1、吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計第一章 緒論在當今飛速發展的信息時代，隨著數字通信技術計算機技術的發展以及通信網絡與計算機網絡的相互融合，信息科學技術已成為21世紀國際社會和世界經濟發展飛新的強大動力。信息作為一種資源，只有通過廣泛的傳播與交流，才能差生利用價值，促進社會成員之間的合作，推動社會生產力的發展，創造巨大的經濟效益。而信息的傳播和交流，是依靠各種通信方式和技術來實現的。學習和掌握現代通信理論和技術是信息社會每一位成員，尤其是未來通信工作著的迫切要求。MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠。是由美國mathworks公司發布的主要面對科學

2、計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制

3、設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。近兩年來，伴隨著美國MathWorks公司的MA

4、TLAB6.0和MATLAB6.5的發布，MATLAB由最初的“矩陣實驗室”，已經發展成適合多科多工作平臺的大型科技應用軟件。它包含眾多的功能各異的工具箱，涉及領域包括：數字信號處理、通信技術、控制系統、神經網絡、模糊邏輯、數值統計、系統仿真和虛擬現實技術等。作為一個功能強大的數學工具軟件，在很多領域中得到了廣泛的應用。近年來已逐漸列入許多大學理工科學生的教學內容，成為廣大師生、研究人員的重要數學分析工具和有利助手；也為廣大科研工作者進行系統仿真與分析提供了極大的方便。在過去幾年中，Simulink已經成為院校和工程領域中廣大師生和研究人員用來建模和方針動態系統的軟件包。Simulink鼓勵人

5、們去嘗試，可以用它輕松的搭建一個系統模型，并設置模型參數和方針參數，并且立即觀察到改變后的方針結果。 信號調制可以將信號的頻譜搬移到任意位置，從而有利于信號的傳送，并且是頻譜資源得到充分利用。調制作用的實質就是使相同頻率范圍的信號分別依托于不同頻率的載波上，接收機就可以分離出所需的頻率信號，不致相互干擾。而要還原出被調制的信號就需要解調電路。調制與解調在高頻通信領域有著廣泛的應用，同時也是信號處理應用的重要問題之一，系統的仿真和分析是設計過程中的重要步驟和必要的保證。利用Multisim提供的示波器模塊，分別對信號的調幅和解調進行了波形分析。 通過調制可以使信號適用于無線信道傳輸，AM、DSB

6、、SSB是短波通信的三種主要方式。其中SSB調制已經成為短波通信的一種重要的調制方式。AM調制的優點是接收設備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差， 目前主要用于中波和短波的調幅廣播中。DSB調制設備較復雜，應用較少，一般只用于點對點的專用通信。SSB制式普遍用于頻帶比較擁擠的場合，如短波的無線電廣播和頻分多路復用系統中。第二章 調制2.1調制調制（modulation）就是對信號源的信息進行處理加到載波上，使其變為適合于信道傳輸的形式的過程，就是使載波隨信號而改變的技術。一般來說，信號源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因此必

7、須把基帶信號轉變為一個相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合于信道傳輸。這個信號叫做已調信號，而基帶信號叫做調制信號。調制是通過改變高頻載波即消息的載體信號的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實現的。而解調則是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。2.2 調制的種類調制的種類很多，分類方法也不一致。按調制信號的形式可分為模擬調制和數字調制。用模擬信號調制稱為模擬調制；用數據或數字信號調制稱為數字調制。按被調信號的種類可分為脈沖調制、正弦波調制和強度調制(如對非相干光調制)等。調制的載波分別是脈沖，正弦波和光波等。正弦波調制有幅度調制、頻率

8、調制和相位調制三種基本方式，后兩者合稱為角度調制。此外還有一些變異的調制，如單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。脈沖調制也可以按類似的方法分類。此外還有復合調制和多重調制等。不同的調制方式有不同的特點和性能。 2.2.1 正弦波幅度調制 正弦載波幅度隨調制信號而變化的調制，簡稱調幅（AM）。數字幅度調制也叫作幅度鍵控（ASK）。調幅的技術和設備比較簡單，頻譜較窄，但抗干擾性能差，廣泛應用于長中短波廣播、小型無線電話、電報等電子設備中。 早期的無線電報機采用火花式放電器產生高頻振蕩。傳號時火花式發報機發射高頻振蕩波，空號時發報機沒有輸出。這種電報信號的載波不是純正弦波，它含有很多諧波分量，會對其他信號產

9、生嚴重干擾。理想的模擬正弦波調幅是：載波幅度與調制信號瞬時值ua(t）成線性關系，但載頻fC=C/2和相位保持不變。上邊帶和下邊帶。調幅波的載頻分量與調制信號無關，但邊帶分量隨調制信號變化。這意味著所欲傳送的消息都包含在邊帶之中，只用一個邊帶信號就能夠傳送全部消息。把載波去掉的調幅信號，叫做抑制載波調幅；把載波和某一個邊帶一起抑制掉，只剩下一個邊帶的調幅信號，叫做單邊帶調幅（SSB）。單邊帶調幅節省功率，抗干擾性能較好，而且節省頻帶，但設備比較復雜。2.2.2 正弦波頻率調制正弦載波的瞬時頻率隨調制信號的瞬時值而變化的調制，簡稱調頻（FM）。數字頻率調制也稱移頻鍵控（FSK）。調頻是1933年

10、E.H.阿姆斯特朗發明的。這種調制具有良好的抗干擾性能，廣泛用于高質量廣播、電視伴音、多路通信和掃頻儀等電子設備中。理想的調頻是：載波的瞬時角頻率與調制信號瞬時值ua(t）成線性關系，而幅度UC不變。2.2.3 正弦波相位調制正弦載波的瞬時相位隨調制信號而變化的調制，簡稱調相（PM）。數字調相也稱移相鍵控（PSK）。調相波的頻譜與調頻波相似，但是當墹為定值時，其頻譜寬度BW隨而變化，大時頻譜寬，小時頻譜窄。因此頻帶不能充分利用。數字調相具有優越的抗干擾性能，而且頻帶窄，是一種比較理想的調制方式，在各種數據傳輸和數字通信系統中得到廣泛應用。2.2.4 脈沖調制受調波為脈沖序列的調制。脈沖調制可分

11、為脈沖調幅（PAM）、脈沖調相（PPM）、脈沖調寬(PWM）等方式。圖7是一些脈沖調制信號的波形。通常把模擬-數字信號轉換也看做是脈沖調制，這種調制有脈碼調制（PCM）、差值脈碼調制（DPCM）、增量調制（墹M）等。脈沖調幅實質上就是信號采樣。常用于模-數轉換電路、信號轉換電路和各種電子儀器（如采樣示波器等）。脈沖調制信號的頻譜較寬，但除了脈沖調幅之外，都具有較好的抗干擾性能，特別是脈碼調制的性能最好，是一種理想的調制方法。數字電話、遙測、遙控以及迅速發展的綜合通信網，大多采用這種調制。第3章 線性調制原理3.1線性調制介紹調制就是使基帶信號（調制信號）控制載波的某個（或幾個）參數，使這一（或

12、幾個）參數按照基帶信號的變化規律而變化的過程。調制后所得到的信號稱為已調信號或頻帶信號。調制的類型根據調制信號的形式可分為模擬調制和數字調制；根據載波的不同可分為以正弦波作為載波的連續載波調制和以脈沖串作為載波的脈沖調制；根據調制器頻譜搬移特性的不同可分為線性調制和非線性調制。線性調制是指輸出已調信號的頻譜和調制信號的頻譜之間呈線性搬移關系。線性調制的已調信號種類有幅度調制（AM）、抑制載波雙邊帶調幅（DSB）、單邊帶調幅（SSB）和殘留邊帶調幅（VSB）等。3.2 調幅調制（AM） 調制信號是只來來自信源的調制信號（基帶信號），這些信號可以是模擬的，亦可以是數字的。為首調制的高頻振蕩信號可稱

13、為載波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脈沖序列)。載波由高頻信號源直接產生即可，然后經過高頻功率放大器進行放大，作為調幅波的載波，調制信號由低頻信號源直接產生，二者經過乘法器后即可產生雙邊帶的調幅波。 設載波信號的表達式，調制信號的表達式為 ，則調幅信號的表達式為 圖2-1 標準調幅波示意圖AM信號的時域表示式：頻譜：3.3雙邊帶調制（DSB）抑制掉調幅信號頻譜結構中無用的載頻分量，僅傳輸兩個邊頻的調制方式成為抑制載波的雙邊帶調制，簡稱雙邊帶調制，并表示為： 顯然，它與調幅信號的區別就在于其載波電壓振幅不是在上下按調制信號規律變化。這樣，當調制信號進入負半周時，就變為負值。表明載波

14、電壓產生相移。因而當自正值或負值通過零值變化時，雙邊帶調制信號波形均將出現的相移突變。雙邊帶調制信號的包絡已不再反映的變化，但它仍保持頻譜搬移的特性，因而仍是振幅調制波的一種，并可用相乘器作為雙邊帶調制電路的組成模型，如下圖2-2所示，圖中。 圖2-2 雙邊帶調制信號組成模型3.4 單邊帶調制（SSB） 在DSB信號中，兩個邊帶中的任意一個都包含了M（w）的所有頻譜成分，引導詞僅傳輸其中一個即可。這樣既節省發送功率，還可以節省一半傳輸頻帶，這種方式稱為單邊帶調制（SSB）。單邊帶信號是將雙邊帶信號中的一個邊帶濾掉而形成的，根據濾除方式的不同，產生SSB信號的方法有：濾波法和相移法。SSB信號的

15、時域表示式濾波法的原理方框圖 2-3單用邊帶濾波器，濾除不要的邊帶: 圖2-3 雙邊帶調制信號組成模型圖中，H(w)為單邊帶濾波器的傳輸函數，若它具有如下理想高通特性：則可濾除下邊帶。若具有如下理想低通特性：則可濾除上邊帶。第四章 MATLAB仿真4.1 MATLAB簡介MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠。是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計

16、算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一

17、些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。MATLAB最突出的特點就是簡潔。MATLAB用更直觀的，符合人們思維習慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發環境。時至今日，經過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經發展成為適合多學科，多種工作平臺的功能強大大大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數，自動控制理論，數理統計，數字信號處理，時間序列分析，動態系統仿真等高級課程的基本教學工具。目前利用Matlab進行系統性能仿真，主要有三種方法：其一是通過腳本程序的編寫，實現相

18、關系統仿真和性能分析；其二是利用Simulink模塊庫，通過鼠標拖拉的方式建立相關系統的仿真模型，對每個模塊進行參數設置，以達到動態系統仿真和性能分析的目的；其三是利用圖形用戶界面GUI，創建各種菜單、按鈕等可視化界面，通過函數回調等手段，實現人機交互的系統仿真及其性能分析。Matlab語言比較簡單，腳本程序的編寫也比較簡單，很多語言結構和風格與常用的C語言非常相似，因此，對于初學者而言，是很容易上手的。4.2 AM程序和仿真dt=0.001; %時間采樣頻譜fmax=1; %信源最高頻譜fc=10; %載波中心頻率T=5; %信號時長N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=sqrt(2)*

19、cos(2*pi*fmax*t); %信源A=2;s_am=(A+mt).*cos(2*pi*fc*t);f,Xf=FFT_SHIFT(t,s_am); %調制信號頻譜PSD=(abs(Xf).2)/T; %調制信號功率譜密度figure(1)subplot(211);plot(t,s_am);hold on; %畫出AM信號波形plot(t,A+mt,r-); %表示AM包絡title(AM調制信號及其包絡);xlabel(t);subplot(212); %畫出功率譜圖形plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 1.5*max(PSD);title(AM信號功率譜);xl

20、abel(f);% 調用函數function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals Fourier transform%Input: t: sampling time , st : signal data. Time length must greater thean 2%output: f : sampling frequency , sf: frequen%output is the frequency and the signal spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);d

21、f=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);圖4-1 AM調制信號及其包絡和頻譜4.3 DSB的程序與仿真dt=0.001; %時間采樣頻譜fmax=1; %信源最高頻譜fc=10; %載波中心頻率T=5; %信號時長t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_dsb=mt.*cos(2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_dsb); %調制信號頻譜PSD=(abs(sf).2)/T; %調制信號功率譜密度figure(1)subplot(211)

22、plot(t,s_dsb);hold on; %畫出DSB信號波形plot(t,mt,r-); %標示mt波形title(DSB調制信號及其包絡);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*fc 2*fc 0 max(PSD);title(DSB信號功率譜);xlabel(f);% 調用函數function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals Fourier transform%Input: t: sampling time , st : signal d

23、ata. Time length must greater thean 2%output: f : sampling frequency , sf: frequen%output is the frequency and the signal spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);圖4-2 DSB調制信號及其包絡和頻譜4-4 SSB的程序與仿真%幅度調制SSB信號輸出和功率譜 程序清單dt=0.001; %時間采樣頻譜fmax=1; %信源最

24、高頻譜fc=10; %載波中心頻率T=5;t=0:dt:T;mt=sqrt(2)*cos(2*pi*fmax*t); %信源s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*2*pi*fc*t);f,sf=FFT_SHIFT(t,s_ssb); %單邊帶信號頻譜PSD=(abs(sf).2)/T; %單便帶信號功率譜figure(1)subplot(211)plot(t,s_ssb);hold on; %畫出SSB信號波形plot(t,mt,r-); %標示mt 的包絡title(SSB調制信號);xlabel(t);subplot(212)plot(f,PSD);axis(-2*f

25、c 2*fc 0 max(PSD);title(SSB信號功率譜);xlabel(f);% 調用函數function f, sf=FFT_SHIFT(t, st)%This function is FFT to calculate a signals Fourier transform%Input: t: sampling time , st : signal data. Time length must greater thean 2%output: f : sampling frequency , sf: frequen%output is the frequency and the si

26、gnal spectrumdt=t(2)-t(1);T=t(end);df=1/T;N=length(t);f=-N/2:N/2-1*df;sf=fft(st);sf=T/N*fftshift(sf);圖4-3 SSB調制信號及其包絡和頻譜總結通過本次設計，讓我很好的鍛煉了理論聯系實際，與具體項目，課本相結合的能力。既讓我懂得了怎么樣把理論應用于實際，又讓我懂得了在實踐中遇到的問題怎么樣用理論去解決。 在本次設計中，我們還需要大量的新知識，于是圖書館和計算機網絡成了我們很好的助手，在查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學習的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領域，這方面的能力便會使我們受益非淺。在設計過程中，總遇到這樣或者那樣的問題，這時我們要耐心地解決它，為以后的工作設計積累經驗。在實際