Python模拟调制

分享一下我用Python模拟的AM，PM，FM调制，起因就是刚开始了解调制的时候，有点理解不了，那模拟一下呗，然后就写了一个代码。
代码地址

先放一个AM的演示图

然后看一个程序调用，我不喜欢奇奇怪怪的操作，程序调用要符合操作逻辑：创建信息波和载波，然后生成调制信号波，最后画图。

fig = plt.figure() # 创建画布# 初始化波的参数：频率和幅度
A = 2 # carrier wave amplitude
m = 1  #  m is the amplitude sensitivity
mes_fre = 1 # message wave frequence
car_fre = 10  # carrier  wave frequence # 创建信息波
signal = Signal()
mes_wave = SinWave(fre=mes_fre, Amp=A*m, Phi=0)
information_signal = signal + mes_wave
# 创建载波
carrier_signal = CosWave(fre=car_fre, Amp=A, Phi=0)
# 创建时间轴
time = np.arange(0, 2*np.pi, 0.01)
# 生成调制信号
am_sig = AM(information_signal, carrier_signal, A=A)# 画出动图
ud = UpdateDist(fig, time, information_signal, carrier_signal, am_sig)
ani = animation.FuncAnimation(fig=fig,func=ud,frames=20,interval=100,blit=True)
plt.show()

我比较喜欢模块化应用，我在网上也调研了一部分的模拟代码，发现大多是一次性的工作，基本没有移植性。所以我就按照我的思想写了一个脚本，虽然代码会显得有点臃肿，但是移植性还是蛮不错的。接下来就分享一下我的思路，我不会讲调制的原理，就讲代码的实现方式。

创建大体的框架

1. 构建基本类变量

模拟的是调制，调制也就是两个信号的相互作用。信号也就是波的叠加，简化一下，载波(carrier wave)用单一频率的波表示，信号波(message wave)用波实现简单运算得到。这个时候还有点复杂，波的种类繁多，所以我就只考虑Sin和Cos波。对应到代码构造，我比较喜欢用类编程，于是就有了下面的结构

class Wave：def __init__(self, fre, Amp, Phi):# 定义波的公共属性：幅度、频率、相位pass def __str__(self):# 打印波的信息，方便后期调试pass class SinWave(Wave):# 继承 Wave 类，子类实现 波与波的乘法运算def __init__(self, fre, Amp, Phi, modu_wave=None):super().__init__(fre, Amp, Phi, modu_wave, info='Sin')def __call__(self, t):# 定义调用接口，实现将t带入运算passdef __mul__(self, scalar):# 定义 波与波 之间的乘法运算法则passdef __rmul__(self, scalar):# 也是 实现 波与波的运算 passclass CosWave(Wave):# 构造与 SinWave 类似，不同的只是乘法运算法则不同class Signal:def __init__(self, sig=None):# 初始化 "Signal", 可以是 Wave 也可以是 实数，内部用 list 保存passdef max_fre(self):# 获取 Signal 的最大频率passdef max_Amp(self):# 获取 Signal 的最大幅值passdef __iter__(self):# 使得 Signal 变为可迭代对象，满足 Signal*Wave的运算passdef __add__(self, sig):# Signal 满足加法运算passdef __radd__(self, sig):# Signal 满足加法运算passdef __call__(self, t):# Signal 满足可调用passdef __str__(self):# 打印 Signal 的信息，方便以后调试。pass

2. 完善调制函数

信号Signal和波Wave初始化完成后，需要考虑调制的函数。这里用3个函数表示三种调制就行了

def AM(information_signal, carrier_signal, A):# AM 幅度调制，A 是调幅的参数，参考AM调制的原理passdef PM(information_signal, carrier_signal):# PM 相位调制 passdef FM(information_signal, carrier_signal, h=1):# FM 频率调制，h是调频参数 参考FM调制的原理pass

3. 构建作图函数

创建画图类 UpdateDist

class UpdateDist:# 画动图时候推荐采用类编程，比函数好管理def __init__(self, fig, x, *func_y):# 初始化刚开始的图像显示，我这里初始化了三个波passdef __call__(self, i):# 调用函数，这里的 i 也就是 t=i 时刻函数的图像，这样达到了动态显示的效果pass

代码的完善

对代码的完善就是对上面框架的缝缝补补，有时候可能会修改框架，上面的框架是我推翻了一次原框架后的结果。不过上面的框架还是适用于 AM 调制，因为 AM 调制本质就是几个波的乘法运算，而 PM 和 FM 是修改了波的相位，于是我就加了一个 modu_wave 变量

class CosWave(Wave):def __init__(self, fre, Amp, Phi, modu_wave=None):# modu_wave 默认为 None ，如果 PM 和 FM 时需要传入super().__init__(fre, Amp, Phi, modu_wave, info='Cos')self.modu_wave = modu_waveclass SinWave(Wave):def __init__(self, fre, Amp, Phi, modu_wave=None):super().__init__(fre, Amp, Phi, modu_wave, info='Sin')self.modu_wave = modu_wave

代码的具体实现，点击获取原文可以查看。

关于代码中的一些函数的解释

我在代码中用了几个 __mul__、__add__等以__开头结尾的函数，这是python的魔法函数，它是python的一种协议。比如如果实现了函数 __add__,就可以使用 + 运算。

__add__ 和 __radd__

# 比如这里有两个波
test1_wave = CosWave(fre= 2, Amp=0.5, Phi=0)
test2_wave = CosWave(fre= 3, Amp=0.5, Phi=0)
# 实现了 __add__ 函数后 载波信号可以这么写
signal = Signal()
information_signal = signal  + test1_wave + test2_wave
# 实现了 __radd__ 函数后，前后式子可以调换位置
information_signal = test1_wave + signal + test2_wave# tip： 我这里只在 Signal 中实现了 + 法运算，所以 下面的写法会报错
# test_wave = test1_wave + test2_wave # 报错
# 原因嘛，我觉得 Signal 实现 + 就够使用了

可以看看波的样子

__mul__和__rmul__

# __mul__ 表示乘法运算
# 还是上面的两个波，我可以直接这么写
information_signal = signal  + test1_wave * test2_wave
# 同理 实现了 __rmul__ 后可以换位置
information_signal = signal  + test2_wave * test1_wave

看看波的样子

__call__

# 实现 # call 函数后，类变量可以和函数一样调用
# 上面的波举例，我要是想知道 t=1 时函数的幅值我就可以这么写
A1 = test1_wave(1) # 0.5
A2 = test2_wave(1) # 0.5

__str__

# 实现函数后 可以使用 str(func) 打印函数
# 接着上面的例子, 程序结果放在 '#' 后面
print(test1_wave) # CosWave(Frequency is 2,Amplitude is 0.5,Initial phase is 0),modulate wave is None
print(test2_wave) # CosWave(Frequency is 2,Amplitude is 0.5,Initial phase is 0),modulate wave is None

总结

以上就是我分享的这次代码的细节部分，点击阅读全文获取代码。最后放几个 PM 和 FM 调制的图，我曾经对着这个图呆了一早上。
代码地址