信号发生器的 MATLAB仿真文档格式.docx
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Four,usingSimulinksimulatelinearmodulationsystemsimulation,realizeofthesoftwaredesign,andtestingsystem,finally,makesystemindexdemand.
Keyword:
Signalgenerator;
Linearitymodulationsystem;
MATLABSimulation;
simulink
摘要........................................................................1
ABSTRACT.................................................................2目录........................................................................3第一章绪论................................................................1
1.1论文的立题背景及研究意义...............................................1
1.2MATLAB仿真技术的发展及现状..........................................1
1.3信号发生器的发展及现状.................................................3
1.4论文的主要研究内容.....................................................4
第二章信号发生器的理论部分................................................5
2.1信号发生器分类简介......................................................5
2.2常规信号...............................................................7
2.3本章小结..............................................................10
第三章MATLAB的三种仿真办法.............................................11
3.1仿真基础原理..........................................................11
3.2三种仿真方法的简单实现................................................12
3.3基于Matlab7．0的三种仿真方法比较.....................................15
3.4本章小结.............................................................15
第四章信号发生器的MATLAB仿真实现......................................16
4.1常规信号的Matlab仿真实现..............................................16
4.2线性调制系统Matlab仿真实现...........................................18
4.3AM信号发生的Simulink仿真实现.........................................20
4.4本章小结.............................................................23
结束语.....................................................................24
致谢.......................................................................25
参考文献...................................................................26
第一章绪论
1.1论文的立题背景及研究意义
在现代声纳、雷达等通信系统测试与仿真中都需要高精度的任意的波形信号，任意波形信号的重构技术也是声学和语音信号合成等应用领域中的关键技术之一。
不过声纳、雷达等通信系统研制过程中出于保密和成本等原因不可能长期做大量的外场实验，而更多情况下需要在实验室重构这些具有某一种特征的随机信号，进行系统测试、系统分析与半实物仿真研究。
而且，随着通信技术的发展，通信信号的种类越来越多，随着通信事业的发展，通信网络的数目也越来越多。
如何截获敌方的通信信号，对其进行预测和干扰从而阻碍敌方正常通信，是通信对抗的主要研究内容。
在通信对抗的研究中，为了模拟真实场景，通信信号发生器也是不可或缺的仪器。
而市面上的通信信号发生器价格十分昂贵，功能也比较简单，因此开展任意波形的通信信号的高精度重构方法研究工作，具有重要的理论意义和实用价值。
在生成任意波形时域信号的过程中，分为硬件、软件两种设计方法。
Matlab仿真属于通过软件编程实现。
Matlab是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件。
MATLAB可以行矩阵运算、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。
图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。
与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。
Matlab自带了强大的GUI工具。
Matlab仿真技术的出现也为研究产生任意波形的通信信号提供了有力的技术支持。
任意波形发生器不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，而且还可以利用各种编辑手段，产生传统函数生器所不能产生的真正意义上的任意波形。
如它能模拟诸如编码雷达信号、潜艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及各种各样的神经脉冲之类的波形。
1.2MATLAB仿真技术的发展及现状
1.2.1MATLAB的概况
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。
除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。
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等语言完相同的事情简捷得多。
当前流行的MATLAB7.0/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）。
工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。
功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。
学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。
1.2.2MATLAB产生的历史背景
在70年代中期,CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库,LINPACK是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平.
到70年代后期美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序.在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传。
1983年春天,CleveMoler和CleveMoler,SteveBangert一起,用C语言开发了第二代专业版.这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能.
1984年,CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司,正式把MATLAB推向市场,并继续进行MATLAB的研究和开发.
在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类.一类是数值计算型软件,如MATLAB,Xmath,Gauss等,这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;
另一类是数学分析型软件,Mathematica,Maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解,其缺点是处理大量数据时效率较低.MathWorks公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争,MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位.
时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。
在国外，MATLAB已经经受了多年考验。
在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。
1.2.3MATLAB的语言特点
一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。
MATLAB最突出的特点就是简洁。
MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。
MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。
以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。
1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富2）运算符丰富。
3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。
4）程序限制不严格，程序设计自由度大。
5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
6）MATLAB的图形功能强大。
7）MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。
8）功能强大的工具箱。
9）源程序的开放性。
1.3信号发生器的发展及现状
在七十年代前，函数信号发生器能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。
这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。
同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值;
二是脉冲的占空比不可调节。
在七十年代后，微处理器的出现，可以利用处理器A/D和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。
这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。
信号发生的主要实现方法根据实现思路可以分为模拟式和数字式，根据实现方法可以分为直接法、锁相法、直接数字法和混合法四种。
直接法是优点是速度快，相位噪声底，但结构复杂、杂散多。
锁相法所采用的锁相频率合成技术在近年发展较快，应用也较广泛，但其频率转换速度不快，电路控制复杂，这使得该技术的应用受到了一定的限制。
直接数字法是采用直接数字合成（DDS）的方法实现信号产生。
该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。
在信号发生的几种技术当中，直接数字合成技术出现得最晚，但近年来发展得最快。
随着大规模集成技术和数模混合信号集成技术的发展，单片集成的DDS芯片纷纷出现，在应用领域内大有后来居上的势头。
混合法则是指采用以上方法中的两种及两种以上的方法实现信号发生。
随着现代信息事业的发展，测试对象不断丰富，现代通信系统和电子系统对测试系统提出了越来越高的要求，进而对信号发生器也提出了更高的要求。
我们将当前业内对信号发生部件的要求大致归纳为以下四点:
（1）高频谱纯度、宽频带。
（2）快速和多点频率捷变。
（3）系列化、模块化。
（4）小型化和工程化。
随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。
1.4论文的主要研究内容
研究相关理论，并根据具体实验室的应用，意在设计一个通用的多路任意波形信号发生器，该系统由两部分组成:
本论文围绕第一部分数据处理、信号产生部分设计而展开，基于对Matlab7.0的三种仿真方式介绍引出信号发生器的Matlab应程序设计。
其主要工作如下：
第一章绪论
介绍了本论文的研究背景和立题意义，强调了通信信号发生器的重要性，概述了信号发生器的及MATLAB仿真技术的发展和现状，提出了本文的研究内容，阐述了本文的主要工作。
第二章信号发生器的理论部分
在本章中主要简单介绍了信号发生器的理论以及分类，研究了ASK、PSK、FSK和代县白噪声等常规信号的时频域表达式、调制方法。
为设计通信信号发生器奠定了技术和理论的基础。
为后面用MATLAB实现ASK、PSK、FSK信号奠定了理论基础。
第三章MATLAB的三种仿真办法
本文分析了线性模拟调制的数学模型，采用基于Matlab7．0的三种仿真方法对AM调制进行仿真，以实例阐述了三种仿真方法的特点。
最后，在实例分析的基础上对三种方法进行了简单的比较。
结果表明，三种方法各有优劣，基于Simulink仿真模型能够反映系统的动态工作过程，基于GUI的可视化界面具有很好的演示效果，都为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具，也为通信系统理论的教学和学习提供了有力的工具。
第四章信号发生器的MATLAB仿真实现
介绍了Matlab软件实现的程序编程的情况，重点介绍了信号的软件产生，其中包括ASK、PSK、FSK等信号以及AM、DSB、SSB等信号。
同时用Simulink产生的线性调制系统可以产生AM、DSB、SSB、VSB等线性调制系统的任意波形信号等波形。
第二章信号发生器的理论部分
2.1信号发生器分类简介
信号发生器按输出波形可分为正弦波信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和任意波形发生器等。
按其产生频率的方法又可分为调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器。
调谐信号发生器是由调谐振荡器构成，传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器和统调的调幅放大器（输出放大器）加上一些指示电路构成。
这种信号发生器结构复杂、频率范围窄，而且可靠性、稳定性较差，波形失真比较大。
随着集成电路的迅速发展，高性能的集成电路越来越多，这类信号发生器的性能有所改善。
一般这种信号发生器只能手动来转换量程，不仅体积大，而且可靠性和准确度很难进一步提高，频率准确度一般在0.5%以下。
现代电子测量对信号发生器的频率准确度和稳定度要求越来越高，要求在较宽的频率范围内获得高稳定度和准确度的输出信号。
因此调谐信号发生器己经越来越不能满足现代电子测量的需要。
另外，这类信号发生器只能产生规则波形，如方波、三角波、TTL信号和正弦波。
进行科学试验则对信号发生器的输出波形提出了各种各样的要求，采用纯模拟的方法很难满足实验的要求。
锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号的信号源。
这类信号发生器频率的精度和稳定度很高，但要实现快速和数控比较困难，同时输出信号的频率分辨率较差。
实现高分辨率的信号发生器，采用锁相环来实现有一定的难度，尤其是覆盖低频和高频的信号发生器采用锁相实现比较困难。
合成信号发生器是采用频率合成方法构成的信号发生器。
合成信号发生器中使用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到的，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样，现在绝大多数频率合成技术都使用这种合成方法。
这类信号发生器具有频率稳定度高、分辨率高、输出信号频率范围宽、频率易于实现程序控制、可以实现多种波形输出及频率显示方便等优点。
近10年间，随着微电子技术的迅速发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者。
具体体现在频率范围宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。
传统的模拟信号发生器存在可靠性差、体积大、不能实现数控等缺点。
模拟信号发生器与模拟信号发生器相比，具有很大的优势。
2.2常规信号
通信的根本任务是远距离传递信息，因此如何准确地传输数字信息是数字通信的一个重要组成部分。
在数字传输系统中，其传输对象通常是二元数字信息，它可能来自计算机、电传打字机或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。
设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。
这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。
由于未经调制的电脉冲信号占据的频带通常从直流和低频开始，因此称为数字基带信号。
在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输。
而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的调制传输（或载波传输）。
调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。
其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。
数字信号只有几个离散值，因此调制后的载波参数也只有有限个值，类似于用数字信息控制开关，从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量，为此把数字信号的调制方式称为“键控”。
数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应“幅移键控”（ASK）、“相移键控”（PSK）和“频移键控”（FSK）三种数字调制方式。
除这些基本的以外，还可以采用各种多相位、多振幅和多频率的方案。
但ASK、PSK和FSK这三种数字调制方式仍是最主要和最基本的，所以接下来要对这三种调制技术，以及上面提到的QAM调制技术分别进行介绍。
2.2.1ASK信号
在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化的。
最简单的形式是载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通一断键控（00K）。
（2-1）
其中，A为载波幅度，
为载波频率，
为二进制数字，
（2-2）
当二进制调制信号为1时，调制后信号为正弦波;
当二进制调制信号为0时，调制后信号幅度为0。
在一般情况下，调制信号可以是具有一定波形形状的二进制序列（二元基带信号），即
（2-3）
其中，
为信号间隔，
为调制信号的时间波形，
同上。
二进制幅度键控信号的一般时域表达式为
（2-4）
若二进制序列的功率谱密度为
，二进制幅度键控信号的功率谱密度为
，则有
（2-5）
由此可知二进制幅度键控信号的频谱宽度是二进制基带信号的两倍。
二进制幅度键控的调制器可以用一个相乘器来实现，如图2.1所示，对基带信号和载波进行乘法运算即可得到ZASK信号。
对于通断键控信号来说，相乘器则可以用一个开关电路来代替，调制信号为1时开关电路导通，为0时开关电路切断。
图2.12ASK调制原理图
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