摘要
本次设计主要是以Matlab为基础平台，对FM信号进行仿真。介绍了FM信号，及其调制和解调的基本原理，并设计M文件，分析在混入噪声环境下的波形失真，以及分析FM的抗噪声性能。本设计的主要目的是对Matlab的熟悉和对模拟通信理论的更深化理解。
关键词：Matlab；FM；噪声
前言 (2)
1 设计基础 (3)
1.1 Matlab及M文件的简介 (3)
1.2模拟调制概述 (4)
1.2.1模拟调制系统各个环节分析 (5)
1.2.2 模拟调制的意义 (6)
2 FM基本原理与实现 (7)
2.1 FM的基本原理 (7)
2.1.1调制 (7)
2.1.2解调 (8)
2.2 FM的实现 (8)
2.2.1 FM调制的实现 (8)
2.2.2 FM解调的实现 (9)
2.3 调频系统的抗噪声性能 (10)
2.3.1 高斯白噪声信道特性 (10)
3 FM的仿真实现与分析 (14)
3.1 未加噪声的FM解调实现 (14)
3.2 叠加噪声时的 FM解调 (16)
总结 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
附录 (23)
通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的命脉。信息作为一种资源，只有通过广泛传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大动力。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。
在通信系统中，从消息变换过来的原始信号所占的有效频带往往具有频率较低的频谱分量(例如语音信号)，如果将这种信号直接在信道中进行传输，则会严重影响信息传送的有效性和可靠性，因此这种信号在许多信道中均是不适宜直接进行传输的。在通信系统的发射端通常需要有调制过程，将调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，使之转换成适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号；而在接收端则需要有解调过程，以恢复原来有用的信号。调制解调方式常常决定了一个通信系统的性能。随着数字化波形测量技术和计算机技术的发展，可以使用数字化方法实现调制与解调过程。
调制在通信系统中具有重要的作用。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，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输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。调制技术是指把基带信号变换成传输信号的技术。基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。未调制的高频电振荡称为载波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脉冲序列等）。被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号。已调信号通过信道传送到接收端，在接收端经解调后恢复成原始基带信号。
1 设计基础
1.1 Matlab及M文件的简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab），这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了8.0版本。Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab 和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
Matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户使用Matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括Matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。他包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。Matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。Matlab 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作
图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Matlab同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的Matlab还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。
所谓的M文件是由Matlab语句（命令或函数）构成的ASCII码文本文件，文件名必须以“.m”为扩展名。主要有两种形式：命令文件（Script File）和函数文件（Function File）。命令文件与批处理文件相似，它是Matlab命令或函数的组合，没有输入输出参数，执行时只需在命令窗口中键入文件名回车即可：而函数文件是以一条function语句作为引导。即文件的第一行为：function[返回参数1，返回参数2，···]=函数名（输入参数1，输入参数2，···）这一行的有无是区分命令文件与函数文件的重要标志。函数文件可以接受输入变量，还可以返回输出变量，执行时需在命令窗口中以固定格式调用函数方可。其主要用处是利用Matlab 语句构造一个新的函数。
M文件的编写规则：
（1）在编写函数式M文件时，M文件保存的文件名必须与函数名相同。
（2）脚本式M文件没有输入和输出参数，而函数式M文件有输入和输出参数，它根据输入输出参数提供的信息，对数据进行加工处理，然后通过输出函数返回处理结果。
（3）函数可以没有或有多个输入变量，而且可以没有或有多个输出变量。函数nargin
和nargout分别包含输入和输出变量的个数。
（4）函数M文件中的所有变量除了特别声明的以外，都是局部变量。局部变量在自己专有的空间中工作，全局变量则在MATLAB内共享。编写完M文件后，保存文件就可以进行M文件的调试，调试过程中设置断点即可查看各变量的值。
1.2模拟调制概述
大多数待传输的信号具有较低的频率成分。称之为基带信号，如果将基带信号直接传输，称为基带传输。但是，很多信道不适宜进行基带信号的传输，或者说，如果基带信号在其中传输，会产生很大的衰减和失真。因此，需要将基带信号进行调制，变换为适合信道传输的形式，调制是让基带信号m （t ）去控制载波的某个（或某些）参数，使该参数按照信号m （t ）的规律变化的过程。载波可以是正弦波，也可以是脉冲序列，以正弦信号作为载波的调制称连续波（CW ）调制。本次综合训练以FM 为例子，进一步介绍模拟调制。
对于连续波调制，已调信号可表示为
)](cos[)()(t t t A t S m θω+= （1.1） 它由振幅A(t)、角频率ω 和相位θ（t ）3个参数构成。控制3个参数中的任何一个都会实现调制，使之成为携带信息的信号。
连续波调制分为幅度调制，频率调制和相位调制。频率调整和相位调制都是使载波的相角发生变化，因此两者又统称为角度调制。调制在通信系统中具有十分重要的作用，通过调制，可对消息信号的频谱搬移，使已调信号适合信道传输的要求，同时也有利于实现信道复用。例如，将多路基带信号调制到不同的载频上进行并行传输，实现信道的频分复用。
调制方式往往对通信系统的性能有很大的影响。如果m （t ）是连续信号，并且使某个参数连续地与m （t ）相对应，称为模拟调制。 1.2.1模拟调制系统各个环节分析
典型的模拟通信系统由模拟信源、调制解调、信道及受信者等环节构成，其框图如图1.1所示，模拟调制是模拟通信系统的重要组成部分，模拟调制系统的输入端是经模拟信息源变换后的基带信号。对模拟调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的波型，因此，我们在仿真的时候可以给模拟调制系统直接输入模拟基带信号。
图1.1 系统框图
模拟信息源（简称信源）的作用是把各种信息转换成原始电信号，即基带信号。 通常基带信号不宜直接在信道中传输。因此，在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内进行传输。这就是调制的过程。
信道是一种物理媒质，用来将来自发送端的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。
信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移（解调）到原来的频率范围，这就是解调的过程。
信号在信道中传输的过程总会受到噪声的干扰，通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为加性噪声。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真。
1.2.2 模拟调制的意义
模拟调制是指用模拟基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。调制在通信系统中具有十分重要的作用。一方面，通过调制可以把基带信号的频谱搬移到所希望的位置上去，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号。另一方面，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力，同时，它还和传输效率有关。具体地讲，不同的调制方式产生的已调信号的带宽不同，因此调制影响传输带宽的利用率。可见，调制方式往往决定一个通信系统的性能。在本仿真的过程中我们选择用调频调制方法进行调制。
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。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。
2 FM 基本原理与实现
2.1 FM 的基本原理
2.1.1调制
频率调制是利用载波的频率变化来传递模拟信息，而振幅保持不变。也就是说，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号幅度变大（或变小）时，载波信号的频率也变大（或变小），调制信号幅度变小时，载波信号的频率也变小（或变大）。在FM 中，FM 信号的瞬时频偏与调制信号m(t)成正比。因此FM 的信号的时域表达式为：
(2.1)
式中：A 为载波的恒定振幅；[ωc t+φ(t)]为信号的瞬时相位，记为θ（t ）; φ(t)为相对于载波相位ωc t 的瞬时相位偏移；d[ωc t+φ(t)]/dt 是信号的瞬时角频率，记为ω(t)；而d φ(t)/dt 称为相对于载频ωc 的瞬时频偏。
所谓频率调制（FM ）,是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例变化，即
(2.2)
式中：K f 为调频灵敏度（rad/(s.V)）。这时相位偏移为：
(2.3) 因此，上式可改写为
(2.4)
图2.1 无噪声调制信号
()]
cos[)(?+=ττωd m K t A t s f c FM )
()
(t m K
dt
t d f
=Φ?=Φτd t m K t f )(）（)]
(cos[)(t t A t S c FM Φ+=ω
2.1.2解调
设输入调频信号为
(2.5)
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
(2.6)
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。包络检波器输出为
(2.7)
d K 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
(2.8)
图2.2 无噪声解调信号
2.2 FM 的实现
2.2.1 FM 调制的实现
调频主要有两种方法：直接调频和间接调频。 1）直接调频法
)
)(sin()]([)
()()(ττωωd m K t t m K dt
t dS
dt
t dS t S t
f c f c FM
i d ?∞-++-===
)
)(cos()()(ττωd m K
t A t S t S t
f
c FM t ?∞
-+==)
()]([)(t m K K K t m K K t S F
d c d f c d o +=+=ωω)()(t m K K t m f
d o =z H V
调频就是用调制信号控制载波的频率变化。直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性的变化。
可以由外部电压控制震荡频率的振荡器叫做压控振荡器器。每个压控振荡器自身就是一个FM 调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即
(2.9)
若用调制信号作控制电压信号，就能产生FM 波。
若被控制的振荡器是LC 振荡器，则只需控制振荡回路的某个电抗元件（L 或C ) ，使其参数随调制信号变化。目前常用的电抗元件是变容二极管。用变容二极管实现直接调频，由于电路简单，性能良好，已成为目前最广泛采用的调频电路之一。在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。这种方法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏；其主要缺点是频率稳定度不高。
图2.3 直接调频框图
2）间接调频法
间接调频法是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个NBFM 信号，再经n 次倍频器得到WBFM 信号，这种产生WBFM 信号的方法也称为阿姆斯特朗法。
图2.4 间接调频框图
2.2.2 FM 解调的实现
调频信号的解调也分为相干解调和非相干解调。相干解调仅适用于NBFM 信号，而非相干解调对NBFM 信号和WBFM 信号均适用。
1）非相干解调
()()
t m K t f i +=0ωω
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。
图2.5 非相干解调框图
2）相干解调
由于NBFM 信号可分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用相干解调法进行解调，如图
s
图2.6 相干解调框图
相干解调可以恢复原始调制信号。但要求本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。
2.3 调频系统的抗噪声性能
2.3.1 高斯白噪声信道特性
设正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为
(2.10) 其中，白噪声()n t 的取值的概率分布服从高斯分布。
MATLAB 本身自带了标准高斯分布的内部函数ra n d n 。ra n d n 函数产生的随机序列服从均值为0m =，方差21σ=的高斯分布。
正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为
(2.11) 故其有用信号功率为
(2.12)
2
2
A S =)()cos()(t n t A t r c
++=θω)()cos()(t n t A t r c ++=θω
噪声功率为
(2.13)信噪比N
S满足公式
(2.14)则可得到公式
(2.15)我们可以通过这个公式方便的设置高斯白噪声的方差。
00.51 1.5
-5
5
时间t
调制信号的时域图
00.51 1.5
-5
5
时间t
无噪声条件下已调信号的时域图
00.51 1.5
-5
5
时间t
无噪声条件下解调信号的时域图
图2.7 无噪声条件下已调信号的时域图
00.51 1.5
-5
5
时间t
调制信号的时域图
050010001500 -5000
5000
时间t
含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图
00.51 1.5
-20
20
时间t
含小信噪比高斯白噪声解调信号的时域图
图2.8 含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图
2
σ
=
N
10
2
2
10
2
B
A
?
=
σ
)
(
log
10
10
N
S
B=
0.51
1.5
-5
5时间t
调制信号的时域图
500
1000
1500
-5000
5000
时间t
含大信噪比高斯白噪声已调信号的时域图
-5
05时间t
含大信
噪比高斯白噪声解调信号的时域图
图2.9 含大信噪比高斯白噪声已调信号的时域图
从前面可知，调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM 系统的主要解调方式，所以这里仅仅讨论非相干解调系统的抗噪声性能，其分析模型如图2.10所示。
图2.10 调频系统抗噪声性能分析模型
图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。()n t 是均值为零，单边功率谱密度为0n 的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声()i n t 。限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。
设调频信号为
(2.16)
故其输入功率为
(2.17)
输入噪声功率为
(2.18)
因此输入信噪比为
(2.19)
)
)(cos()(ττωd m K t A t S t
f c FM ?∞
-+=22
A
S i =FM o i B n N =FM
i
i B A
N S 22
=
在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来算，这里，我们可以得到解调器的输出信噪比
(2.20)
上式中，A 为载波的振幅，f K 为调频器灵敏度，m f 为调制信号()m t 的最高频率，o n 为噪声单边功率谱密度。
我们如若考虑()m t 为单一频率余弦波时的情况，可得到解调器的制度增益为
(2.21)
考虑在宽带调频时，信号带宽为
(2.22) 则可以得到
(2.23)
可以看出，大信噪比时宽带调频系统的信噪比增益是很高的，它与调频指数的立方成正比。可见，加大调频指数f m ，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。
3
22
22
8)
(3m o f
o
o f n t m K
A N S π=m
f
FM f n A
m
N S N S G 02
2i
i 002
23==
)(2)1
(2m m f FM f f f m B +?=+=)1(32
+=f f FM m m G
3 FM的仿真实现与分析
3.1 未加噪声的FM解调实现
（1）参数设置
Fs=1000；Fc=200；
是对信号参数的设置，采样频率为1000Hz，载波频率为200Hz，通常在此参数设置中遵循一个规律，即Fs ≥2Fc，而1000Hz与200Hz 的选择也正是遵循了此规律。
（2）原始时域信号输出
X=sin(2*pi*10*t)；
此语句是对原始信号的一个设定，在此表达式中可以看出，信号是频率为10Hz的正弦波信号，经过Matlab语言编程输出原始时域波形如图3.2，在此用语句xlabel('t(s)')；ylabel('x')；设置横坐标为t(s)，纵坐标为x。用语句title('未调制时域信号')；设置标题为未调制时域信号。用语句axis([0 1 -1 1])；设置横轴纵轴的取值范围分别为[0 1]，[ -1 1]。
图3.2 基带信号
（3）原始频域频谱输出
a=fft(x,1024)；plot(abs(a))；
此语句是对原始时域信号进行傅立叶变换，从而得到它的频谱图，频谱图截图如图3.2，在此，我们也看到了FM的时域波形与频域频谱是互为傅立叶变换的。a=fft(x,1024);
plot(abs(a))；是对Matlab里边的函数进行调用，在Matlab语言中提供我们大量现有的库函数，这些函数可以直接的调用，不需要自己在自行编程。掌握了库函数的调用对于我们来说具有重大的意义，在Matlab编程中有了很大的方便。
（4）FM解调时域波形输出
y=modulate(x,Fc,Fs,' FM')；z=demod(y,Fc,Fs,' FM')；
第一条语句y=modulate(x,Fc,Fs,' FM')是对原始信号进行调制，因为解调的前提是对调制后的信号进行解调，故先将原始信号调制，而第二条语z=demod(y,Fc,Fs,' FM')；则是对调制后的信号进行解调，这两个函数均是Matlab 语言中的原有函数，所以这里直接调用，如果在没有的情况下，就需要自己根据基本公式自行编程。这两个语句只是个样式，内容不是一成不变的，比如里边的“x”和“y”就是个自变量，可以根据自己所定义的任意其它变量替代，运行程序得到解调后时域波形如图3.3。
图3.3 未加噪声解调信号
（5）FM解调频域频谱输出
在对此时域波形进行傅立叶变换，仍然用a=fft(x,1024)；plot(abs(b))；语句进行变换，变换后的结果如图3.3，与原始波形和频谱进行比较，出现了一些失真情况，可能是参数设置有些出入，但波形的形状大体与原来波形一致。
3.2 叠加噪声时的 FM 解调
（1）用Matlab 语言进行噪声叠加
title('Modulated Signal')；k=(norm(y)^2)/length(y)；
s=sqrt(k)/100； noise=s*randn(1,length(y))；r=y+noise ；
以上几个编程语句是实现对调制信号加入噪声，此语句也可以任意改变其信噪比，以实现大小噪声的变换，用此分析大噪声和小噪声对解调的不同影响，由于噪声对相位有影响，又经鉴频器的非线性作用，计算机分析很复杂，因此只考虑两种极端情况，即大信噪比和小信噪比的输入，输出信噪比和调制增益。
（2）输出有噪声时的时域波形（大信噪比） 在大信噪比情况下：
解调器输入端的信号：
(3.1)
解调器输入端的信噪比：
(3.2)
B 为噪声带宽，n0为单边带功率谱密度。
解调器输出端的信噪比：
（单音频情况下） (3.3)
(3.4)
(3.5)
信噪比增益：
FM 信号解调器增益 (3.6)
m f 越大，调制增益G 越大，占用带宽也越宽，表示调频系统的抗噪声性能越好，它是以增加带宽为代价。
用y=modulate(x,Fc,Fs,'fm')；语句对基带信号进行调制，然后绘制出已调信号的时域波形与频域波形，如图
[
]
dt
t m K
t A t S f
c FM )(cos )(?+
=ω截止频率解调器中低通滤波器的最大频偏
调频指数，
m
f f mf ?B
n A
B
n A
N S i
i 02
02
22
=
=t t m m ωcos )(=)
)(
1(32
i
i f f N S m m N S +=m m m F
f f f K m ?=
?=
=
ωω
ω)1(3//2
0+==f f i
i m m N S N
S G
图3.4 已调信号
用z=demod(r,Fc,Fs,' FM')；语句进行对加入噪声后的调制信号进行解调，然后绘制出波形与未加入噪声前进行比较，用理论知识分析其影响，通过Matlab语言编程，运行程序，加入噪声后的时域波形输出如图3.5。
图3.5有噪声解调信号1
（3）输出有噪声时的频域频谱
对输出有噪声时的时域信号进行傅立叶变换，仍然是调用：
a=fft(z,1024)；subplot(224)；plot(abs(a))；语句，变换后输出结果即为有噪声时的频域频谱，结果如图3.5，把以上波形频谱与无噪声波形的频谱进行比较，通过比较，有噪声波形失真更严重，说明噪声对信号的解调有影响，尽管波形失真，波形和频谱大体都与原来保持一致，所以 FM 具有很强的抗噪能力。
（4）改变信噪比再进行解调（小信噪比）
在小信噪比情况下：小信噪比则无单独信号项，存在门限效应。调频解调器的输出与输入信噪比性能与AM 系统比较如图3.6：
0dB
N S 0
图3.6 调频解调器的输出与输入信噪比性能
在相同输入信噪比的情况下，
FM 系统比AM 系统好；但当输入信噪比降低到某一门限时，若继续降低输入信噪比，输出信噪比将急剧变坏，甚至比AM 的性能还要差。
以上为语句s=sqrt(k)/100时的波形及其频谱。现在将语句中100进行改变，变为10，再次重复以上实验，看噪声的改变对结果有无影响，通过程序中的语句改变后输出时域波形结果与频域波形结果如图3.7：
图3.7 有噪声解调信号2
与上边小噪声信号进行比较，就有了些变化，失真情况明显增加，但波形和频谱大体上与原来相同。可以看出，FM的抗噪声性能比较稳定。
自动控制原理课程设计设计题目：基于Matlab的自动控制系统设计与校正
目录 第一章课程设计内容与要求分析.................................................... 错误！未定义书签。 1.1设计内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 1.3 Matlab软件 (2) 1.3.1基本功能 (2) 1.3.2应用 (2) 第二章控制系统程序设计 (4) 2.1 校正装置计算方法 (4) 2.2 课程设计要求计算 (4) 第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析 (6) 3.1校正系统的传递函数 (6) 3.2用Matlab仿真 (6) 3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应 (8) 3.2.1原系统单位阶跃响应 (8) 3.2.2校正后系统单位阶跃响应 (8) 3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较 (8) 3.4硬件设计 (8) 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图 (9) 课程设计心得体会 (10) 参考文献 (12)
1 第一章 课程设计内容与要求分析 1.1设计内容 针对二阶系统 )1()(+= s s K s W ， 利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数 11 )(++-=Ts Ts K s W c c α， 其中 1 3 2R R R K c += ， 1 ) (13243 2>++ =αR R R R R ，C R T 4=， “-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S 断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 1.2 设计要求 1 1.0)(≤∞e ，开环截止频率ω’≥45°； 2 3） 4）设校正装置网络元件参数R4、5R=100K ，C=1μF 、10μF 若干个）； 6）利用Matlab 仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线,并验算设计结果； 7）在Matlab-Simulink 下建立系统仿真模型，求校正前、后系 统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较； 8）利用自动控制原理实验箱完成硬件设计过程，包括：搭建校正前后 c R R
通信系统仿真设计实训报告1.课题名称：基于MATLAB 的QPSK系统仿真设计与实现 学生学号： 学生姓名： 所在班级： 任课教师： 2016年10月25日
目录 1.1QPSK系统的应用背景简介 (3) 1.2 QPSK实验仿真的意义 (3) 1.3 实验平台和实验内容 (3) 1.3.1实验平台 (3) 1.3.2实验内容 (3) 二、系统实现框图和分析 (4) 2.1、QPSK调制部分， (4) 2.2、QPSK解调部分 (5) 三、实验结果及分析 (6) 3.1、理想信道下的仿真 (6) 3.2、高斯信道下的仿真 (7) 3.3、先通过瑞利衰落信道再通过高斯信道的仿真 (8) 总结： (10) 参考文献： (11) 附录 (12)
1.1QPSK系统的应用背景简介 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。在19世纪80年代初期,人们选用恒定包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求,不足之处是其频谱利用率低于线性调制技术。19世纪80年代中期以后,四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。 1.2 QPSK实验仿真的意义 通过完成设计内容，复习QPSK调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法。了解QPSK的实现方法及数学原理。并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。 理解QPSK调制解调的基本原理，并使用MATLAB编程实现QPSK信号在高斯信道和瑞利衰落信道下传输，以及该方式的误码率测试。复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。在完成要求任务的条件下，尝试优化程序。 通过本次实验，除了和队友培养了默契学到了知识之外，还可以将次实验作为一种推广，让更多的学生来深入一层的了解QPSK以至其他调制方式的原理和实现方法。可以方便学生进行测试和对比。足不出户便可以做实验。 1.3 实验平台和实验内容 1.3.1实验平台 本实验是基于Matlab的软件仿真，只需PC机上安装MATLAB 6.0或者以上版本即可。 （本实验附带基于Matlab Simulink （模块化）仿真，如需使用必须安装simulink 模块） 1.3.2实验内容 1.构建一个理想信道基本QPSK仿真系统,要求仿真结果有 a.基带输入波形及其功率谱 b.QPSK信号及其功率谱
实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析） 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些？ 2、 如何判断系统稳定性？ 3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法 （一） 四种典型响应 1、 阶跃响应： 阶跃响应常用格式： 1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应： 脉冲函数在数学上的精确定义：0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为：) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = （二） 分析系统稳定性 有以下三种方法： 1、 利用pzmap 绘制连续系统的零极点图； 2、 利用tf2zp 求出系统零极点； 3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 （三） 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.
科技信息 1.引言 控制系统仿真是指以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具对控制系统进行实验和研究的一种方法。利用仿真工具对控制系统进行设计与仿真,可以有效地对比各种控制模型与方案,选取并优化相关控制参数,从而对整个控制系统的性能进行优化与提高,尤其是对于一些新型控制理论与算法的研究,进行系统仿真更是必不可少的。因此，控制系统仿真是应用现代科学手段对控制系统进行科学研究的十分重要的手段之一。 M ATLAB 是由美国MathWorks 公司于1984年推出的专门用于科学、 工程计算和系统仿真的优秀的科技应用软件。在其发展的过程中,不断溶入众多领域的一些专业性理论知识,从而出现了功能强大的MATLAB 配套工具箱,如控制系统工具箱（Control System Toolbox ）、模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)、神经网络工具箱(Neural Network Tool-box),以及图形化的系统模型设计与仿真环境(SIMULINK)。SIMULINK 工具平台的出现,使得控制系统的设计与仿真变得相当容易和直观,成为众多领域中计算机仿真、计算机辅助设计与分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选应用软件。 2.基于MATLAB 的控制系统仿真过程 控制系统仿真过程一般可以分为以下几个阶段：控制系统数学模型的建立、控制系统仿真模型的建立、控制系统仿真程序的编写和控制系统仿真实验及结果分析。 2.1控制系统数学模型的建立数学模型是计算机仿真的基础，是指描述系统内部各物理量（或变量）之间关系的数学表达式。控制系统的数学模型通常是指动态数学模型，自动控制系统最基本的数学模型是输入输出模型，包括时域的微分方程、复数域的传递函数和频率域中的频率特性。除了输入输出模型之外，表示控制系统的数学模型还有状态空间模型、结构图模型等。 2.2控制系统仿真模型的建立 控制系统通常由多个元部件相互连接而成，其中每个元部件都可以用一组微分方程或传递函数来表示。控制系统仿真模型的建立主要与各子系统的仿真模型的连接方式有关，主要有三种基本互联模型：串联、并联和反馈连接。在实际的控制系统中，常常采用混合联接方式，既有串联、并联，还有反馈连接。 2.3控制系统仿真的实现 M ATLAB 控制系统工具箱提供了大量的命令用于实现控制系统的仿真，包括模型创建命令、模型变换命令、模型简化命令、模型实现命令、模型特性命令、时域响应命令、频域响应命令等，这些命令涵盖了单变量和多变量控制系统分析、设计的各个方面。其输入方法分别为在SIM ULINK 环境下用仿真模块建模和在命令窗口用仿真命令编程两种方法进行仿真，然后运行仿真系统得到单位阶跃响应图，并根据单位阶跃响应图分析控制系统的动态性能指标，从而评价控制系统性能的优劣。 3.基于MATLAB 的控制系统仿真实例例如，一控制系统由5个子系统组成，其组成结构如图1所示。各 子系统的传递函数分别为：G 1(s)=s 2 +5s+12s 2+15s+6;G 2(s)=4(s+6)(s+2)(s+20) ;G 3(s)= 10;G 4 (s)=s+1;H(s)=0.1。 首先，在SIMULINK 环境下建立控制系统仿真模型，即将所需的仿 真模块按题中的要求连接起来，如图2所示， 并按要求设置好相应的参数，然后运行仿真得到单位阶跃响应图如图3所示。 图1控制系统的结构图 图2控制系统的仿真模型 图3控制系统的阶跃响应 从控制系统的单位阶跃响应曲线可以看出，其超调量为0.32s ，峰值时间为0.8s ，调节时间为3.2s 。 4.结束语 通过M ATLAB 的动态仿真工具箱SIMULINK ，可以方便、快捷地构造各种控制系统的仿真模型，并能直观地观察到其控制性能，是控制系统优化设计的有力工具。 参考文献［1］曹志国,廉小亲.基于MATLAB 的两种模糊控制系统的仿真方法［J ］.计算机仿真，2004（3）:41-44 ［2］张葛祥，李娜.MATLAB 仿真技术与应用［M ］.北京：清华大学出版社，2003 ［3］来长胜,陈凤兰.基于MATLAB 的控制系统仿真教学研究［J ］.机械工程与自动化,2010（2）:189-190 ［4］黄伟忠.单级倒立摆FUZZY-PD 控制系统的建模与仿真［J ］.计算机应用技术，2009（2）：40-43 基金项目：本文系海南省教育厅高等学校科学研究项目（Hj2009-134），琼州学院青年教师科研基金项目（QY200913）。 作者简介：孙志雄（1974-），男，副教授，主要研究方向为电子与通信技术。林雄（1962-），男，教授，主要研究方向为神经网络和模糊系统。 基于MATLAB 的控制系统仿真 琼州学院电子信息工程学院 孙志雄 林雄 ［摘要］本文介绍了MATLAB 语言和控制系统工具箱（Control System Toolbox ）以及如何在SIMULINK 环境下构造控制系统的仿 真模型，并通过实例介绍了控制系统仿真的过程。［关键词］控制系统MATLAB 仿真博士·专家论坛 429——
基于MATLAB的QPSK通信系统仿真设计 摘要 随着移动通信技术的发展，以前在数字通信系统中采用FSK、ASK、PSK 等调制方式，逐渐被许多优秀的调制技术所替代。本文主要介绍了QPSK调制与解调的实现原理框图，用MATLAB软件中的SIMULINK仿真功能对QPSK调制与解调这一过程如何建立仿真模型，通过对仿真模型的运行，得到信号在QPSK 调制与解调过程中的信号时域变化图。通过该软件实现方式，可以大大提高设计的灵活性，节约设计时间，提高设计效率，从而缩小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。 关键词 QPSK，数字通信，调制，解调，SIMULINK -I-
Abstract As mobile communications technology, and previously in the adoption of digital cellular system, ASK, FSK PSK modulation, etc. Gradually been many excellent mod ulation technology substitution, where four phase-shift keying QPSK technology is a wireless communications technology in a binary modulation method. This article prim arily describes QPSK modulation and demodulation of the implementation of the prin ciple of block diagrams, focuses on the MATLAB SIMULINK software emulation in on QPSK modulation and demodulation the process how to build a simulation model, through the operation of simulation model, I get signal in QPSK modulation and dem odulation adjustment process domain change figure. The software implementation, ca n dramatically improve the design flexibility, saving design time, increase efficiency, design to reduce the workload of hardware circuit design, and shorten the developmen t cycle. Keywords QPSK, Digital Communication,modulation,demodulation,SIMULINK -II-
增量式PID 控制算法的MATLAB 仿真 PID 控制的原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 一、 题目：用增量式PID 控制传递函数为G(s)的被控对象 G （s ）=5/(s^2+2s+10), 用增量式PID 控制算法编写仿真程序（输入分别为单位阶跃、正弦信号，采样时间为1ms ，控制器输出限幅：[-5,5],仿真曲线包括系统输出及误差曲线，并加上注释、图例）。程序如下 二、 增量式PID 原理 { U(k)= ?u(k)+ U(k-1) 或 { U(k)= ?u(k)+ U(k-1) 注：U(k)才是PID 控制器的输出 三、 分析过程 1、对G(s)进行离散化即进行Z 变换得到Z 传递函数G(Z)； 2、分子分母除以z 的最高次数即除以z 的最高次得到； )]}2()1(2)([)()]1()({[)(-+--++ --=?n n n T T n T T n n K n U D I P O εεεεεε)] 2()1(2)([)(i )]1()([)(-+--++--=?n n n Kd n K n n K n U P O εεεεεε
摘要 水箱和换热器是过程控制中的典型对象，本设计主要以水箱液位控制系统和换热器温度控制系统为例，通过建立数学模型，确定对象的传递函数。利用Matlab的Simulink 软件包对系统进行了仿真研究，并对仿真结果进行了深入的分析。 在水箱液位控制系统中，通过建立数学模型以及实验中对实验数据的分析，分别确定了单容、双容、三容水箱对象的传递函数。在simulink软件包中建立了各系统的仿真模型。通过对仿真曲线的研究，分析了控制器参数对系统过渡过程的影响。 在换热器温度控制系统中，根据自动控制系统工艺过程，利用降阶法确定了对象的传递函数。在软件包Simulink中搭建了单回路、串级、前馈—反馈控制系统模型，分别采用常规的PID、实际PID和Smith预估器对系统进行了仿真研究，通过仿真曲线的比较，分析了各种控制系统的特点。 关键词：过程控制；MATLAB；仿真；水箱；换热器
Simulation and Research of Process Contro1 System Based on MATLAB Abstract Water tank and Heat exchanger are typical object in the process control in the design,The control system of tank level and heat interchange is used as an example.The transfer function object is defined by setting up the mathematical model.I carry on simulation research on the system by using Matlab’s simulink simulation.and deeply analyze the result of the simulation. In the system, which control the level of the tank. The transfer function of a single-tank, double-tank, three-tank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. Simulation model of all system set up simulink simulation. The effect that controller parameter composes on the system is analyzed through the research on the simulation cuvers. In the control system of heat inter change. The design uses reduction method and defines the transfer function of the object.according to the technical process in the automatic system.The control system model of single loop, cascade, feed forward-feedback is established. Simulation research on there system is carried on through using conventional PID, the actual PID and Smith predictor , While the characteristics those control system are compared. Key words: Process Control; Matlab;Simulation; Water tanks; Heat exchanger
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 第一章概述 (1) 第二章QPSK通信系统原理与仿真 (1) 2.1 QPSK系统框图介绍 (1) 2.2QPSK信号的调制原理 (2) 2.2.1QPSK信号产生方法 (2) 2.2.2QPSK星座图 (2) 2.3QPSK解调原理及误码率分析 (3) 2.3.1QPSK解调方法 (3) 2.3.2QPSK系统误码率 (3) 2.4QPSK信号在AWGN信道下仿真 (4) 第三章BPSK通信系统原理与仿真 (4) 3.1BPSK信号的调制原理 (4) 3.2BPSK解调原理及误码率分析 (4) 第四章QPSK与BPSK性能比较 (5) 4.1QPSK与BPSK在多信道下比较仿真 (5) 4.1.1纵向比较分析 (5) 4.1.2横向比较分析 (7) 4.2仿真结果分析 (7) 4.2.1误码率分析 (7) 4.2.2频带利用率比较 (7) 附录 (8) 代码1 (8) 代码2 (8) 代码3 (10) 代码4 (12)
┊ ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 第一章概述 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。它以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点，广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接人、移动通信及有线电视系统之中。 BPSK是英文Binary Phase Shift Keying的缩略语简称，意为二相相移键控，是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。它使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。 本文所研究的QPSK系统与二进制的BPSK系统相比，具有以下特点: 1.在传码率相同的情况下，四进制数字调制系统的信息速率是二进制系统的2倍。 2.在相同信息速率条件下，四进制数字调制系统的传码率是二进制系统的1/4倍，这一特 点使得四进制码元宽度是二进制码元宽度的2倍，码元宽度的加大，可增加每个码元的 能量，也可减小码间串扰的影响。 3.由于四进制码元速率比二进制的降低，所需信道带宽减小。 4.在接收系统输入信噪比相同的条件下，四进制数字调制系统的误码率要高于二进制系 统。 5.四进制数字调制系统较二进制系统复杂，常在信息速率要求较高的场合。 基于以上优点，在数字信号的调制方式中QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单，因而被WCDMA和CDMA2000等第三代移动通信系统采用。 第二章QPSK通信系统原理与仿真 2.1 QPSK系统框图介绍 在图2.1的系统中，发送方，QPSK数据源采用随机生成，信源编码采用差分编码，编码后的信号经QPSK调制器，经由发送滤波器进入传输信道。 接收方，信号首先经过相位旋转，再经匹配滤波器解调，经阈值比较得到未解码的接收信号，差分译码后得到接收信号，与信源发送信号相比较，由此得到系统误码率，同时计算系统误码率的理论值，将系统值与理论值进行比较。 对于信道，这里选取的是加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise）以及多径Rayleigh
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid
淮海工学院课程设计报告书 课程名称：通信系统的计算机仿真设计 题目：QPSK通信系统性能分析 与MATLAB仿真 学院：电子工程学院 学期：2013-2014-2 专业班级： 姓名： 学号： 评语： 成绩： 签名： 日期：
QPSK通信系统性能分析与MATLAB仿真 1 绪论 1.1 研究背景与研究意义 数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统,频带传输系统也叫数字调制系统,该系统对基带信号进行调制,使其频谱搬移到适合在信道(一般为带通信道)上传输的频带上。数字调制和模拟调制一样都是正弦波调制,即被调制信号都为高频正弦波。数字调制信号又称为键控信号,数字调制过程中处理的是数字信号,而载波有振幅、频率和相位3个变量,且二进制的信号只有高低电平两个逻辑量即1和0,所以调制的过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制,最基本的方法有3种:正交幅度调制(QAM) 、频移键控( FSK) 、相移键控( PSK) 。根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制(M进制) 。 本实验采用QPSK。QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。在19世纪80年代初期人们选用恒定包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求不足之处是其频谱利用率低于线性调制技术。19世纪80年代中期以后四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。 1.2 课程设计的目的和任务 目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。 课程设计的任务是： (1)掌握一般通信系统设计的过程，步骤，要求，工作内容及设计方法，掌握用计算机仿真通信系统的方法。 (2)训练学生网络设计能力。 (3)训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。1.3 可行性分析 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。在19世纪80年代初期,人们选用恒定包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求,不足之处是其频谱利用率低于线性调制技术。19世纪80年代中期以后,
课程设计报告 题目某温度控制系统的MATLAB仿真（题目C）
过程控制课程设计任务书 题目C ：某温度控制系统的MATLAB 仿真 一、 系统概况： 设某温度控制系统方块图如图： 图中G c (s)、G v (s)、G o (s)、G m (s)、分别为调节器、执行器、过程对象及温度变送器的传递函数；，且电动温度变送器测量范围（量程）为50～100O C 、输出信号为4～20mA 。G f (s)为干扰通道的传递函数。 二、系统参数 二、 要求： 1、分别建立仿真结构图，进行以下仿真，并求出主要性能指标： (1)控制器为比例控制，其比例度分别为δ＝10％、20％、50％、100％、200％时，系统广义对象输出z(t)的过渡过程； (2)控制器为比例积分控制，其比例度δ＝20％，积分时间分别为T I ＝1min 、3min 、5min 、10min 时，z(t)的过渡过程； 0m v o 0f o o =5min =2.5min =1.5(kg/min)/mA =5.4C/(kg/min) =0.8 C C T T K K K x(t)=80f(t)=10； ；；； ；给定值； 阶跃扰动
(3)控制器为比例积分微分控制，其比例度δ＝10％，积分时间T I＝5min，微分时间T D = 0.2min时，z(t)的过渡过程。 2、对以上仿真结果进行分析比对，得出结论。 3、撰写设计报告。 注：调节器比例带δ的说明 比例控制规律的输出p(t)与输入偏差信号e(t)之间的关系为 式中，K c叫作控制器的比例系数。 在过程控制仪表中，一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ定义为 式中，(z max-z min)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(p max-p min)为控制器输出信号的变化范围。 = c p(t)K e(t) max min ( ) =100% ) max min e z z p(p-p δ - ?
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 武汉科技大学 智能控制系统 学院：信息科学与工程学院 专业：控制理论与控制工程 学号： 姓名：李倩
基于MATLAB的智能控制系统的介绍与设计实例 摘要 现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法己不能满控制的要求。智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。MATLAB是现今流行的一种高性能数值计算和图形显示的科学和工程计算软件。本文首先介绍了智能控制的一些基本理论知识，在这些理论知识的基础之上通过列举倒立摆控制的具体实例，结合matlab对智能控制技术进行了深入的研究。 第一章引言 自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量能自动地按照预定的规律变化。它是介于许多学科之间的综合应用学科，物理学、数学、力学、电子学、生物学等是该学科的重要基础。自动控制系统的实例最早出现于美国，用于工厂的生产过程控制。美国数学家维纳在20世纪40年代创立了“控制论”。伴随着计算机出现，自动控制系统的研究和使用获得了很快的发展。在控制技术发展的过程中，待求解的控制问题变得越来越复杂，控制品质要求越来越高。这就要求必须分析和设计相应越来越复杂的控制系统。智能控制系统(ICS)是复杂性急剧增加了的控制系统。它是由控制问题的复杂性急剧增加而带来的结果，其采用了当今其他学科的一些先进研究成果，其根本目的在于求解复杂的控制问题。近年来，ICS引起了人们广泛的兴趣，它体现了众多学科前沿研究的高度交叉和综合。 作为一个复杂的智能计算机控制系统，在其建立投入使用前，必要首先进行仿真实验和分析。计算机仿真(Compeer Simulation)又称计算机模拟(Computer Analogy)或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在计算机上对该仿真模型
通信系统仿真设计实训报告1.课题名称：基于 MATLAB 的QPSK系统仿真设计与实现 学生学号： 学生： 所在班级： 任课教师： 2016年 10月25日
目录 1.1QPSK系统的应用背景简介 (3) 1.2 QPSK实验仿真的意义 (3) 1.3 实验平台和实验容 (3) 1.3.1实验平台 (3) 1.3.2实验容 (3) 二、系统实现框图和分析 (4) 2.1、QPSK调制部分， (4) 2.2、QPSK解调部分 (5) 三、实验结果及分析 (6) 3.1、理想信道下的仿真 (6) 3.2、高斯信道下的仿真 (7) 3.3、先通过瑞利衰落信道再通过高斯信道的仿真 (8) 总结： (10) 参考文献： (11) 附录 (12)
1.1QPSK系统的应用背景简介 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。在19世纪80年代初期,人们选用恒定包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求,不足之处是其频谱利用率低于线性调制技术。19世纪80年代中期以后,四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。 1.2 QPSK实验仿真的意义 通过完成设计容，复习QPSK调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法。了解QPSK的实现方法及数学原理。并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。 理解QPSK调制解调的基本原理，并使用MATLAB编程实现QPSK信号在高斯信道和瑞利衰落信道下传输，以及该方式的误码率测试。复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。在完成要求任务的条件下，尝试优化程序。 通过本次实验，除了和队友培养了默契学到了知识之外，还可以将次实验作为一种推广，让更多的学生来深入一层的了解QPSK以至其他调制方式的原理和实现方法。可以方便学生进行测试和对比。足不出户便可以做实验。 1.3 实验平台和实验容 1.3.1实验平台 本实验是基于Matlab的软件仿真，只需PC机上安装MATLAB 6.0或者以上版本即可。 （本实验附带基于Matlab Simulink （模块化）仿真，如需使用必须安装simulink 模块） 1.3.2实验容 1.构建一个理想信道基本QPSK仿真系统,要求仿真结果有 a.基带输入波形及其功率谱 b.QPSK信号及其功率谱
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
基于MATLAB的PID 控制器设计
基于MATLAB的PID 控制器设计 一、PID控制简介 PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。 积分作用:可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。 微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。 所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e（t）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u（t），送给对象模型加以控制。 PID控制器的数学描述为 其传递函数可表示为: 从根本上讲, 设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。 二、MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。 1、PID控制器的Ziegler-Nichols参数整定 在实际的过程控制系统中, 有大量的对象模型可以近似地由一阶模型 来表示。这个对象模型可以表示为 sL - e sT 1 K G(s) + = 如果不能建立起系统的物理模型, 可通过试验测取对象模型的阶跃响应, 从而得到模型参数。当然, 我们也可在已知对象模型的情况下, 利用MATLAB，通过使用step ( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中, 可获取K 、L 和T参数, 也可在MATLAB中由dcgain ( ) 函数求取 K值。