fm課程設計---fm調制解調系統(tǒng)設計與仿真

1、<p>　　課 程 設 計（論 文）</p><p>　　設計(論文)題目：FM調制解調系統(tǒng)設計與仿真</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒論-2-</p><p>　　1.1 課程設計的目的-2-</p><p>　　1.2 課程設計的要

2、求-2-</p><p>　　第2章 調制解調系統(tǒng)設計-3-</p><p>　　2.1 FM調制模型的建立-3-</p><p>　　2.2 調制過程分析-4-</p><p>　　2.3 FM解調模型的建立-5-</p><p>　　2.4 解調過程分析-6-</p><p&

3、gt;　　2.5 高斯白噪聲信道特性-7-</p><p>　　2.6 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能分析-9-</p><p>　　第3章 仿真實現(xiàn)-12-</p><p>　　3.1 MATLAB源代碼-12-</p><p>　　3.2 仿真結果-19-</p><p>　　第4章 總結-24-&l

4、t;/p><p><b>　　參考文獻-25-</b></p><p>　　FM調制解調系統(tǒng)設計與仿真</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　本課程設計用于實現(xiàn)FM信號的調制解調過程。信號的調制與解調在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。調制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低

5、頻信號的頻譜搬移到載頻位置。解調是調制的逆過程，即是將已調制的信號還原成原始基帶信號的過程。信號的接收端就是通過解調來還原已調制信號從而讀取發(fā)送端發(fā)送的信息。因此信號的解調對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調制與解調方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。FM信號的解調采用相干解調法，這種方式被廣泛應用在載波通信和短波無線電話通信中。</p><p>　　1.1 課程設計的目的</p>&l

6、t;p>　　通過《FM調制解調系統(tǒng)設計與防真》的課程設計，掌握通信原理中模擬信號的調制和解調、數(shù)字基帶信號的傳輸、數(shù)字信號的調制和解調，模擬信號的抽樣、量化和編碼與信號的最佳接收等原理。應用原理設計FM調制解調系統(tǒng)，并對其進行防真。</p><p>　　1.2 課程設計的要求</p><p>　　要求能夠熟練應用MATLAB語言編寫基本的通信系統(tǒng)的應用程序，進行模擬調制系統(tǒng)，數(shù)字基

7、帶信號的傳輸系統(tǒng)的建模、設計與仿真。所有的仿真用MATLAB程序實現(xiàn)（即只能用代碼的形式，不能用SIMULINK實現(xiàn)），系統(tǒng)經過的信道都假設為高斯白噪聲信道。模擬調制要求用程序畫出調制信號，載波，已調信號、解調信號的波形，數(shù)字調制要求畫出誤碼率隨信噪比的變化曲線。</p><p>　　第2章 調制解調系統(tǒng)設計</p><p>　　通信的目的是傳輸信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信息源發(fā)送到

8、一個或多個目的地。對于任何一個通信系統(tǒng)，均可視為由發(fā)送端、信道和接收端三大部分組成（如圖1所示）。</p><p>　　圖2.1 通信系統(tǒng)一般模型</p><p>　　信息源（簡稱信源）的作用是把各種信息轉換成原始信號。根據(jù)消息的種類不同信源分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設備的作用產生適合傳輸?shù)男盘枺词拱l(fā)送信號的特性和信道特性相匹配，具有抗噪聲的能力，并且具有足夠的功率滿足原距離傳輸?shù)男枨?/p>

9、。</p><p>　　信息源和發(fā)送設備統(tǒng)稱為發(fā)送端。</p><p>　　發(fā)送端將信息直接轉換得到的較低頻率的原始電信號稱為基帶信號。通?；鶐盘柌灰酥苯釉谛诺乐袀鬏?。因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需將基帶信號的頻譜搬移（調制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內進行傳輸。這就是調制的過程。</p><p>　　信號通過信道傳輸后，具有將信號放大和反變換功能的接收端將已調制的信號

10、搬移（解調）到原來的頻率范圍，這就是解調的過程。</p><p>　　信號在信道中傳輸?shù)倪^程總會受到噪聲的干擾，通信系統(tǒng)中沒有傳輸信號時也有噪聲，噪聲永遠存在于通信系統(tǒng)中。由于這樣的噪聲是疊加在信號上的，所以有時將其稱為加性噪聲。噪聲對于信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真。在本仿真的過程中我們假設信道為高斯白噪聲信道。</p><p>　　調制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用。一方面，通

11、過調制可以把基帶信號的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調制信號轉換成適合于信道傳輸或便于信道多路復用的已調信號。另一方面，通過調制可以提高信號通過信道傳輸時的抗干擾能力，同時，它還和傳輸效率有關。具體地講，不同的調制方式產生的已調信號的帶寬不同，因此調制影響傳輸帶寬的利用率?？梢?，調制方式往往決定一個通信系統(tǒng)的性能。在本仿真的過程中我們選擇用調頻調制方法進行調制。</p><p>　　調制過程是一個頻譜搬移的過

12、程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復出原始基帶信號。在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調方法進行解調。</p><p>　　2.1 FM調制模型的建立</p><p>　　圖2.2 FM調制模型</p><p>　　其中，為基帶調制信號，設調制信號為: </p><p><b

13、>　?。?-1）</b></p><p>　　設正弦載波為: （2-2）</p><p>　　2.2 調制過程分析</p><p>　　在調制時，調制信號的頻率去控制載波的頻率的變化，載波的瞬時頻偏隨調制信號成正比例變化，即</p><p>

14、<b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，為調頻靈敏度（）。</p><p><b>　　這時相位偏移為</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　則可得到調頻信號為</b></p>

15、<p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　調制信號產生的M文件：</p><p>　　dt=0.001; %設定時間步長</p><p>　　t=0:dt:1.5; %產生時間向量&

16、lt;/p><p>　　am=15; %設定調制信號幅度←可更改</p><p>　　fm=15; %設定調制信號頻率←可更改</p><p>　　mt=am*cos(2*pi*fm*t);

17、 %生成調制信號</p><p>　　fc=50; %設定載波頻率←可更改</p><p>　　ct=cos(2*pi*fc*t); %生成載波</p><p>　　kf=10;

18、 %設定調頻指數(shù)</p><p>　　int_mt(1)=0; %對mt進行積分</p><p>　　for i=1:length(t)-1 </p><p>　　int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt;</p><p><b>　　end </b>

19、</p><p>　　sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt); %調制，產生已調信號</p><p>　　圖2.3 FM調制</p><p>　　2.3 FM解調模型的建立 </p><p>　　調制信號的解調分為相干解調和非相干解調兩種。相干解調僅僅適用于窄帶調頻信號，且需同步信號，故應用范圍受

20、限；而非相干解調不需同步信號，且對于NBFM信號和WBFM信號均適用，因此是FM系統(tǒng)的主要解調方式。在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調方法進行解調。</p><p>　　圖2.4 FM解調模型</p><p>　　非相干解調器由限幅器、鑒頻器和低通濾波器等組成，其方框圖如圖5所示。限幅器輸入為已調頻信號和噪聲，限幅器是為了消除接收信號在幅度上可能出現(xiàn)的畸變；帶通濾波器的作用是用來限制帶

21、外噪聲，使調頻信號順利通過。鑒頻器中的微分器把調頻信號變成調幅調頻波，然后由包絡檢波器檢出包絡，最后通過低通濾波器取出調制信號。</p><p>　　2.4 解調過程分析</p><p><b>　　設輸入調頻信號為</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　微

22、分器的作用是把調頻信號變成調幅調頻波。</p><p>　　包絡檢波的作用是從輸出信號的幅度變化中檢出調制信號。包絡檢波器輸出為</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　稱為鑒頻靈敏度（），是已調信號單位頻偏對應的調制信號的幅度，經低通濾波器后加隔直流電容，隔除無用的直流，得</p><p>

23、<b>　　(2-8)</b></p><p>　　微分器通過程序實現(xiàn)，代碼如下：</p><p>　　for i=1:length(t)-1 %接受信號通過微分器處理</p><p>　　diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i))./dt;</p><p>

24、<b>　　end</b></p><p>　　diff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm)); %hilbert變換，求絕對值得到瞬時幅度（包絡檢波）</p><p>　　通過M文件繪制出兩種不同信噪比解調的輸出波形如下：</p><p>　　圖2.5 FM解調</p><p>　

25、　2.5 高斯白噪聲信道特性</p><p>　　設正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　其中，白噪聲的取值的概率分布服從高斯分布。</p><p>　　MATLAB本身自帶了標準高斯分布的內部函數(shù)。函數(shù)產生的隨機序列服從均值為，方差的高斯分布。&

26、lt;/p><p>　　正弦波通過加性高斯白噪聲信道后的信號為</p><p><b>　　（2-10）</b></p><p><b>　　故其有用信號功率為</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　

27、噪聲功率為</b></p><p><b>　　信噪比滿足公式</b></p><p><b>　　（2-13）</b></p><p><b>　　則可得到公式</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p>

28、<p>　　我們可以通過這個公式方便的設置高斯白噪聲的方差。</p><p>　　在本仿真過程中，我們選擇了10db和30db兩種不同信噪比以示區(qū)別，其時域圖如圖2.7和圖2.8。</p><p>　　圖2.6 無噪聲條件下已調信號的時域圖</p><p>　　圖2.7 含小信噪比高斯白噪聲已調信號的時域圖</p><p>　　圖

29、2.8含大信噪比高斯白噪聲已調信號的時域圖</p><p>　　2.6 調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能分析</p><p>　　從前面的分析可知，調頻信號的解調有相干解調和非相干解調兩種。相干解調僅適用于窄帶調頻信號，且需同步信號；而非相干解調適用于窄帶和寬帶調頻信號，而且不需同步信號，因而是FM系統(tǒng)的主要解調方式，所以這里僅僅討論非相干解調系統(tǒng)的抗噪聲性能，其分析模型如圖9所示。 </p

30、><p>　　圖2.9 調頻系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型</p><p>　　圖中帶通濾波器的作用是抑制信號帶寬以外的噪聲。是均值為零，單邊功率譜密度為的高斯白噪聲，經過帶通濾波器后變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼?。限幅器是為了消除接收信號在幅度上可能出現(xiàn)的畸變。</p><p><b>　　設調頻信號為</b></p><p><b&g

31、t;　?。?-15）</b></p><p><b>　　故其輸入功率為</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　輸入噪聲功率為</b></p><p><b>　　（2-17）</b></p

32、><p><b>　　因此輸入信噪比為</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　在大信噪比條件下，信號和噪聲的相互作用可以忽略，這時可以把信號和噪聲分開來算，這里，我們可以得到解調器的輸出信噪比 </p><p><b>　?。?-19）</b>

33、;</p><p>　　上式中，為載波的振幅，為調頻器靈敏度，為調制信號的最高頻率，為噪聲單邊功率譜密度。</p><p>　　我們如若考慮為單一頻率余弦波時的情況，可得到解調器的制度增益為</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　考慮在寬帶調頻時，信號帶寬為</p><

34、p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>　　則可以得到</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　可以看出，大信噪比時寬帶調頻系統(tǒng)的信噪比增益是很高的，它與調頻指數(shù)的立方成正比?？梢姡哟笳{頻指數(shù)，可使調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。<

35、;/p><p><b>　　第3章 仿真實現(xiàn)</b></p><p>　　系統(tǒng)仿真流程圖如下：</p><p>　　圖3.1 程序流程圖</p><p><b>　　3.2 仿真結果</b></p><p>　　下圖為FM 信號調制過程仿真圖：</p><p

36、>　　圖3.2 FM信號調制</p><p>　　調制信號是頻率為1Hz，將兩種信號經過相乘后，載波信號會攜帶調制信號的信息，而調制前后功率譜密度也會發(fā)生相應的搬移。</p><p>　　下圖為調制信號與一條信號的頻譜圖：</p><p>　　圖3.3 FM信號的頻譜以及已調頻譜</p><p>　　載波信號會攜帶調制信號的信息，而調制

37、前后功率譜密度也會發(fā)生相應的搬移。</p><p>　　下圖為無噪聲條件下的解調過程：</p><p>　　圖3.4 FM調制信號在無噪聲條件下的解調過程</p><p>　　調制信號經過調制解調過程之后，，再經過解調過程將調制信號解調出來，反應原來的信息。</p><p>　　下圖為含小信噪聲條件下的解調過程：</p><

38、;p>　　圖3.5 FM調制信號在小信噪比條件下的解調過程</p><p>　　調制信號經過調制解調過程之后引入白噪聲，再經過解調過程將調制信號解調出來，反應原來的信息（由于噪聲必然存在，所以必然造成一定程度的失真，但都在可接受的范圍內）。</p><p>　　下圖為含大信噪聲條件下的解調過程：</p><p>　　圖3.5 FM調制信號在小信噪比條件下的解調

39、過程</p><p>　　調制信號經過調制解調過程之后引入白噪聲，再經過解調過程將調制信號解調出來，反應原來的信息（由于噪聲必然存在，所以必然造成一定程度的失真，但都在可接受的范圍內）。</p><p><b>　　第4章 總結</b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的

40、重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程. 回顧起此次通信原理課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，

41、從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤指導下，同學的幫助下終于迎刃而解。在次我表示感謝！ </p><p>

42、<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 姚東.MATLAB及在電子信息課程中的應用[M].第二版.北京：北京電子工業(yè)出版社,2000.3.66</p><p>　　[2] 張智星.MATLAB程序設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.4.45-55</p><p>　　[3] 陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的