FM调制与解调系统的设计

1课题五FM调制与解调系统的设计一、本课题的目的本课程设计课题主要研究FM调制与解调模拟系统的理论设计和软件仿真方法。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：1．掌握模拟系统FM调制与解调的原理。2．掌握模拟系统FM调制与解调的设计方法；3．掌握应用MATLAB分析系统时域、频域特性的方法，进一步锻炼应用Matlab进行编程仿真的能力；4．熟悉基于Simulink的动态建模和仿真的步骤和过程；5．了解基于LabVIEW虚拟仪器的特点和使用方法，熟悉采用LabVIEW进行仿真的方法。二、课题任务设计FM调制与解调模拟系统，仿真实现相关功能。包括:可实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统设计及仿真，要求给出系统的设计框图、源程序代码及仿真结果，并要求给出程序的具体解释说明，记录系统的各个输出点的波形和频谱图。具体内容为：(1）设计FM调制与解调、PM调制与解调的模拟系统，给出系统的原理框图,对系统的主要参数进行设计说明。(2）采用Matlab语言设计相关程序,实现系统的功能，要求采用两种方式进行仿真，即直接采用Matlab语言编程的静态仿真方式、采用Simulink进行动态建模和仿真的方式。要求采用两种以上调制信号源进行仿真，并记录系统的各个输出点的波形和频谱图。(3)采用LabVIEW进行仿真设计,实现系统的功能,要求给出系统的前面板和框图，采用两种以上调制信号源进行仿真，并记录仿真结果。(4)要求对系统的时域、频域特性进行分析，并与理论设计结果进行比较分析。(5)对系统功能进行综合测试，整理数据，撰写设计报告。三、主要设备和软件(1)PC机，一台(2)MATLAB6.5以上版本软件，一套(3)LabVIEW7.0以上版本软件，一套四、设计内容、步骤和要求4.1必选部分(1)设计实现FM、PM调制与解调的模拟系统，给出系统的原理框图,对系统的主要参数进行设计说明,具体参数包括：载波频率、调制信号频率、载波大小、调制信号大小、调制系数等参数。并对所设计的系统进行理论分析计算。(2)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统，进行基于Matlab语言的静态仿真设计。分别实现2单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统仿真设计，要求给出系统的Matlab编程仿真程序及结果，并要求写出程序的具体解释说明，记录系统的各个输出点的波形和频谱图。要求调制信号分别采用不同类型的信号进行仿真，至少给出两种以上调制信号源，具体参数自定。载波信号频率根据设计情况设定。(3)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统，采用Simulink进行动态建模仿真设计。分别实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统动态仿真设计，要求包括调制和解调的部分，并给出采用Simulink进行动态建模仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。要求采用两种以上调制信号源进行仿真，具体参数自定。载波信号频率根据设计情况设定。(4)根据仿真结果,对系统的时域、频域特性进行分析，并与理论设计结果进行比较分析。4.2拓展部分(1)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统，说明具体的参数，进行基于LabVIEW环境的仿真，分别实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统仿真设计，要求包括调制和解调的部分，给出系统的前面板和框图，并记录仿真结果。(2)要求调制信号采用不同类型的信号源，进行进一步的仿真，给出系统的前面板和框图，并记录仿真结果，观察分析频谱的变化情况。(3)比较分析采用以上两种软件环境：Matlab与LabVIEW，进行仿真的各自的特点，分析说明不同语言环境的各自优势。4.3选作部分(1)根据所设计的FM、PM调制与解调的模拟系统，采用Matlab语言设计相关程序，并且利用GUI设计图形用户界面，完成4.1必选部分所要求的功能。(2)分析比较采用Matlab语言的GUI设计图形用户界面与采用LabVIEW进行设计的各自的特点。五、课程设计报告要求(1)设计报告书包括内容：课程设计题目，设计目的和意义，设计方案，详细设计步骤，设计结果（原理图等），测试和仿真结果（图形或数据）及其分析，结论，参考文献等。(2)提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料（电路图、程序、结果等）的电子版。六、参考文献[1]信号与系统课程组.信号与系统课程设计指导.2007.10[2]吴大正.信号与线性系统分析（第四版）.高等教育出版社，2005,8[3]谢嘉奎.电子线路—非线性部分(第四版).高等教育出版社，2003,2[4]黄永安等.Matlab7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用.清华大学出版社，2005.123[5]陈垚光等.精通MATLABGUI设计.电子工业出版社，2011.01[6]江建军.LabVIEW程序设计教程.电子工业出版社,2008.03七、附录——设计原理4附录：设计原理1．FM调制与解调的原理频率调制又称调频（FM），它是高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化，而振幅保持恒定的一种调制方式。相位调制或调相（PM）是使高频振荡的相位按调制信号的规律变化，而振幅保持不变的一种调制方式。由于频率与相位间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在着密切的关系，即调频必调相，调相必调频。因此，调频和调相统称为角（度）调（制）。若只给一个波形或表达式是无法确定调制方式是调频还是调相的。设载波信号为)cos())(cos()(0tVtVtvcmmc（1-1）调制信号为)cos()(tVtvm（1-2）调频信号的一般表达式为))(cos()(00dttvktVtvtfcm（1-3）调相信号的一般表达式为))(cos()(0tvktVtvpcm（1-4）以单音调制为例，对于调频信号而言，它的瞬时角频率、瞬时相位分别为：)cos(cos)(ttVktmcmfc（1-5）00sinsin)(tMttVkttfcmfc（1-6）式中fM为调频指数。因而，调频波的表达式为)sin(cos)(0tMtVtvfcmFM（1-7）FMu为等幅疏密波，疏密的变化与调制信号有关，调制信号寄托于等幅波的疏密之中或单位时间内过零点的数目之中。调频信号的参数主要有：（1）最大角频偏m它是瞬时角频率)(t的最大值；最大频偏mf是瞬时频偏)(tf的最大值。m或mf反映了频率5受调制的程度，是衡量调频质量的重要指标。m或mf与mV和fk成正比，与调制信号频率F无关。FM波瞬时频率变化范围为mcff～mcff，最大变化量为mf2。（2）调制系数（调制灵敏度）fk(rad/sV)mfmkU（1-8）它表示mV对瞬时（角）频率的控制能力，是产生FM信号电路的重要参数。（3）调频指数fMmmmfFfM（1-9）它是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移量。但fM与F成反比。fM可以大于1，而且常常远远大于1。FM信号的频谱有如下特点：以载频cf为中心，由无穷多对以调制信号频率F为间隔的边频分量组成，各分量幅值取决于Bessel函数，且以cf对称分布；载波分量并不总是最大，有时为零；FM信号的功率大部分集中在载频附近；频谱结构与F密切相关；调频波解调又称鉴频，其中一种方法为将输入调频信号进行特定的波形变换，使变换后的波形包含有反映瞬时频率变化的平均分量。然后通过低通滤波器就能输出所需的解调电压。具体方法参见参考文献[3]及其他文献资料。对于单音调制的调相信号，它的瞬时角频率、瞬时相位及解调方法分别参见参考文献[3]。2.使用Simulink建模和仿真的过程启动Matlab后，在命令窗口中输入命令“simulink”或单击Matlab工具栏上的simulink图标，打开simulink模块库窗口（使用命令‘simulink3’可以打开老版本的simulink模块库界面）。典型的Simulink模块包括三个部分：输入模块、状态模块、输出模块。2.1Simulink模块库简介Continuous（连续模块）库Discrete（离散模块）库函数与表格模块库6Math（数学模块）库Sinks（信号输出模块）库：常用模块为Scope（示波器模块）、XYGraph（二维信号显示模块）、Display（显示模块）Sources（信号源模块）库（如图5-1所示），常见模块有：Constant（输入常数模块）、SignalGenerator（信号源发生器模块）。SignalGenerator用于产生不同的信号波形，其中包括：正弦波、方波、锯齿波信号。Sources（信号源模块）还包括其它常用模块：Ramp（斜坡输入信号）、SineWave（正弦波输入信号）、Step（阶跃输入信号）、Clock（时间信号）、Pulse（脉冲信号）等。2.2调制解调模块库简介CommunicationsBlockset（通信模块集）中包含了通信仿真模块，要打开通信工具箱的模块库，可以在Matlab的命令窗口输入以下命令：commlib此时，系统会打开工具箱模块库的窗口，模块库中包括子模块库时，用鼠标双击就可以打开下级子库。要查看通信工具箱中的函数名称和内容列表，可以在Matlab的命令窗口输入以下命令：helpcomm.如通信模块集（CommunicationsBlockset）中的Modulation（调制库）。Modulation/Demodulation.ademod-Analogpassbanddemodulator.（通带模拟解调）ademodce-Analogbasebanddemodulator.（基带模拟解调）amod-Analogpassbandmodulator.（通带模拟调制）amodce-Analogbasebandmodulator.（基带模拟调制）apkconst-PlotacombinedcircularASK-PSKsignalconstellation.（计算和绘制QASK调制图）ddemod-Digitalpassbanddemodulator.（通带数字解调）ddemodce-Digitalbasebanddemodulator.（基带数字解调）7图2-1Sources（信号源模块）库demodmap-Demapadigitalmessagefromademodulatedsignal.（数字解调逆映射）dmod-Digitalpassbandmodulator.（通带数字调制）dmodce-Digitalbasebandmodulator.（基带数字调制）modmap-Mapadigitalsignaltoananalogsignal.（数字调制映射）qaskdeco-DemapamessagefromaQASKsquaresignalconstellation.（矩形QASK码译码）qaskenco-MapamessagetoaQASKsquaresignalconstellation.（计算和绘制QASK矩形图）2.3利用Simulink建立一个仿真实例仿真内容：系统的传递函数为10310)(2sssH，输入激励为阶跃函数)(t，查看系统响应的输出变化情况。仿真过程如下：首先打开simulink模块库窗口，在simulink模块库窗口中单击菜单项“File/New/Model”，即可以建立一个新的simulink模型文件。如图2-2所示。利用鼠标单击Simulink模块库窗口中的Continuous子库，选取传递函数模块TransferFcn，将它拖动8到新建模型文件窗口的合适的位置。然后对模型模块进行参数设置和修改，单击右键从快捷菜单中选取“TransferFcnparameters…”修改传递函数参数，在弹出对话框中的传递函数分子系数“Numerator：”栏填入[10]，在传递函数分母系数“Denominator