基于MATLAB的FM信號的產(chǎn)生、傳輸、接受、解調(diào).doc

精品文檔電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)報告姓 名 學(xué) 號：王瑞琦 2011019050007 朱聞一 2011019050011 李虹杉 2011019050022課 程 名 稱：通 信 原 理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：仿真FM信號產(chǎn)生與接收指導(dǎo)教師：傅 志 中日期：2013 年 11 月 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^仿真FM信號的產(chǎn)生與接受的課程設(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。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)。二、實(shí)驗(yàn)器材2臺PC，MATLAB軟件，1根音頻傳輸線三、實(shí)驗(yàn)原理：FM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計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。信息源發(fā)送設(shè)備信 道接受設(shè)備信息源噪聲源發(fā)送端接收端信道信息源（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?，即使發(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?。信息源和發(fā)送設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)送端。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?；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(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。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)制的信號搬移（解調(diào)）到原來的頻率范圍，這就是解調(diào)的過程。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。調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用。一方面，通過調(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?，調(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。調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，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)。1、FM調(diào)制原理 調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用。一方面，通過調(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?，調(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。調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，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)。而頻率（FM）調(diào)制的名稱源于m(t)與已調(diào)信號的頻率呈線性關(guān)系。FM調(diào)制就是將調(diào)制信號的變化映射到已調(diào)信號的頻率大小。FM調(diào)制模型：其中，為基帶調(diào)制信號，設(shè)調(diào)制信號為設(shè)正弦載波為可得到已調(diào)調(diào)頻信號為 2、FM解調(diào)原理調(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)。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。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。設(shè)輸入調(diào)頻信號為微分器的作用是把調(diào)頻信號變成調(diào)幅調(diào)頻波。微分器輸出為包絡(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3、調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能從前面的分析可知，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。設(shè)調(diào)頻信號為故其輸入功率為輸入噪聲功率為因此輸入信噪比為在大信噪比條件下，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 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。我們?nèi)缛艨紤]為單一頻率余弦波時的情況，可得到解調(diào)器的制度增益為考慮在寬帶調(diào)頻時，信號帶寬為則可以得到可以看出，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?，加大調(diào)頻指數(shù)，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。四、仿真程序%FM調(diào)制dt=1/22050;%定義時間間隔Ac=0.5;%載波幅度Km=200;%調(diào)幅指數(shù)fc=500;%載波頻率t=0:dt:5;m=cos(2*pi*20*t);%調(diào)制信號figure(1),subplot(2,1,1);plot(t,m);title(調(diào)制信號時域圖)subplot(2,1,2);plot(abs(fft(m);title(調(diào)制信號的頻譜圖)C=cos(2*pi*fc*t);%載波信號s=Ac*cos(2*pi*fc*t+2*pi*Km*dt*cumsum(m);%已調(diào)信號sound(s,22050)%播放(發(fā)送)調(diào)制好的信號figure(2),subplot(2,1,1);plot(s);title(已調(diào)信號時域圖)subplot(2,1,2);plot(abs(fft(s);title(已調(diào)信號的頻譜圖)sound（s,22050）%FM解調(diào)AI = analoginput(winsound); %建立設(shè)備對象chan = addchannel(AI,1); %創(chuàng)建信號通道，此處選擇一個聲道%獲取set設(shè)定的屬性可通過以下方式:% AI = analoginput(winsound);% set(AI)set(AI,SampleRate,8000); %設(shè)置AD采樣率為8KHzSR = get(AI,SampleRate); %獲得實(shí)際采樣率set(AI,TriggerChannel,chan); %設(shè)置觸發(fā)通道set(AI,TriggerType,software); %設(shè)置觸發(fā)類型set(AI,TriggerCondition,rising); %設(shè)置為上升型觸發(fā)set(AI,TriggerConditionValue,0.001); %設(shè)置出發(fā)電壓值set(AI,TriggerDelay,0); %設(shè)置觸發(fā)時延set(AI,TriggerDelayUnits,seconds); %設(shè)置觸發(fā)時延的單位set(AI,timeout,4); %定義超時值clear data1;%啟動聲卡采集start(AI)%通常條件下執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取，若發(fā)生異常，則顯示超時try %data1,time = getdata(AI); data1 = getdata(AI,8000);catch data1=0 disp(A timeout happened!);endT = 0:1/length(data1):1;T1 = T(1:(length(T)-1);figure(1),stem(T1,data1,g);title(采集到的信號圖);xlabel(time/second);ylabel(voltage/v);%axis(0,0.1,-1.5,1.5);%解調(diào)采集到的離散數(shù)值for kk=1:(length(data1)-1) R(kk) = (data1(kk+1)-data1(kk)/(1/(length(data1);end%包絡(luò)濾波Rt = abs(hilbert(R);%恢復(fù)基帶調(diào)制信號Rt1 = (Rt-2*pi*400)/(2*pi*100);%繪制解調(diào)后的信號圖T2 = T1(1:(length(T1)-1);figure(2),plot(T2,Rt1,g);title(解調(diào)后的信號圖);xlabel(time/second);ylabel(voltage/v);figure;plot(data1)wavplay(Rt1,SR); %播放解調(diào)后的音頻信號五、結(jié)果分析調(diào) 制 端：已知被調(diào)信號表達(dá)式m，根據(jù)表達(dá)式利用plot函數(shù)求出時域曲線，調(diào)用快速傅里葉變換求出頻域表達(dá)式，再利用plot函數(shù)求出頻域曲線將調(diào)制信號頻譜圖局部放大上圖表示的是一個是頻率為20Hz的余弦信號的調(diào)制信號，下部分是調(diào)制信號的頻譜圖。 對此信號調(diào)制，我們選擇載波頻率為fc=500。調(diào)制的作用就是進(jìn)行各種信號的頻譜搬移，使其托附在不同頻率的載波上。下圖是已調(diào)信號的時域圖和頻域圖：我們將其局部放大可以看到：從上圖可以看到，已調(diào)信號的時域圖仍是余弦信號，但確是疏密不均勻的，這中現(xiàn)象和調(diào)制信號m和已調(diào)信號s的構(gòu)成有關(guān)，調(diào)制信號m作用在余弦波的角度引起一條信號相量在圓周“晃動”，所以我們易知m信號的幅度越大的地方其相應(yīng)的s信號就越密；如果調(diào)制信號為常數(shù)，則已調(diào)信號將會是標(biāo)準(zhǔn)的余弦信號。從頻譜圖上看，其頻譜集中在兩個如圖所示的頻段，相對于調(diào)制信號的頻譜只有少量的移動。雖然調(diào)制信號m是單一頻率，但由它產(chǎn)生的FM信號卻包含了處在波分量以外的無窮多邊頻分量，及產(chǎn)生了許多的新的頻率分量，這樣的調(diào)制顯然是非線性的。解 調(diào) 端：這是通過聲卡采樣接收到的信號，在時域圖中，余弦信號的幅度有所下降，但七整體形狀還是機(jī)會保持不變；而在頻域圖中，除了信號幅度之外，頻譜也發(fā)生了移動，還可以看到多了許多新的分量，因?yàn)榇诵盘枌?shí)質(zhì)是通過對已調(diào)信號的采樣而得到的，當(dāng)然，傳輸信道中存在的噪聲也是另一個原因。 通過對FM信號微分，再經(jīng)過包絡(luò)檢波解調(diào)的得到的解調(diào)信號基本上恢復(fù)了調(diào)制信號的模樣（幅度會發(fā)生變化）。該方法不用產(chǎn)生嚴(yán)格同步的本地參考載波，因此是非相干解調(diào)。六、含高斯白噪聲的仿真實(shí)現(xiàn)通過函數(shù)awgn(s,dB)加入高斯白噪聲，解調(diào)部分加入如下程序figure(3); Hd=fiter;output=filter(Hd,Rt1);plot(output);title(濾波后的波形); 來濾除噪聲。帶通濾波器的作用是讓信號完全通過最大限度的抑制信號頻帶外的噪聲。大信噪比：若所加噪聲為40dB將其局部放大我們可以看到：此時所加噪聲為40Db，能夠正確的解調(diào)出原波形，此時適當(dāng)增大調(diào)頻指數(shù)，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善，但隨著調(diào)頻指數(shù)的提高，傳輸帶寬也提高了，系統(tǒng)的輸入噪聲功率也隨之增大，結(jié)果輸入信噪比降低，可能使系統(tǒng)出現(xiàn)門限效應(yīng)。小信噪比：若所加噪聲為20dB 將以上已調(diào)信號局部放大從以上圖形我們可以看到，到所加噪聲20dB時，解調(diào)過后的波形有明顯的失真存在，這是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)輸入信噪比小到門限以下后，會出現(xiàn)門限效應(yīng)，此時已不可能將信號與噪聲分開。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、雖然從理論上來說FM調(diào)制是屬于模擬傳輸?shù)膬?nèi)容，但在計算機(jī)中是用數(shù)字化方法處理的，因?yàn)橛嬎銠C(jī)本身就只能處理離散的數(shù)據(jù)，因此該仿真系統(tǒng)中定義的fs盡量要大一些。而且，當(dāng)改變載波頻率時，采樣頻率也要隨著改變，而且必須至少要達(dá)到載波頻率的3倍（而不是理論上的2倍），調(diào)制后的信號才能很好的恢復(fù)。2、調(diào)制指數(shù)較大時，調(diào)制產(chǎn)生的FM信號與原信號有非常明顯區(qū)別，頻率變化較大，當(dāng)調(diào)制指數(shù)較小時，調(diào)制產(chǎn)生失的FM信號與原信號的區(qū)別不是很大，即頻率變化很小。調(diào)制指數(shù)較大時，頻譜的變化較大，信號的帶寬增加，進(jìn)行了搬移等。采用包絡(luò)檢波都可以恢復(fù)原始信號但是必須經(jīng)過放大。3、載波信號必是一個周期信號，而由級數(shù)可知，任何周期函數(shù)都可寫成三角級數(shù)的組合形式，則說明載波信號實(shí)質(zhì)上還是許多正、余弦的疊加在發(fā)揮作用，故直接就取載波信號為余弦信號，這樣既直接又方便。4、本實(shí)驗(yàn)還涉及到將聲卡作為對象處理采集語音信號，操作時首先要對聲卡產(chǎn)生一個模擬輸入對象（AI），給AI對象添加一個通道，設(shè)置采樣率后，就可以啟動設(shè)備對象，開始采集數(shù)據(jù)，采集完成后停止對象并刪除對象。但是對聲卡本身而言，