通信原理课程设计报告new

1、课程设计报告课题名称 FM调制解调系统的仿真模型设计学 院 电子信息学院 专 业 通信工程 班 级 BX1108 学 号 03 姓 名 朱玉萍 指导教师 胡之惠 定稿日期： 2013年 12月26日目录1课程设计题目22. 课程设计目的与要求22.1课程设计目的22.2课程设计要求22.3课程设计时间22.4课程设计环境23课程设计内容23.1 Systemview软件简介23.2 使用systemview进行基本调制解调系统设计。34. 课程设计内容分析与方案选择34.1模拟通信系统简介34.2 调制解调系统的基本原理34.3FM调制解调系统设计65系统模块选择与参数设置75.1模块选择75

2、.2解调过程分析85.3模块参数设置：86系统仿真结果106.1 FM调制解调设计模型106.2结果波形图117系统仿真问题、结果分析137.1设计中出现的问题137.2解决方法137.3结果分析148总结不同方法的特点和优缺149总结及心得体会1410参考文献151课程设计题目FM（窄带）调制解调系统的仿真模型设计2.课程设计目的与要求2.1课程设计目的1. 学习使用计算机建立通信系统仿真模型的基本方法及基本技能，学会利用仿真的手段对于实用通信系统的基本理论、基本算法进行实际验证2. 学习现有流行通信系统仿真软件的基本使用方法，学会使用这些软件解决实际系统出现的问题。3. 通过系统仿真加深对

3、通信课程理论的理解。2.2课程设计要求1.以通信中基本调制解调系统的理论为基础，学习并熟悉掌握通信仿真软件Systemview的使用方法，然后利用该软件构造出一个基本模拟（数字）调制解调系统的仿真模型。2.设计前，学生需要了解该设计内容和理论知识，进行方案选择；3.系统设计调试过程中，需要进行系统模块选择和参数设置，观察系统仿真结果，记录仿真数据和波形，并进行分析。最后根据设计过程撰写课程设计报告。2.3课程设计时间1周2.4课程设计环境systemview5.03课程设计内容3.1 Systemview软件简介Elanix公司的SystemView是一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化

4、环境，主要用于电路和通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层的设计、仿真要求。在SystemView环境下，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制系统的设计和仿真。SystemView包括基本库和专业库。SystemView可以实时仿真各种DSP结构，并进行各种系统时域和频域分析、谱分析，对各种逻辑电路、射频/模拟电路(混合器、放大器、RLC电路和运放电路)等进行理论分析和失真分析。SystemView的各种专业库特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。随着通信技术的不断发展

5、，通信系统越来越复杂，设计和仿真难度也随之加大，利用SystemView可以十分方便地完成相应的通信系统设计和仿真。3.2使用systemview进行基本调制解调系统设计。4.课程设计内容分析与方案选择4.1模拟通信系统简介通信系统是为了有效可靠的传输信息，信息由信源发出，以语言、图像、数据为媒体,通过电(光)信号将信息传输，由信宿接收。通信系统又可分为数字通信与模拟通信。基于课程设计的要求，下面简要介绍模拟通信系统。信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统为模拟通信。模拟通信系统的模型如图4.1.1所示。模拟信源调制器发送滤波器信道接收滤波器解调器信宿 噪声n(t)图4.1.1模拟通信

6、系统模型调制器: 使信号与信道相匹配, 便于频分复用等。发滤波器: 滤除调制器输出的无用信号。收滤波器: 滤除信号频带以外的噪声，一般设N(t)为高斯白噪声,则Ni(t)为窄带白噪声4.2调制解调系统的基本原理 鉴频器限幅器及带通微分器包络检波低通滤波器SFM(t)Sd(t)S0(t)m0(t)图4.2.1 FM解调模型(1) FM角度调制原理角度调制可分为频率调制和相位调制，由于频率调制和相位调制存在内在联系，切实际中频率调制得到广泛应用，因此本节以调频为主来进行分析和仿真。在连续波调制中，载波可以表示为：ct=Acos(wct+) 其中，幅度A、角频率wc和相位这三个参数都可以用来携带信息

7、而构成调制信号。如果幅度A和角频率wc保持不变，而瞬时角频率是调制信号f(t)的线性函数时，这种调制方式称为频率调制。此时瞬时角频率偏移为w=KFMf(t) 瞬时角频率为=c+KFMf(t) 式中FFM称为频偏常数，有时也称为调频器的灵敏度，单位为弧度/秒/伏。调频波的瞬时相位为 t=ct+KFMftdt 因此，调频波的时间表示式为SFMt=Acosct+KFMftdt 如果调制信号为单余弦时ft=Amcosmt 则调频波的时间表示式为SFMt=Acosct+KFMAmcosmtdt=Acosct+FMsinmt 上式中FM=KFMAm/m称为调频指数，KFMAm为最大角频率偏移。调频波的瞬时

8、频率偏移与调制信号f(t)成线性关系，而它的瞬时相位偏移与调制信号f(t)的积分呈线性关系。对于采用单音调制时的调相和调频信号，如果都用瞬时角频率表示，则分别为SPMt=Acosc-PMsinmtt SFMt=Acosc+KFMAmcosmtt 从频率调制相位与频率关系可以看出，调制信号可通过直接调频和简介调频两种方法得到，所谓间接调频就是先对调制信号积分再调相而得到。同样，调相信号也可以通过直接调相和间接调相两种方法得到，间接调相就是先对调制信号进行微分再进行频率调制。根据调制后以调信号的瞬时相位偏移的大小，可将角度调制分为宽带调制和窄带调制。如果调频信号或调相信号的最大瞬时相位偏移保持在很

9、小的范围内，一般小于30，既满足条件|KFMFtdt|max6（调频） KPMf(t)max6（调相） 时，则称为窄带调频或窄带调相。当上述条件不满足时，就称为宽带调频或宽带调相。当1时，存在sin,cos1.由三角函数展开式cos+=coscos-sinsin=cos-sin (1) 可将窄带调频表示式简化为SFMt=Acosct+KFMftdt= Acosct-AKFMftdtsinct(KFM|ftdt|max1) 由上式作为数学模型，可建立窄带调频的原理框图，如图6.2.2所示。图6.2.2是对应的Systemview仿真模型。该方法为间接调频法。KFMdtf(t)-2/ SFM(t)

10、 Acosct4.2.2窄带调频的原理框图(2) FM角度解调原理一、非相干解调由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的解调必须能产生正比于输入频率的输出电压，也就是当输入调频信号为:sFMt=Acoswct+KF-tmd 时，解调器的输出应当为m0(t)KFm(t) 已调载波瞬时频率为：wit=wc+kpddtm(t) 此时，瞬时角频率为：wit=wc+kfm(t) 由式和式可得，t=wi(t)dt+0=wct+kfm(t)dt+0 得出已调信号表示：SFMt=Acoswct+kfm(t)dt+0 二、相干解调低通滤波器带通滤波器微分SFM（t）A2Kfft-sinwct图

11、4.2.3窄带调频相干解调由于窄带调频信号可分解成正交分量与同相分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。设窄带调频信号为sNBFMt=AKF-tmdsinwct 相干载波为ct=-sinwct 则乘法器输出为 spt=-A2sin2wct+A2KF-tmd(1-cos2wct) 经低通滤波器滤除高频分量，得sdt=A2KF-tmd 再经微分，得输出信号m0t=A2KFm(t) 可见，相干解调可以恢复原调制信号，这种解调方法与线性调制中的相干解调一样，要求本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。显然，上述相干解调法只适用于窄带调频。4.3FM调制解调系统设计通信的目的是传输

12、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接收端信道图4.3.1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

13、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

14、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，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。5系统模块选择与参数设置5.1模块选择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

15、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。鉴频器限幅器及带通微分器包络检波低通滤波器 图5.1.1FM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。5.2解调过程分析设输入调频信号为微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为包

16、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，经低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得5.3模块参数设置：模块0：输入信号Token 0 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 2 vFreq = 13 HzPhase = 0 degOutput 0 = Sine t12 t15 Output 1 = Cosine Max Rate (Port 0) = 1.8e+3 Hz模块1：载波信号，载波在解调过程中作用是识别原来的信号Token 1 Parameters:Source:

17、SinusoidAmp = 2 vFreq = 100 HzPhase = 0 degOutput 0 = Sine t19Output 1 = Cosine t16 t3 Max Rate (Port 1) = 1.8e+3 Hz模块10：Operator Library说明：该模块是一个巴特沃思低通滤波器，截止频率为5000Hz，将输入的波形滤掉高频部分后输出。Token 10 Parameters:Operator: Linear SysChebyshevLowpass IIR5 PolesFc = 28 HzQuant Bits = NoneInitCndtn = TransientD

18、SP Mode Disabled模块4：Multiplier 说明：该模块是一个乘法器，将输入的信号相乘后输出。Token 4 Parameters:Multiplier: Non ParametricInputs from 6 19Outputs to 8模块12：Function Library说明：积分器Token 12 Parameters:Operator: IntegratorZero Order Initial Condition = 0 v模块19：Operator Library说明：该模块是一个延迟模块，根据积分鉴频器的原理，给输入信号一个250ms的延迟，然后输出Toke

19、n 19 Parameters:Operator: DelayNon-InterpolatingDelay = 0 secOutput 0 = Delay t4Output 1 = Delay dT模块11：双通滤波器Token 11 Parameters:Operator: Linear SysButterworth Bandpass IIR5 PolesLow Fc = 75 HzHi Fc = 125 HzQuant Bits = NoneInitCndtn = TransientDSP Mode DisabledMax Rate = 1.8e+3 Hz模块13：该模块是将信号微分，完成

20、解调6系统仿真结果6.1 FM调制解调设计模型图6.1.1 FM调制解调设计模型设计模块简介：图符0为调制信号；图符12为积分器，图符11为带通滤波器，滤波器类型为切比雪夫带通滤波器，滤波阶数为5,带通滤波器是为了让调制信号顺利通过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量；图符5为乘法器；图符2为相干载波源；图符14为反相器；图符10为低通滤波器，滤波器类型为切比雪夫低通滤波器，通过低通滤波器，取出相乘器输出信号的低频分量；图符13为微分器；图符15、16、17、18为信号接收器；图符19为延时器，对调制信号延时，主要是使仿真后的调制波形和解调波形吻合，起始端链接根据FM调制解调原理，如图6.1所示，

21、模块12、6、4、8、19通过积分再与载波相乘构成调制模块，模块3之后就是FM系统解调模型。6.2结果波形图图6.2.1 调制信号FM调制信号的输入信号是正弦波，如图6.2.1。图6.2.2 调制波频谱波形调制波形进行傅里叶变换即为频谱波形，如图8.2.2 。图6.2.3 FM载波时域波形对于FM（调频）载波频率，载波幅度是一定值，载波频率变化。载波频率与调制信号的频率无关，与调制信号的幅度相关。如图8.2.3 。图6.2.4 已调波频谱波形已调波的频谱波形的形成取决于已调波波形，对比已调波，形成的频谱波形如图8.2.4 。图6.2.5 已调波波形按照原理，FM角度调制出来的波形特征为：频率周

22、期性地稀疏变化，所以波形调制成功。图6.2.6 解调输出波形频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随调制信号m（t）成比例变化，则可得到调频信号为如图6.2.6 。通过对仿真图形分析可以得出，这次仿真中，输入与输出有轻微失真，其原因可以概括为两点：（1）所选波形文件频率与参数设置匹配没有理论上理想，导致解调轮廓出现少量失真；（2）该波形文件受高斯白噪声的影响太大，以致解调输出波形出现轻微失真。7系统仿真问题、结果分析7.1设计中出现的问题（1）设计初，不熟悉本次设计的设计平台System View的使用（2）设计初，对于FM的原理了解不够深入（3）设计系统传输过程时不知道应该选择非相干解调还是相干

23、解调（4）模块参数设置时遇到了问题（5）在运用System View设计系统模型时，运行出来的波形不是很理想7.2解决方法（1）仔细研读老师给我们的辅助教材，上网查询并下载了电子版本的System View教程，同事请教班上已经对此软件熟悉的同学，最后基本能独立利用此软件设计实现设计系统。（2）深入理解通信原理课本，并研读一些通信原理方面的辅助材料，加深了对模拟信号调频原理的理解。并对FM调制有了更深一步的了解。（3）调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种解调方式，由于相干解调的同步信号限制，故应用范围较小，实际中一般采用非相干解调，并且非相干解调的抗噪声性能较好。起初计划选择非相干解调，但

24、是鉴频器的设计遇到了阻碍，微分器以及包络检波器的设计始终无法达到理想的要求，最后尝试了相干解调法，解调波形满足设计要求。（4）在电路图连接好后，我发现出现的波形很不理想，当一遍遍检查电路确认无误后，我将错误定位在参数设置上，通过查找资料和请教老师，我终于将这个问题解决了，得到了我想要的理想波形。（5）系统的解调波形与调制信号不能很好的吻合，不能明显的看出解调效果，加入一个延迟器，解决了这一问题。7.3结果分析通过对仿真图形分析可以得出，这次仿真中，输入与输出有轻微失真，其原因可能是所选波形频率与参数设置匹配没有理论上理想，导致解调轮廓出现少量失真。例如对载波频率的设置，对滤波器参数的设置以及增益设置等等。参数的设置直接影响到波形是否失真的情况。开始的时候，由于对此过程理解的不够好，波形有较明显的失真，但是经过修改，比较，反复多次，最后输出较为理想的波形。8总结不同方法的特点和优缺调频信号的基本特点是它的瞬时频率按调制信号规律变化，因而，一种最容易想到的方法就是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。通常将这种直接调变振荡器频率的方法称为直接调频法。所谓间接调频就是先对调制信号积分在调相而得到。间接调频的优点是载波频率比较稳定，但电路较复杂，频移小，且寄生调幅较大，通常需多次倍频使频移增加。9总