FM课程设计---FM调制解调系统设计与仿真.doc

通信专业课程设计二（论文） 课课 程程 设设 计（论计（论 文）文） 设计设计(论文论文)题目：题目：fm 调制解调系统设计与仿真调制解调系统设计与仿真 本设计为课程设计 该设计程序源码已删除 如需要请联系 qq：670301276 非诚勿 扰 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 1 - 目 录 第 1 章 绪论.-2- 1.1 课程设计的目的.-2- 1.2 课程设计的要求.-2- 第 2 章 调制解调系统设计.-3- 2.1 fm 调制模型的建立-3- 2.2 调制过程分析.-4- 2.3 fm 解调模型的建立-5- 2.4 解调过程分析.-6- 2.5 高斯白噪声信道特性.-7- 2.6 调频系统的抗噪声性能分析.-9- 第 3 章 仿真实现.-12- 3.1 matlab 源代码.-12- 3.2 仿真结果.-19- 第 4 章 总结.-24- 参考文献.-25- 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 2 - fm 调制解调系统设计与仿真 第 1 章 绪 论 本课程设计用于实现 fm 信号的调制解调过程。信号的调制与解调在通信系统中具有 重要的作用。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。 解调是调制的逆过程，即是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。信号的接收端 就是通过解调来还原已调制信号从而读取发送端发送的信息。因此信号的解调对系统的 传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制与解调方式往往决定了一个通信系统的 性能。fm 信号的解调采用相干解调法，这种方式被广泛应用在载波通信和短波无线电话 通信中。 1.1 课程设计的目的 通过fm 调制解调系统设计与防真的课程设计，掌握通信原理中模拟信号的调制 和解调、数字基带信号的传输、数字信号的调制和解调，模拟信号的抽样、量化和编码 与信号的最佳接收等原理。应用原理设计 fm 调制解调系统，并对其进行防真。 1.2 课程设计的要求 要求能够熟练应用 matlab 语言编写基本的通信系统的应用程序，进行模拟调制系 统，数字基带信号的传输系统的建模、设计与仿真。所有的仿真用 matlab 程序实现 （即只能用代码的形式，不能用 simulink 实现） ，系统经过的信道都假设为高斯白噪声 信道。模拟调制要求用程序画出调制信号，载波，已调信号、解调信号的波形，数字调 制要求画出误码率随信噪比的变化曲线。 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 3 - 第 2 章 调制解调系统设计 通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信息源发送到一个或多个目 的地。对于任何一个通信系统，均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成（如图 1 所示） 。 信息源发送设备信 道接受设备信息源 噪声源 发送端发送端接收端接收端信道信道 图 2.1 通信系统一般模型 信息源（简称信源）的作用是把各种信息转换成原始信号。根据消息的种类不同信 源分为模拟信源和数字信源。发送设备的作用产生适合传输的信号，即使发送信号的特 性和信道特性相匹配，具有抗噪声的能力，并且具有足够的功率满足原距离传输的需求。 信息源和发送设备统称为发送端。 发送端将信息直接转换得到的较低频率的原始电信号称为基带信号。通常基带信号 不宜直接在信道中传输。因此，在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制） 到适合信道传输的频率范围内进行传输。这就是调制的过程。 信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移 （解调）到原来的频率范围，这就是解调的过程。 信号在信道中传输的过程总会受到噪声的干扰，通信系统中没有传输信号时也有噪 声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称 为加性噪声。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真。在本仿真的过程中 我们假设信道为高斯白噪声信道。 调制在通信系统中具有十分重要的作用。一方面，通过调制可以把基带信号的频谱 搬移到所希望的位置上去，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用 的已调信号。另一方面，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力，同时， 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 4 - 它还和传输效率有关。具体地讲，不同的调制方式产生的已调信号的带宽不同，因此调 制影响传输带宽的利用率。可见，调制方式往往决定一个通信系统的性能。在本仿真的 过程中我们选择用调频调制方法进行调制。 调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。而解调 是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。在本仿真的过 程中我们选择用非相干解调方法进行解调。 2.1 fm 调制模型的建立 图 2.2 fm 调制模型 其中，为基带调制信号，设调制信号为: ( )m t （2-)2cos()(tfatm m 1） 设正弦载波为: （2-)2cos()(tftc c 2） 2.2 调制过程分析 在调制时，调制信号的频率去控制载波的频率的变化，载波的瞬时频偏随调制信号 成正比例变化，即( )m t （2-)( )( tkfm dt td 3） 式中，为调频灵敏度（） 。fk )(vs rad 这时相位偏移为 （2-4） dmkt f )()( 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 5 - 则可得到调频信号为 （2-5）)(cos)(dmktatsfm fc 调制信号产生的 m 文件： dt=0.001; %设定时间步长 t=0:dt:1.5; %产生时间向量 am=15; %设定调制信号幅度可更改 fm=15; %设定调制信号频率可更改 mt=am*cos(2*pi*fm*t); %生成调制信号 fc=50; %设定载波频率可更改 ct=cos(2*pi*fc*t); %生成载波 kf=10; %设定调频指数 int_mt(1)=0; %对 mt 进行积分 for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt; end sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt); %调制，产生已调信号 00.511.5 -10 0 10 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -1 0 1 下 下 t 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -10 0 10 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 6 - 图 2.3 fm 调制 2.3 fm 解调模型的建立 调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅仅适用于窄带调频信 号，且需同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需同步信号，且对于 nbfm 信号 和 wbfm 信号均适用，因此是 fm 系统的主要解调方式。在本仿真的过程中我们选择用 非相干解调方法进行解调。 图 2.4 fm 解调模型 非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图 5 所示。限幅 器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带 通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频 信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。 2.4 解调过程分析 设输入调频信号为 （2-6） t fctfmt dmktasts)(cos()( )( 微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。 包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为 (2-7)( )(0tfmc kkdts 称为鉴频灵敏度（） ，是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度，经低通dk v hz 滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得 (2-8) )(0 )( tfm kdktm 微分器通过程序实现，代码如下： for i=1:length(t)-1 %接受信号通过微分器处理 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 7 - diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt; end diff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm); %hilbert 变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检 波） 通过 m 文件绘制出两种不同信噪比解调的输出波形如下： 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 2.5 fm 解调 2.5 高斯白噪声信道特性 设正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为 （2-9）)()cos()(tntatr c 其中，白噪声的取值的概率分布服从高斯分布。( )n t matlab 本身自带了标准高斯分布的内部函数。函数产生的随机序列服randnrandn 从均值为，方差的高斯分布。0m 2 1 正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 8 - （2-10）)()cos()(tntatr c 故其有用信号功率为 (2-11) 2 2 a s 噪声功率为 2 n 信噪比满足公式 s n （2-13）)(10101 n s ogb 则可得到公式 （2-14） 10 2 2 102 b a 我们可以通过这个公式方便的设置高斯白噪声的方差。 在本仿真过程中，我们选择了 10db 和 30db 两种不同信噪比以示区别，其时域图如 图 2.7 和图 2.8。 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 2.6 无噪声条件下已调信号的时域图 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 9 - 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 050010001500 -5000 0 5000 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -20 0 20 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 2.7 含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 050010001500 -5000 0 5000 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 00.511.5 -5 0 5 下 下 t 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 2.8 含大信噪比高斯白噪声已调信号的时域图 2.6 调频系统的抗噪声性能分析 从前面的分析可知，调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 10 - 用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不 需同步信号，因而是 fm 系统的主要解调方式，所以这里仅仅讨论非相干解调系统的抗噪 声性能，其分析模型如图 9 所示。 图 2.9 调频系统抗噪声性能分析模型 图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。是均值为零，单边功率谱密( )n t 度为的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声 。限幅器是为了消除接0n( )in t 收信号在幅度上可能出现的畸变。 设调频信号为 （2-15）)(cos()( t fcfm dmktats 故其输入功率为 （2-16） 2 2 a si 输入噪声功率为 （2-17） fmi bnn 0 因此输入信噪比为 （2-18） fmi i b a n s 2 2 在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开 来算，这里，我们可以得到解调器的输出信噪比 （2-19） 3 0 2 22 2 0 0 8 )(3 m fn tmka n s 上式中，为载波的振幅，为调频器灵敏度，为调制信号的最高频率，afkmf( )m t 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 11 - 为噪声单边功率谱密度。on 我们如若考虑为单一频率余弦波时的情况，可得到解调器的制度增益为( )m t （2-20） 2 2 2 3 2 a o o fm f i o m i s n gm s n f n 考虑在宽带调频时，信号带宽为 （2-21）)(2) 1(2fmffmmfbfm 则可以得到 （2-22） 2 3(1)fmf f gmm 可以看出，大信噪比时宽带调频系统的信噪比增益是很高的，它与调频指数的立方 成正比。可见，加大调频指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。fm 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 12 - 第 3 章 仿真实现 系统仿真流程图如下： fm调制程序 添加高斯白噪声程序 fm解调程序 绘制频谱图程序 显示程序 初始化程序 图 3.1 程序流程图 3.2 仿真结果 下图为 fm 信号调制过程仿真图： 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 13 - 图 3.2 fm 信号调制 调制信号是频率为 1hz，将两种信号经过相乘后，载波信号会携带调制信号的信息， 而调制前后功率谱密度也会发生相应的搬移。 下图为调制信号与一条信号的频谱图： 图 3.3 fm 信号的频谱以及已调频谱 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 14 - 载波信号会携带调制信号的信息，而调制前后功率谱密度也会发生相应的搬移。 下图为无噪声条件下的解调过程： 图 3.4 fm 调制信号在无噪声条件下的解调过程 调制信号经过调制解调过程之后， ，再经过解调过程将调制信号解调出来，反应原来 的信息。 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 15 - 下图为含小信噪声条件下的解调过程： 图 3.5 fm 调制信号在小信噪比条件下的解调过程 调制信号经过调制解调过程之后引入白噪声，再经过解调过程将调制信号解调出来， 反应原来的信息（由于噪声必然存在，所以必然造成一定程度的失真，但都在可接受的 范围内） 。 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 16 - 下图为含大信噪声条件下的解调过程： 图 3.5 fm 调制信号在小信噪比条件下的解调过程 调制信号经过调制解调过程之后引入白噪声，再经过解调过程将调制信号解调出来， 反应原来的信息（由于噪声必然存在，所以必然造成一定程度的失真，但都在可接受的 范围内） 。 姜锐:fm 调制解调系统设计与仿真 - 17 - 第 4 章 总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能 力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训