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1、Simulink仿真及应用,Simulink 仿真简介 Simulink的基本模块介绍 Simulink在通信系统中的应用,SIMULINK快速入门,在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。SIMU
2、LINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用系统提供的各种功能模块并通过信号线连接各个模块从而创建出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。,3,Simulink是MATLAB中一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。,Simulink的特点,使用Simulink可以方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来。,仿真结果可近乎“实时”地通过
3、可视化模块，如示波器模块、频谱仪模块以及数据输入输出模块等显示出来，大大方便了系统仿真工作。,4,Simulink提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。,Simulink仿真环境附带了许多专业仿真模块库，利用这些模块库可快速建立有关专业领域的系统模型并进行仿真，不需要详细了解各模块内部的实施细节，大大方便了复杂大系统的建模。,Simulink全方位支持动态系统的建模仿真，支持连续系统、离散系统、连续离散混合系统、非线性系统、时不变系统、时变系统的建模仿真，也支持具有多采样速率的多速率系统。对通用仿真领域，Simulink无所不包。,SI
4、MULINK是目前控制工程界的通用软件，而且在许多其他的领域，如通信、信号处理、控制、电力、金融、生物系统等，也获得重要应用。对于电子信息类专业的学生来说，无论是学习专业课程或者相关课程设计还是在今后的工作中，掌握SIMULINK，就等于是有了一把利器。,1.Simulink的启动,Simulink是基于MATLAB环境之上的高性能的系统级仿真设计平台，因此启动Simulink之前必须首先运行MATLAB，然后才能启动Simulink并建立系统模型。启动Simulink有两种方式： (1) 用命令行方式启动Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接键入如下命令： simulink,(2
5、) 使用工具栏按钮启动Simulink。即用鼠标单击MATLAB工具栏中的Simulink按钮。启动Simulink，建立系统模型，其相应的基本操作如图3.1所示。,2.SIMULINK的模块库,Simulink的模块库有两部分组成：基本模块和各种应用工具箱。,基本的simulink的模块,常用模块,各领域内的工具箱,Simulink的基本模块按功能进行分类，包括以下子库：,Continuous（连续系统模块）Discrete（离散系统模块）Function & Tables（函数和平台模块）Math（数学运算模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块
6、）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）,下面列出一些基本模块的功能说明，以供实际使用时查询。表1：连续系统模块（Continuous）功能,表2：接收器模块（Sinks）功能,表8：输入源模块（Sources）功能,系统提供的应用工具箱有：,Communications Blockset（通信模块集） Control System Toolbox（控制系统工具箱）Dials & Gauges Blockset（面板和仪表模块集） DSP Blockset（数字信号处理模块集）Fuzzy Logic Toolbox（模糊逻辑工具箱）NCD Blockset（非线性控制设计模块集）
7、Neural Network Blockset（神经网络模块集）RF Blockset（ 射频模块集）Power System Blockset（电力系统模块集）Real-Time Windows Target（实时窗口目标库）Real-Time Workshop（实时工作空间库）Stateflow（状态流程库）Simulink Extras（ Simulink附加库） System ID Blockset（系统辨识模块集）,14,3.Simulink建模和仿真介绍,创建Simulink模型,通常，用户创建的Simulink模型包含下列三部分“组件”：输入信号源（ Sources）：可以是常数
8、、时钟、白噪声、正弦波、阶梯波、扫频信号、脉冲生成器、随机数产生器等信号源或者是用户自定义的信号；系统（ System）：即被模拟系统的 SIMULINK 方框图；系统模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分。接收器（即输出、显示部分Sink）：可以是示波器、图形记录仪（XY Graph）等。,16,时间域的测量仪器,用计算机仿真的示波器应用的是数字技术，具有脉冲示波器、同步示波器的功能，可以观测单次现象，正确地设置参数后，可以保持结束时的波形。,示波器(Scope),例如，观察1GHz正弦波所需要的示波器在一般实验室并不常见，但正确应用示波器(Scope)模块，可以观察任
9、意频率的信号。,17,用示波器观察1GHz正弦波的仿真系统如左图所示，其中正弦波信号参数设置如右图。,1GHz正弦波显示仿真系统框图,1GHz正弦波信号参数设置,18,示波器参数设置左图，仿真参数设置如右图所示。,示波器参数设置,仿真参数的设置,19,仿真中示波器的两个关键参数为：,时间范围 ( Time range ) 决定了时窗的宽度，相当于示波器的扫描速度开关。频率愈高的信 号，自然需要短的时窗(高的扫描速度 )，信号关于时间快速变化的特性 才能得以展现。对1GHz的正弦信号一个周期为110-9s，时间范围设置 为5e-9 (510-9s)，正好显示五个完整的正弦波。,取样时间 ( Sa
10、mple time ) 通常为了还原出正弦波形，一个周期内至少有20个取样点，这里取 为2e-11s，即一个周期用50个点来描述。,20,仿真结果显示如下图所示。,1GHz正弦波仿真显示结果,Scope_1GHzSine.mdl,21,对信号进行微积分运算的仿真系统框图如左图所示，仿真结果如右图所示。信号发生器输出方波，示波器的三个输入端分别输入方波信号以及信号的微分和积分运算结果。,微积分,仿真系统框图,仿真结果,DerivativeIntegrator.mdl,Simulink在通信系统中的应用实例,以模拟调制AM为例,通过Simulink实现：（1）AM调幅波（2）AM解调 A. 相干解
11、调 B. 包络检波已知调制信号Vp-p=1V f=10HZ 载波信号Vp-p=1V f=100HZ,（1）AM调制实现模型,注意：调制信号、载波信号及示波器参数设置,仿真结果,（2）AM相干解调实现模型（不加噪声）,（2）AM相干解调实现模型（加噪声）,仿真结果（加噪声）,仿真结果（不加噪声）,复习,1.AM、DSB、SSB调制的原理2.AM 、DSB、SSB解调的原理学会用Simulink实现振幅调制仿真分析,作业： 用Simulink实现DSB、SSB调制与解调仿真。扩展：频域分析及噪声影响,调制信号：需要传输的原始信号。语言、音乐、图象、电码等。,载波信号：等幅高频振荡信号。正弦波、方波
12、、三角波等。,已调信号：经过调制后的高频信号（射频信号）。,调 制：用调制信号控制载波信号某个参量的过程。,解 调：调制的逆过程，从已调波中将原调制信号 恢复出来。,1.AM调制的原理,调制方式：振幅调制：调制信号控制载波振幅，使已调信号的 振幅随调制信号线性变化。频率调制：调制信号控制载波频率，使已调信号的 频率随调制信号线性变化。相位调制：调制信号控制载波相位，使已调信号的 相位随调制信号线性变化。,解调方式：振幅检波：振幅调制的逆过程鉴 频：调频的逆过程鉴 相：调相的逆过程,调幅波的性质,一、AM调幅波的波形,调制信号：v= Vcos t,载波：v0= V0cos 0t,调幅波：,二、A
13、M调幅波的数学表达式,调制信号：v= Vcos t,载波：v0= V0cos 0t,调幅波：,理想情况下，调幅波的振幅为：,其中ka为比例常数。,称为调幅指数或调幅度，常用百分数表示。,AM调幅波的特点：,1、调幅波的振幅（包络）的变化规律与调制信号一致；而其内部的高频振荡频率与原来的载波相同；信息携带在包络上。,2、调幅度ma：,一般调幅度ma越大，调幅越深：,未调幅,最大调幅,过量调幅，会产生包络失真，经检波后，不能恢复原来调制信号的波形，实际电路中必须避免。,三、AM调幅波的频谱,由单一频率信号调幅,调幅波包含三个频率分量：,载波分量0：不含传输信息,上边频分量0+：含传输信息,下边频分
14、量0-：含传输信息,边频振幅的最大值不能超过载波振幅的二分之一。,调幅波同样包含三部分频率成分：,上边带的频谱结构与调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。所谓频谱结构相同是指各频率分量的相对振幅及相对位置没有变化。AM调制是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱的结构不变，属于频谱的线性搬移。,调幅波的频带宽度等于调制信号最高频率的2倍。,例如：设最高调制频率为5000Hz，则调幅波的带宽为10000Hz。,为了避免电台之间互相干扰，对不同频段与不同用途的电台所占的频带宽度都有严格的规定。如我国广播电台所允许占用的频带宽度为9kHz。,B=2max,几种不同制式的调幅波频谱：
15、,二、AM调幅波的产生原理框图,方法1：,方法2：,2 调幅解调的方法,解调是调制的逆过程，是从高频已调信号中恢复出原低频调制信号的过程。从频谱上看，解调也是一种信号频谱的线性搬移过程，将已调信号的频谱由高频端搬移到低频端。,检波过程也是要应用非线性器件进行频率变换，首先产生许多新频率，然后通过滤波器，滤除无用频率分量，取出所需要的原调制信号。,检波器通常由三个部分组成：,1）高频信号输入电路。因输入信号都是调幅波，必须由调谐回路来选取。,2）非线性器件。通常用二极管或晶体管工作于非线性状态。,3）低通滤波器。通常用RC电路，取出原调制频率分量，滤除高频分量。,解调过程是与调制过程相对应的，不同的调制方式对应不同的解调方法。,1、同步检波原理,由于DSB、SSB信号的包络不同于原调制信号，不能用包络检波器，只能用同步检波器，但需注意同步检波过程中，为了正常解调，必须恢复载波信号，而且所恢复的载波必须与原调制载波同步（即同频同相）。,同步检波的原理框图：,乘积型同步检波器,叠加型同步检波器,2、包络检波原理,从已调波中检出包络信息，只适用于AM信号。,
