fm課程設(shè)計---fm調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與仿真

1、<p>　　課 程 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　設(shè)計(論文)題目：FM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)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(shè)計的目的-2-</p><p>　　1.2 課程設(shè)計的要

2、求-2-</p><p>　　第2章 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計-3-</p><p>　　2.1 FM調(diào)制模型的建立-3-</p><p>　　2.2 調(diào)制過程分析-4-</p><p>　　2.3 FM解調(diào)模型的建立-5-</p><p>　　2.4 解調(diào)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(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能分析-9-</p><p>　　第3章 仿真實(shí)現(xiàn)-12-</p><p>　　3.1 MATLAB源代碼-12-</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果-19-</p><p>　　第4章 總結(jié)-24-&l

4、t;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)-25-</b></p><p>　　FM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與仿真</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　本課程設(shè)計用于實(shí)現(xiàn)FM信號的調(diào)制解調(diào)過程。信號的調(diào)制與解調(diào)在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。調(diào)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(diào)是調(diào)制的逆過程，即是將已調(diào)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(diào)來還原已調(diào)制信號從而讀取發(fā)送端發(fā)送的信息。因此信號的解調(diào)對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制與解調(diào)方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。FM信號的解調(diào)采用相干解調(diào)法，這種方式被廣泛應(yīng)用在載波通信和短波無線電話通信中。</p><p>　　1.1 課程設(shè)計的目的</p>&l

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

7、帶信號的傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計與仿真。所有的仿真用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)（即只能用代碼的形式，不能用SIMULINK實(shí)現(xiàn)），系統(tǒng)經(jīng)過的信道都假設(shè)為高斯白噪聲信道。模擬調(diào)制要求用程序畫出調(diào)制信號，載波，已調(diào)信號、解調(diào)信號的波形，數(shù)字調(diào)制要求畫出誤碼率隨信噪比的變化曲線。</p><p>　　第2章 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)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(shè)備的作用產(chǎn)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(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)送端。</p><p>　　發(fā)送端將信息直接轉(zhuǎn)換得到的較低頻率的原始電信號稱為基帶信號。通常基帶信號不宜直接在信道中傳輸。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(diào)制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸。這就是調(diào)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(diào)制的信號

10、搬移（解調(diào)）到原來的頻率范圍，這就是解調(diào)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(yuǎn)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(shè)信道為高斯白噪聲信道。</p><p>　　調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用。一方面，通

11、過調(diào)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(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號。另一方面，通過調(diào)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(guān)。具體地講，不同的調(diào)制方式產(chǎn)生的已調(diào)信號的帶寬不同，因此調(diào)制影響傳輸帶寬的利用率?？梢姡{(diào)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(diào)頻調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制。</p><p>　　調(diào)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(diào)是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復(fù)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(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。</p><p>　　2.1 FM調(diào)制模型的建立</p><p>　　圖2.2 FM調(diào)制模型</p><p>　　其中，為基帶調(diào)制信號，設(shè)調(diào)制信號為: </p><p><b

13、>　?。?-1）</b></p><p>　　設(shè)正弦載波為: （2-2）</p><p>　　2.2 調(diào)制過程分析</p><p>　　在調(diào)制時，調(diào)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(diào)制信號成正比例變化，即</p><p>

14、<b>　　（2-3）</b></p><p>　　式中，為調(diào)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(diào)頻信號為</b></p>

15、<p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　調(diào)制信號產(chǎn)生的M文件：</p><p>　　dt=0.001; %設(shè)定時間步長</p><p>　　t=0:dt:1.5; %產(chǎn)生時間向量&

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

17、 %生成調(diào)制信號</p><p>　　fc=50; %設(shè)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(shè)定調(diào)頻指數(shù)</p><p>　　int_mt(1)=0; %對mt進(jìn)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(diào)制，產(chǎn)生已調(diào)信號</p><p>　　圖2.3 FM調(diào)制</p><p>　　2.3 FM解調(diào)模型的建立 </p><p>　　調(diào)制信號的解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。相干解調(diào)僅僅適用于窄帶調(diào)頻信號，且需同步信號，故應(yīng)用范圍受

20、限；而非相干解調(diào)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(diào)方式。在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。</p><p>　　圖2.4 FM解調(diào)模型</p><p>　　非相干解調(diào)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(diào)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(diào)頻信號順利通過。鑒頻器中的微分器把調(diào)頻信號變成調(diào)幅調(diào)頻波，然后由包絡(luò)檢波器檢出包絡(luò)，最后通過低通濾波器取出調(diào)制信號。</p><p>　　2.4 解調(diào)過程分析</p><p><b>　　設(shè)輸入調(diào)頻信號為</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　微

22、分器的作用是把調(diào)頻信號變成調(diào)幅調(diào)頻波。</p><p>　　包絡(luò)檢波的作用是從輸出信號的幅度變化中檢出調(diào)制信號。包絡(luò)檢波器輸出為</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　稱為鑒頻靈敏度（），是已調(diào)信號單位頻偏對應(yīng)的調(diào)制信號的幅度，經(jīng)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?qū)崿F(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(luò)檢波）</p><p>　　通過M文件繪制出兩種不同信噪比解調(diào)的輸出波形如下：</p><p>　　圖2.5 FM解調(diào)</p><p>　

25、　2.5 高斯白噪聲信道特性</p><p>　　設(shè)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(biāo)準(zhǔn)高斯分布的內(nèi)部函數(shù)。函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)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>　?。?-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>　?。?-13）</b></p><p><b>　　則可得到公式</b></p><p><b>　　（2-14）</b></p>

28、<p>　　我們可以通過這個公式方便的設(shè)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(diào)信號的時域圖</p><p>　　圖2.7 含小信噪比高斯白噪聲已調(diào)信號的時域圖</p><p>　　圖

29、2.8含大信噪比高斯白噪聲已調(diào)信號的時域圖</p><p>　　2.6 調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能分析</p><p>　　從前面的分析可知，調(diào)頻信號的解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號，且需同步信號；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號，而且不需同步信號，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式，所以這里僅僅討論非相干解調(diào)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(diào)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(jīng)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(shè)調(diào)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>　　（2-16）</b></p><p><b>　　輸入噪聲功率為</b></p><p><b>　?。?-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(diào)器的輸出信噪比 </p><p><b>　　（2-19）</b>

33、;</p><p>　　上式中，為載波的振幅，為調(diào)頻器靈敏度，為調(diào)制信號的最高頻率，為噪聲單邊功率譜密度。</p><p>　　我們?nèi)缛艨紤]為單一頻率余弦波時的情況，可得到解調(diào)器的制度增益為</p><p><b>　　（2-20）</b></p><p>　　考慮在寬帶調(diào)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(diào)頻系統(tǒng)的信噪比增益是很高的，它與調(diào)頻指數(shù)的立方成正比?？梢姡哟笳{(diào)頻指數(shù)，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。<

35、;/p><p><b>　　第3章 仿真實(shí)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(jié)果</b></p><p>　　下圖為FM 信號調(diào)制過程仿真圖：</p><p

36、>　　圖3.2 FM信號調(diào)制</p><p>　　調(diào)制信號是頻率為1Hz，將兩種信號經(jīng)過相乘后，載波信號會攜帶調(diào)制信號的信息，而調(diào)制前后功率譜密度也會發(fā)生相應(yīng)的搬移。</p><p>　　下圖為調(diào)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(diào)頻譜</p><p>　　載波信號會攜帶調(diào)制信號的信息，而調(diào)制

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

38、;p>　　圖3.5 FM調(diào)制信號在小信噪比條件下的解調(diào)過程</p><p>　　調(diào)制信號經(jīng)過調(diào)制解調(diào)過程之后引入白噪聲，再經(jīng)過解調(diào)過程將調(diào)制信號解調(diào)出來，反應(yīng)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(nèi)）。</p><p>　　下圖為含大信噪聲條件下的解調(diào)過程：</p><p>　　圖3.5 FM調(diào)制信號在小信噪比條件下的解調(diào)

39、過程</p><p>　　調(diào)制信號經(jīng)過調(diào)制解調(diào)過程之后引入白噪聲，再經(jīng)過解調(diào)過程將調(diào)制信號解調(diào)出來，反應(yīng)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(nèi)）。</p><p><b>　　第4章 總結(jié)</b></p><p>　　課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的

40、重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程. 回顧起此次通信原理課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)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(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，

41、從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)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(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)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(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，同學(xué)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(xiàn)</b></p><p>　　[1] 姚東.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)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(shè)計與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.4.45-55</p><p>　　[3] 陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的