信号分析课设报告

1、武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书1课课程程设设计计任任务务书书学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 电信 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院 题题 目目：信号分析处理课程设计基于 MATLAB 的模拟信号频率调制（FM）与解调分析初始条件：初始条件：1. Matlab6.5 以上版本软件；2. 先修课程：通信原理等；要求完成的主要任务：要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、利用 MATLAB 中的 simulink 工具箱中的模块进行模拟频率（FM）调制与解调，观察波形变化2、画出程序设计框图，编写程序代码，上机运

2、行调试程序，记录实验结果（含计算结果和图表等） ，并对实验结果进行分析和总结；3、课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括： 目录； 理论分析； 程序设计； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少 800 字，必须手写。 ） ； 参考文献（不少于 5 篇） 。时间安排：时间安排：本课程设计共 2 周，按 10 天安排如下：3 天查阅资料，了解分析设计内容，总体设计；4 天程序设计，上机调试程序；2 天整理实验结果，撰写课程设计说明书；1 天答辩。指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日武汉理工大学

3、信号分析处理课程设计说明书目录摘 要 .I1. 工具介绍 .11.1 matlab 介绍.11.2 simulink 介绍.12. 理论分析 .32.1 角度调制.32.2 调频（FM）.32.3 解调.43. matlab 程序设计.63.1 调制程序设计.63.2 解调程序设计.84. simulink 仿真设计与噪声分析 .114.1 FM 调制与解调模型的建立与仿真.114.2 高斯噪声影响分析.155. 课程设计心得体会 .19参考文献 .21附录一： .22附录二： .24 武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书 摘 要 FM 在通信系统中的使用非常广泛。FM 广泛应用于高保真音乐

4、广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等。 本设计主要是利用 MATLAB 集成环境下的 M 文件，编写程序来实现 FM 调制与解调过程，并分别绘制出基带信号，载波信号，已调信号的时域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号，相干解调后信号和解调基带信号的时域波形；最后绘出 FM 基带信号通过上述信道和调制和解调系统后的误码率与信噪比的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响。在课程设计中，系统开发平台为 Windows Vista，使用工具软件为 MATLAB 7.0。在该平台运行程序完成了对 FM 调制和解调以及对叠加噪声后解

5、调结果的观察。通过该课程设计，达到了实现 FM 信号通过噪声信道，调制和解调系统的仿真目的。 关键词 FM；调制；解调；MATLAB 7.0；噪声武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书01. 工具介绍工具介绍1.1 matlab 介绍介绍MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如

6、C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 和 Mathematica、Maple、MathCAD 并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像

7、 Maple 等软件的优点，使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。1.2 simulink 介绍介绍Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采

8、样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书1果。Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在

9、 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书22. 理论分析理论分析2.1 角度调制角度调制幅度调制属于线性调制，它是通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的平移及线性变换的。一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，因此，不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化当中。这种使高频载波的频率或

10、相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的体脂肪是，成为频率调制（FM）和相位调制（PM） ，分别简称为调频或者调相。因为频率或相位的变化都可以看做是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频移的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称之为非线性调制。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切关系，即调频必须调相，调相必调频。可见，调频与调相并无本质区别，两者之间可相互转换。在实际应用过程中，多采用调频波。有两种基本的方法来产生调频信号：直接法和间接法。在直接法中，载波的频率直接随着

11、输入的调制信号的变化而改变。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带调频信号，然后通过倍频的方式把载波频率提高到需要的水平。2.2调频（调频（FMFM）一般干扰信号总是叠加在信号上，改变其幅值。所以调频波虽然受到干扰后幅度上也会有变化，但在接收端可以用限幅器将信号幅度上的变化削去，所以调频波的抗干扰性极好，用收音机接收调频广播，基本上听不到杂音。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母 FM 表示。载波的瞬时频率按调制信号的变化而变，但振

12、幅不变的调制方式。载波经调频后成为调频波。用调频波传送信号可避免幅度干扰的影响而提高通信质量。广泛应用在通信、调频立体声广播和电视中。武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书3若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则称为频率调制。这时，瞬时角频率为 (1)(t)2(t)icfk m式中，是调频器的灵敏度，单位是 Hz/V。瞬时相位为fk (2)00(t)(t)dt2( )dticftkm这时已调信号的表达式为 (3)0(t)Acost2 k( )dtfcfSm 式(3)表明，载波相位岁调制信号的积分线性地变化。由于调制方法的非线性，角度调制的频域表示非常复杂，只讨论消息信号是正弦信号的情况。假设

13、m(t)，用其对频域载波作频率调制，已调信号表示为m(t)A cos2mmf t (4)(t)Acostcostfcfms 设为 FM 调制指数。一般情况下对于非正弦的，调制指数定义为fmfmk Afm(t)，其中 W 是消息信号的带宽。max |m(t)|ffkWm(t) 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，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。

14、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。2.3解调解调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。在本仿真的武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书4过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。图 2-1 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

15、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。设输入调频信号为 (5)( )( )cos( )ttFMcfS tStAtKmd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 (6)( )( )( )( ) sin( )iFMdtcfcfdS tdStS tdtdtKm ttKmd 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 (7)( )( )( )odcfdcdfS tKKm tKK Km t称为鉴频灵敏度（） ，是已调信号单

16、位频偏对应的调制信号的幅度，经dKVHz低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得 (8)( )( )odfm tK Km t武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书53. matlab 程序设计程序设计3.1 调制程序设计调制程序设计3.1.1 程序代码程序代码FM 调制部分核心代码如下： 武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书63.1.2 运行结果运行结果 图 3-1 武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书7 图 3-23.2 解调程序设计解调程序设计3.2.1 程序代码程序代码解调部分核心代码如下：武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书83.2.2 运行结果运行结果武汉理工大学信号分析处

17、理课程设计说明书9 图 3-3 图 3-4武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书10 图 3-5 武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书114. simulink 仿真设计与噪声分析仿真设计与噪声分析4.1 FM 调制与解调模型的建立与仿真调制与解调模型的建立与仿真4.1.1 模型的建立模型的建立调制部分使用 simulink 中的 FM Modulator Passband 模块，解调部分使用 FM Demodulator Passband，将随机数发生器的 Sample Time 设置为 1/10，FM Modualator Passband 模块中的 Carrier Frequency

18、设为 250，仿真参数中将 Max step size 设为 0.001，Stop Time 设为 10。同时，为了便于进行实际情况下的噪声分析，在调制输出端加上了方差为 0.01，均值为 0 的高斯噪声，对加性高斯噪声影响下的信号进行频谱分析。在 simulink 当中，FM 调制与解调模块必须是在离散的状态下运行，因此要对连续的正弦波信号进行离散化，这里使用了过零保持器(Zero-Order Hold)，将采样精度设置为 0.0001。武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书12建立模型如下： 图 4-1 模型图武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书134.1.2仿真结果仿真结果 图 4-2

19、 FM 调制的输入信号与调制信号 图 4-3 输入信号频谱武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书14 图 4-4 FM 已调信号的频谱 图 4-5 解调出的信号的频谱武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书154.2 高斯噪声影响分析高斯噪声影响分析4.2.1 噪声影响下的波形图分析噪声影响下的波形图分析 图 4-6 上部分为噪声影响下的已调波，下部分为高斯噪声信号4.2.2 噪声影响下的频谱图的分析噪声影响下的频谱图的分析图 4-7 高斯噪声的频谱图武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书16 图 4-8 输入信号的频谱图 图 4-9 加了高斯噪声的已调波频谱武汉理工大学信号分析处理课程设计说明

20、书17 图 4-10 加了高斯噪声之后解调出的信号 根据加性高斯噪声影响下的频谱图的分析可知，在加性高斯噪声影响下，解调出的信号存在一定程度的失真，在高频上出现一些呈正态分布的高频分量，通过低通滤波器就可以滤除从而精确还原出原始波形。根据理论可以验证，如图上所示的大信噪比的情况下，噪声的加入会造成高频分量的增加和一定的相位偏移；但是在小信噪比的情况下，噪声的加入有可能导致门限效应。根据以上的频谱图分析可知，采用相干解调的方式，再将信号连接一低通滤波器，可以有效地滤除噪声信号，但是在有用信号频段内的噪声比较难以滤除，因为噪声是均匀分布在各个频段内的，在输入信号频段内的噪声信号较难以滤除。武汉理工

21、大学信号分析处理课程设计说明书185. 课程设计心得体会课程设计心得体会武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书19武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书20参考文献参考文献1樊昌信.通信原理.国防工业出版社,20072详解 MATLAB/simulink 通信系统的建模与仿真.刘学勇.电子工业出版社,20113数字信号处理.程佩青.清华大学出版社,20074应用随机过程.Seldon M.人民邮电出版社,20115MATLAB 基础教程.刘学勇.电子工业出版社,2011武汉理工大学信号分析处理课程设计说明书21 附录一：附录一：程序代码：程序代码：%电信工程 1101 班 蔡克洋 %（1）获取

22、录音文件 pause fs=44100; %声音的采样频率为 44.1Khz duration=3; %录音时间为 3s fprintf(按任意键开始录音 1：n); pause fprintf(录音中n); sd1=wavrecord(duration*fs,fs); %duration*fs 每次获得总的采样数为 132300，保 存声音文件名为 sd1 fprintf(放音中n); wavplay(sd1,fs); fprintf(录音 1 播放完毕。n); wavwrite(sd1,fs,sound1.wav); %将录音文件保存为 WAV 格式的声音文件 %（2）声音样本的时域和频域

23、分析 fprintf(按任意键开始声音样本的时域分析：n); pause fs=44100; %声音的采样频率为 44.1Khz duration=3; t=0:duration*fs-1; %总的采样数 sd1,fs=wavread(sound1.wav); %打开保存的录音文件 figure(1) %图一为三个声音样本的时域波形 subplot(311) plot(t,sd1);xlabel(单位：s);ylabel(幅度); title(三个声音样本的时域波形); fprintf(按任意键开始声音样本的频域分析：n); pause figure(2) %图二为三个声音样本的频谱分析 subplot(311) stem(t,abs(fft(sd1); %fft 对声音信号进行快速傅里叶变换 xlabel(单位：Hz);ylabel(幅度); title(三个声音样本的频谱分析); %*FM 调制* fprintf(按任意键开始已调信号的时域分析: n); pause dt=1/44100; t=0:dt:(duration*fs-1)/fs; fc=4000; %设定载波频