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()(0tVtVtvcmmc(1-1)调制信号为)cos()(tVtvm(1-2)调频信号的一般表达式为))(cos()(00dttvktVtvtfcm(1-3)调相信号的一般表达式为))(cos()(0tvktVtvpcm(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)(0tMtVtvfcmFM(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mf2。(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6Math(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)(2sssH,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