Simulink仿真应用.ppt

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1、SimulinkSimulink仿真及应用仿真及应用 Simulink Simulink Simulink Simulink 仿真简介仿真简介仿真简介仿真简介 Simulink Simulink Simulink Simulink的基本模块介绍的基本模块介绍的基本模块介绍的基本模块介绍 Simulink Simulink Simulink Simulink在通信系统中的应用在通信系统中的应用在通信系统中的应用在通信系统中的应用lSIMULINKSIMULINK快速入门快速入门n n在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模

2、软件，则很难准确地把一个控制系统的复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。杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。19901990年，年，Math WorksMath Works软件公司为软件公司为MATLABMATLAB提供了新的控制系提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULABSIMULAB，该工具很，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了模型化图形组态阶段

3、。但因其名字与当时比较著名的软件件SIMULASIMULA类似，所以类似，所以19921992年正式将该软件更名为年正式将该软件更名为SIMULINKSIMULINK。n nSIMULINKSIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。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：顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：SimuSimu（仿真）和（仿真）和LinkLink（连接），（连接），即该软件可以利用系统提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供的各种功能模块并通过信号线连接各个模块从而创建

4、出所需要的控制系统模型，然后利用所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINKSIMULINK提供的功能提供的功能来对系统进行仿真和分析。来对系统进行仿真和分析。3 3 3 3 SimulinkSimulink是是MATLABMATLAB中一个建立系统方框图和基于方框图级的系统中一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个用来对仿真环境，是一个用来对动态系统动态系统进行进行建模、仿真和分析建模、仿真和分析的软件包。的软件包。l Simulink Simulink的特点的特点 使用使用SimulinkSimulink可以方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间可以方便地对系统进行可视

5、化建模，并进行基于时间流的系统仿真，使得流的系统仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图仿真系统建模与工程中的方框图统一起来。统一起来。仿真结果可近乎仿真结果可近乎“实时实时”地通过可视化模块，如示波器模块、频谱地通过可视化模块，如示波器模块、频谱仪模块以及数据输入输出模块等仪模块以及数据输入输出模块等显示显示出来，大大方便了系统仿真工作。出来，大大方便了系统仿真工作。4 4 4 4 Simulink 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。地建立起系统框图模型，甚至不需要编

6、写一行代码。Simulink 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。内部的实施细节，大大方便了复杂大系统的建模。Simulink Simulink全方位支持全方位支持动态系统的建模仿真动态系统的建模仿真，支持连续系统、离散系，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、时变系统的建模仿统、连续离散混合系统、非线性系统、时不变系统、

7、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，真，也支持具有多采样速率的多速率系统。对通用仿真领域，SimulinkSimulink无所不包。无所不包。n n SIMULINKSIMULINK是目前控制工程界的通用软件，而是目前控制工程界的通用软件，而且在许多其他的领域，如且在许多其他的领域，如通信、信号处理、控制、通信、信号处理、控制、电力、金融、生物系统电力、金融、生物系统等，也获得重要应用。对等，也获得重要应用。对于于电子信息类电子信息类专业的学生来说，无论是学习专业专业的学生来说，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，掌课程或者相关课程设计还是在

8、今后的工作中，掌握握SIMULINKSIMULINK，就等于是有了一把利器。，就等于是有了一把利器。1.1.SimulinkSimulink的启动的启动n nSimulinkSimulink是是基基于于MATLABMATLAB环环境境之之上上的的高高性性能能的的系系统统级级仿仿真真设设计计平平台台，因因此此启启动动SimulinkSimulink之之前前必必须须首首先先运运行行MATLABMATLAB，然然后后才才能能启启动动SimulinkSimulink并并建立系统模型。启动建立系统模型。启动SimulinkSimulink有两种方式有两种方式：n n(1)(1)用用命命令令行行方方式式启

9、启动动SimulinkSimulink。即即在在MATLABMATLAB的的命令窗口中直接键入如下命令命令窗口中直接键入如下命令：simulinksimulink(2)2)使使用用工工具具栏栏按按钮钮启启动动SimulinkSimulink。即即用用鼠鼠标标单单击击MATLABMATLAB工工具具栏栏中中的的SimulinkSimulink按按钮钮。启启动动SimulinkSimulink，建立系统模型，其相应的基本操作如图，建立系统模型，其相应的基本操作如图3.13.1所示。所示。2.SIMULINK2.SIMULINK的模块库的模块库nSimulink的模块库有两部分组成：基本模块和各种应

10、用工具箱。基本的基本的simulink的模块的模块常常用用模模块块各领域各领域内的工内的工具箱具箱Simulink的基本模块按功能进行分类，包括以下子库：nContinuous（连续系统模块）nDiscrete（离散系统模块）nFunction&Tables（函数和平台模块）nMath（数学运算模块）nNonlinear（非线性模块）nSignals&Systems（信号和系统模块）nSinks（接收器模块）nSources（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）功能模块名功能简介模块名功能简介Integrator输入信号积分

11、Derivative输入信号微分State-Space线性状态空间系统模型TransportDelay输入信号延时一个固定时间再输出Transfer-Fcn 线性传递函数模型VariableTransportDelay输入信号延时一个可变时间再输出Zero-Pole以零极点表示的传递函数模型表表2：接收器模块（：接收器模块（Sinks）功能）功能模块名功能简介Scope示波器ToWorkspace 输出到MATLAB的工作空间Display实时的数值显示XYGraph显示二维图形ToFile(.mat)输出到数据文件StopSimulation输入非0时停止仿真表8：输入源模块（Sources

12、）功能 系统提供的应用工具箱有：系统提供的应用工具箱有：Communications Blockset（通信模块集）（通信模块集）Control System Toolbox（控制系统工具（控制系统工具箱）箱）Dials&Gauges Blockset（面板和仪表（面板和仪表模块集）模块集）DSP Blockset（数字信号处理模块集）（数字信号处理模块集）Fuzzy Logic Toolbox（模糊逻辑工具箱）（模糊逻辑工具箱）NCD Blockset（非线性控制设计模块集）（非线性控制设计模块集）Neural Network Blockset（神经网络模（神经网络模块集）块集）RF Blo

13、ckset（射频模块集）射频模块集）Power System Blockset（电力系统模块（电力系统模块集）集）Real-Time Windows Target（实时窗口（实时窗口目标库）目标库）Real-Time Workshop（实时工作空间库）（实时工作空间库）Stateflow（状态流程库）（状态流程库）Simulink Extras（Simulink附加库）附加库）System ID Blockset（系统辨识模块集）（系统辨识模块集）141414143.Simulink3.Simulink建模和仿真介绍建模和仿真介绍创建创建SimulinkSimulink模型模型通常，用户创建的

14、通常，用户创建的SimulinkSimulink模型包含下列三部分模型包含下列三部分“组件组件”：n n 输入信号源（输入信号源（SourcesSources）：可以是常数、时钟、白噪：可以是常数、时钟、白噪声、正弦波、阶梯波、扫频信号、脉冲生成器、随机数产声、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；生器等信号源或者是用户自定义的信号；n n 系统（系统（SystemSystem）：）：即被模拟系统的即被模拟系统的 SIMULINK SIMULINK 方框图；方框图；系统模块作为中心模块是系统模块作为中心模块是SimulinkSimulink仿真建模所

15、要解决的主仿真建模所要解决的主要部分。要部分。n n 接收器（即输出、显示部分接收器（即输出、显示部分SinkSink）：）：可以是示波器、可以是示波器、图形记录仪（图形记录仪（XY GraphXY Graph）等。）等。16161616l 时间域的测量仪器时间域的测量仪器 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。时的波形。示波器示波器(Scope)(Scope)例如，观察例如，观察1G

16、Hz正弦波所需要的示波器在一般实验室并不常见，但正弦波所需要的示波器在一般实验室并不常见，但正确应用示波器正确应用示波器(Scope)模块，可以观察任意频率的信号。模块，可以观察任意频率的信号。17171717 用示波器观察用示波器观察1GHz1GHz正弦波的仿真系统如左图所示，其中正弦波信号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。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18181818 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19191919仿真中示波器的两个关键参数

17、为：仿真中示波器的两个关键参数为：1)1)时间范围时间范围 (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，自然需要短的时窗号，自然需要短的时窗(高的扫描速度高的扫描速度 )，信号关于时间快速变化的特性，信号关于时间快速变化的特性 才能得以展现。对才能得以展现。对1GHz的正弦信号一个周期为的正弦信号一个周期为110-9s，时间范围设置，时间范围设置 为为5e-9(510-9s)，正好显示五个完整的正弦波。，正好显示五个完整的正弦波。2)2)取样时间取样时间 (Sample time)通常为了还原

18、出正弦波形，一个周期内通常为了还原出正弦波形，一个周期内至少有至少有20个取样点个取样点，这里取，这里取 为为2e-11s，即一个周期用，即一个周期用50个点个点来描述。来描述。20202020仿真结果显示如下图所示。仿真结果显示如下图所示。1GHz正弦波仿真显示结果Scope_1GHzSine.mdlScope_1GHzSine.mdl21212121 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

19、及信号的微分和积分运算结果。以及信号的微分和积分运算结果。l 微积分微积分仿真系统框图仿真结果DerivativeIntegrator.mdlDerivativeIntegrator.mdlSimulink在通信系统中的应用实例n n以模拟调制AM为例,通过Simulink实现：n n（1）AM调幅波n n（2）AM解调n n A.相干解调n n B.包络检波n n已知调制信号Vp-p=1V f=10HZn n 载波信号Vp-p=1V f=100HZn n（1）AM调制实现模型n n注意：注意：调制信号、载波信号及示波器参数设置调制信号、载波信号及示波器参数设置调制信号、载波信号及示波器参数设

20、置调制信号、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（加噪声）仿真结果（不加噪声）复习n n1.AM、DSB、SSB调制的原理n n2.AM、DSB、SSB解调的原理n n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载波信号载波信号调制信号调制信号已调信号已调信号解调后波形解调后波形调制信号：调制信号：需要传输的原始信号。需要传输的原始信号。语言、音乐、图象、电码等。语言、音乐、图象、电码等。语言、音乐、图象、电码等。语言、

21、音乐、图象、电码等。载波信号：载波信号：等幅高频振荡信号。等幅高频振荡信号。正弦波、方波、三角波等。正弦波、方波、三角波等。正弦波、方波、三角波等。正弦波、方波、三角波等。已调信号：已调信号：经过调制后的高频信号（射频信号）。经过调制后的高频信号（射频信号）。调调 制：制：用调制信号控制载波信号某个参量的过程。用调制信号控制载波信号某个参量的过程。解解 调：调：调制的逆过程，从已调波中将原调制信号调制的逆过程，从已调波中将原调制信号 恢复出来。恢复出来。1.AM1.AM调制的原理调制的原理调制方式：调制方式：1.振幅调制：调制信号控制载波振幅，使已调信号的振幅调制：调制信号控制载波振幅，使已调

22、信号的 振幅随调制信号线性变化。振幅随调制信号线性变化。2.频率调制：调制信号控制载波频率，使已调信号的频率调制：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。频率随调制信号线性变化。3.相位调制：调制信号控制载波相位，使已调信号的相位调制：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。相位随调制信号线性变化。解调方式：解调方式：1.振幅检波：振幅调制的逆过程振幅检波：振幅调制的逆过程2.鉴鉴 频：调频的逆过程频：调频的逆过程3.鉴鉴 相：调相的逆过程相：调相的逆过程调幅波的性质调幅波的性质一、一、AM调幅波的波形调幅波的波形调制信号：调制信号：v=V cos t载

23、波：载波：v0=V0cos 0t调幅波：调幅波：0v t0v0t0vAMt二、二、AM调幅波的数学表达式调幅波的数学表达式调制信号：调制信号：v=V cos t载波：载波：v0=V0cos 0t调幅波：调幅波：0vAMt理想情况下，调幅波的振幅为：理想情况下，调幅波的振幅为：其中其中ka为比例常数。为比例常数。0VVkmaa=称为调幅指数或调幅度，常用百分数表示。称为调幅指数或调幅度，常用百分数表示。AM调幅波的特点：调幅波的特点：1 1、调幅波的振幅（包络）、调幅波的振幅（包络）的变化规律与调制信号一的变化规律与调制信号一致；而其内部的高频振荡致；而其内部的高频振荡频率与原来的载波相同；频率

24、与原来的载波相同；信息携带在包络上。信息携带在包络上。0v t0v0t0vAMt2、调幅度、调幅度ma：0vAMtVminVmaxV0maV0maV0一般调幅度一般调幅度ma越大，调幅越深：越大，调幅越深：未调幅未调幅最大调幅最大调幅过量调幅，会产生包络失真，经检波过量调幅，会产生包络失真，经检波后，不能恢复原来调制信号的波形，后，不能恢复原来调制信号的波形，实际电路中必须避免。实际电路中必须避免。0vAMt三、三、AM调幅波的频谱调幅波的频谱由单一频率信号调幅由单一频率信号调幅调幅波包含三个频率分量：调幅波包含三个频率分量：载波分量载波分量 0：不含传输信息：不含传输信息上边频分量上边频分量

25、 0+：含传输信息：含传输信息下边频分量下边频分量 0-：含传输信息：含传输信息tVmtVa)cos(21cos0000+=tVma)cos(2100-+0+0-00 1ma/2边频振幅的最大值不能超过载波振幅的二分之一。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：调幅波同样包含三部分频率成分：载波分量载波分量 0：不含传输信息：不含传输信息上边带上边带 0+n：含传输信息含传输信息下边带下边带 0-n：含传输信息含传输信息1)(21cos)cos(2cos0000tmtmtVvnnnnnAM-+=n max 0 0+max 0-max 0 上边带的频谱结构与调制

26、上边带的频谱结构与调制信号的频谱结构相同，下信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。所边带是上边带的镜像。所谓频谱结构相同是指各频谓频谱结构相同是指各频率分量的相对振幅及相对率分量的相对振幅及相对位置没有变化。位置没有变化。AM调制调制是把调制信号的频谱搬移是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程到载频两侧，在搬移过程中频谱的结构不变，属于中频谱的结构不变，属于频谱的线性搬移。频谱的线性搬移。max 0 0+max 0-max 0调幅波的频带宽度等于调制信号最高频率的调幅波的频带宽度等于调制信号最高频率的2倍。倍。例如：设最高调制频率为例如：设最高调制频率为5000Hz，则调幅波的带宽则

27、调幅波的带宽为为10000Hz。为了避免电台之间互相干扰，对不同频段与不同用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广播电台所允许占用的频带宽度为9kHz。B=2 max几种不同制式的调幅波频谱：几种不同制式的调幅波频谱：0 0 0 0 0 AMv DSBSSBVSB二、二、AM调幅波的产生原理框图调幅波的产生原理框图相加器相加器乘法器乘法器v 直流直流v0vAM方法方法1：方法方法2：v 乘法器乘法器相加器相加器v0vAM 2 调幅解调的方法调幅解调的方法 解调是调制的逆

28、过程，是从高频已调信号中恢复出原低频调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。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。原调制信号。检波器通常由三个部分组成：检波器通常由三个部分组成：1）高频信号输入电

29、路。因输入信号都是调幅波，必须由调）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。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。）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）低通滤波器。通常用RC电路，取出原调制频率分量，滤电路，取出原调制频率分量，滤除高频分量。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。的解调方法。包络检波：包络检波：同步检波：同步检波：峰值包络检波峰值包络检波平均包络检波平均包络检波乘积型同步检波乘积型同步检波叠加型同步检

30、波叠加型同步检波解调解调过程过程1、同步检波原理 由于由于DSB、SSB信号的包络不同于原调制信号，不能用包络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，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波同步（即同频同相）。（即同频同相）。同步检波的原理框图：同步检波的原理框图：乘法器乘法器低通滤波器低通滤波器vDSBv v0加法器加法器包络检波器包络检波器vDSBv v0乘积型同乘积型同步检波器步检波器叠加型同叠加型同步检波器步检波器2、包络检波原理 从已调波中检出包络信息，只适用于从已调波中检出包络信息，只适用于AM信号。信号。0vAMt 0-0+0 非线性电路非线性电路低通滤波器低通滤波器vAMv 0v t