中频分量。Gain3模块用来模拟接收机中的基带信号放大功能，示波器用来对比观察解调前后的信号。中频滤波器设置为2阶带通滤波器，中心频率为设计中频465kHz，带宽为12kHz。检波后的低通滤波器可设置为1阶的，截止频率为6kHz。压控振荡器的中心频率设置为中频465kHz，压控灵敏度设置为1kHz/V,这样压控振荡器输出频率将等于中频频率值与压控端输入值之和（单位是kHz）。例如，当压
20、控输入值为1000时，压控振荡器将输出1465kHz频率的正弦波，这样刚好可以接收载波频率为1000Hz的调幅信号。所以压控输入端的值就是接收机所要接收的信号频率。模型中用Slider Gain 作为滑块增益调整，在仿真中双击该模块可“实时”地调整设置的接收频率，以观察接收机输出变化。 下图中分别给出了示波器显示的对两发射信号的接收仿真模型，其中信道噪声方差设置为0.01，仿真步进为6.23e-8s。接收机对任何信号的传输增益都保持不变，而信道对1200kHz电台的衰减较少，所以其解调输出幅度相应也较高。注意，调幅解调输出信号的平均值（即直流分量）大小与接收信号的强弱成比例，即可以用调幅解调输
21、出信号的直流分量来衡量接收信号的强弱。图为 超外差接收机分别对1000kHz和1200kHz载波的调幅电台信号的中频输出波形的解调结果 3.2.2调频立体声广播系统的建模仿真 调频立体声广播的信号结构和仿真模型 调频立体声广播发射系统原理方框图如图所示。为了与普通单声道调频广播信号兼容，首先将左右声道信号L(t)和R(t)进行相加、相减运算，得到与单声道调频广播信号兼容的主信号L(t)+R(t) 以及立体声副信号L(t)-R(t)。然后对副信号进行抑制载波的双边带调幅（也称为平衡调制），载波频率为38kHz。调频立体声广播传输的音频信号最高频率为15kHz，因此平衡调制输出信号的频带为2353
22、kHz。显然，1523kHz频带为空白频段，为了便于简化接收机结构，调频立体声广播标准中就在发送信号空白频段中加入了19kHz正弦波作为导频信号。这样接收机只要对导频信号倍频即可恢复平衡调制相干解调所需的同步载波。主信号、导频以及平衡调制输出的副信号相加得出立体声基带信号m(t)，其最高频率为fm=53kHz。随后对之进行调频，调频最大频偏为f=75kHz。立体声基带信号的数学表达式为 m(t)=L(t)+R(t)+cos2103t+ L(t)-R(t)cos38103t实例 建立一个调频发射机中立体声基带信号的产生模型，并仿真观察其频谱。 左右声道信号L(t)和R(t)通常是相关的，即为同一
23、音源经过不同路径到达人左右耳的结果，人通过分辨这两个信号之间相位和幅度的细微差别来获得音源位置感。因此，立体声副信号L(t)-R(t) 的功率相对于主信号L(t)+R(t) 的功率一般要小得多。为了模拟左右声道的相关性，可用一个音频扫频源经过不同衰减和相位移动得出左右声道信号。 根据图 所示的原理，建立调频发射机立体声基带信号的测试系统模型如图 所示。其中，用Signal Generator和Voltage-Controlled Oscillator 模块产生的500Hz15kHz之间的扫频信号作为音源，并通过两个参数不同的滤波器来模拟不同的传输路径特性。得出的左右两条信号经过相互加减、平衡调
24、制和导频叠加之后得出立体声基带信号，最后通过Zero-Order Hold和Spectrum Scope模块将其频谱显示出来。仿真步长设置为1e-6s，仿真运行结果如图 所示。调频立体声接收机模型调频立体声解调也称为立体声解码，其原理方框模型如图 所示。图 调频立体声接收机系统原理方框图 当信道无噪声时，接收信号经过高频放大、变频、中频放大和调频解调（鉴频）之后，输出信号等于发送的基带立体声信号，即 =L(t)+R(t)+cos219103t+ L(t)-R(t)cos238103t2353kHz的带通、1523kHz的带通以及15kHz低通滤波器将鉴频输出信号分为3部分：平衡调制的副信号送入
25、相干解调器、导频经过倍频后得到恢复的载波、供相干解调器使用。理想情况下，相干解调输出为 S1(t)=1/2 L(t)-R(t) 而理想情况下主信号经过系数为0.5的增益调节后得到 S2(t)= 1/2 L(t)+R(t) 因此，两信号经过相加相减运算就可还原发送的左右声道信号，即 S2(t)+ S1(t)= L(t) S2(t)-S1(t)= R(t) 而对应的单声道接收机，只需要将鉴频输出经过15kHz低通滤波后即可输出，保证了调频立体声广播与普通单声道接收机的兼容性。 实际中，由于恢复载波相位误差以及副信号处理支路与主信号处理支路之间不平衡，会导致左右声道信号不能够完成分离。实例 使用实例
26、 中的立体声基带信号产生模型，对相应的立体声解码过程进行建模和仿真。设左右声道的信号分别为1000Hz和2000Hz的单频测试信号。 根据题设要求建立的仿真模型如图 所示。图中，发送基带立体声信号由子系统模块SteroGen产生。SteroGen就是对图 中虚线所围部分的封装。左右声道测试信号由两个信号发生器产生并通过示波器Scope1显示出来。模型中，将从发送基带立体声信号输出端到接收鉴频器输出端之间的信号通路视为广义信道，并假设是理想的（无噪声无衰减）。立体声副信号解调的载波是通过对导频的二倍频锁相环路提取的，模型中设置了一个手动切换开关来模拟锁相环失锁情况。主信号处理支路中以Slide
27、Gain模块来调整立体声解码平衡，在仿真进行中可根据观察解调输出信号波形来实时调整其系数，使左右声道信号分离度最大。仿真结果如图 所示。其中，（a）图为发送波形；（b）图为正确解码的立体声输出波形；(c)图为手动开关将导频信号断开后锁相环失锁后的解码输出，波形形状将随相干载波相位变化而变化。第四章 小结参考文献附录例一：用Matlab产生一个频率为1Hz、功率为1的余弦信源m（t）,设载波频率为10Hz，A=2，试画出：（1）AM调制信号；（2）调制信号的功率谱密度；（3）相干解调后的信号波形。解：%显示模拟调制的波形及解调方法AM，文件mam.m%信源close all;clear all;
28、dt=0.001; %时间采样间隔fm=1; %信源最高频率fc=10; %载波中心频率T=5; %信号时长t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fm*t); %信源%N0=0.01; %白噪单边功率谱密度%AM modulationA=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);B=2*fm; %带通滤波器带宽%noise=noise_nb(fc,B,N0,t); %窄带高斯噪声产生%s_am=s_am+noise;figure(1)subplot(311)plot(t,s_am);hold on; %画出AM信号波形plot(t,A+mt, r-); %
29、标示AM的包络title(AM调制信号及其包络)；xlabel(t);%AM demodulationrt=s_am.*cos(2*pi*fc*t); %相干解调rt=rt-mean(rt);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm); %低通滤波subplot(312)plot(t,rt);hold on;plot(t,mt/2, r-);title(相干解调后的信号波形与输入信号的比较)；xlabel(t)subplot(313)f,sf=T2F(t,s_am); %调制信号频谱psf=(abs(sf).2)/T; %调制信号功率谱密度plot(f,psf);ax
30、is(-2*fc2*fc0max(psf);title(AM信号功率谱)；xlabel(f);例2：设输入信号为m(t)=cos2t，载波中心频率fc=10Hz，调频器的压控振荡系数为5Hz/V，载波平均功率为1W。（1） 画出该调频信号的波形；（2） 求出该调频信号的振幅谱；（3） 用鉴频器解调该调频信号，并与输入信号比较。解：%FM modulation and demodulation,mfm.m close all;clear all;Kf=5;fc=10;T=5;dt=0.001;t=0:dt:T;%信源fm=1;%mt=cos(2*pi*fm*t)+1.5*sin(2*pi*0.3
31、*fm*t); %信源信号mt=cos(2*pi*fm*t); %信源信号%FM调制A=sqrt(2);%mti=1/2/pi/fm*sin(2*pi*fm*t)-3/4/pi/0.3/fm*cos(2*pi*0.3*fm*t);%mt的积分函数mti=1/2/pi/fm*sin(2*pi*fm*t); % mt的积分函数st=A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*Kf*mti);figure(1)subplot(311)plot(t,st);hold on; plot(t,mt, r-); xlabel(t);ylabel(调频信号)subplot(312)f ,sf=T2F(t,st)
32、;plot(f,abs(sf);axis(-25 25 0 3)xlabel(f);ylabel(调频信号幅度谱)%FM解调for k=1:length(st)-1 rt(k)=(st(k+1)-st(k)/dt;endrt(length(st)=0;subplot(313)plot(t,rt);hold on;plot（t,A*2*pi*Kf*mt+A*2*pi*fc, r-）;xlabel(t);ylabel(调频信号微分后包络)例3：用Matlab产生一个频率为5Hz、5/2Hz的余弦和正弦叠加信号作为信源m(t),两个频率分量功率相同，总信号功率为2，设载波频率为20Hz，试画出：（1
33、） 残留边带为0.2fm的VSB调制信号；（2） 调制信号的功率谱密度；（3） 相干解调后的信号波形。 解：%显示模拟调制的波形及解调方法VSB，文件mvsb.m%信源close all;clear all;dt=0.001; %时间采样间隔fm=5; %信源最高频率fc=20; %载波中心频率T=5; %信号时长 t=0:dt:T; mt=sqrt(2)*(cos(2*pi*fm*t)+sin(2*pi*0.5*fm*t); %信源 %VSB modulation s_vsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);B=1.2*fm;f,sf=T2F(t,s_vsb);t,s_vsb=vsbp
34、f(f,sf,0.2*fm,1.2*fm,fc);figure(1)subplot(311)plot(t,s_vsb);hold on; %画出VSB信号波形plot(t,mt, r-); %标示mt的波形title(VSB调制信号)；xlabel(t);%VSB demodulationrt=s_vsb.*cos(2*pi*fc*t);f,rf=T2F(t,rt);t,rt=lpf(f,rf,2*fm);subplot(312)plot(t,rt);hold on;plot(t,mt/2, r-);title(相干解调后的信号波形与输入信号的比较)；xlabel(t);subplot(313
35、)f,sf=T2F(t,s_vsb);psf=(abs(sf).2)/T;plot(f,psf);axis(-2*fc 2*fc 0 max(psf);title(VSB信号功率谱)xlabel(f);functiont,st=vsbpf(f,sf,B1,B2,fc)%This function filter an input by an residual bandpass filter%Inputs:f:frequency samples% sf:input data spectrum samples% B1:residual bandwidth% B2:highest freq of th
36、e basedband signal%Outputs:t:time samples% st:output datas time samplesdf=f(2)-f(1);T=1/df;hf=zeros(1,length(f);bf1=floor(fc-B1)/df:floor(fc+B1)/df);bf2=floor(fc+B1)/df+1:floor(fc+B1)/df);f1=bf1+floor(length(f)/2);f2=bf2+floor(length(f)/2);stepf=1/length(f1);hf(f1)=0:stepf:1-stepf;hf(f2)=1;f3=-bf1+floor(length(f)/2);f4=-bf2+floor(length(f)/2);hf(f3)=0:stepf:(1-stepf);hf(f4)=1;yf=hf.*sf;t,st=F2T(f,yf);st=real(st);致谢
