FM調(diào)制解調(diào)要點(diǎn)

1、通信原理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱：基于FM信號調(diào)制解調(diào)的 matlab仿真 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：KA116 姓名：汪輝/胥譯涵 學(xué)號：2011019100013 /2011019100027 摘要：FM在通信系統(tǒng)中的使用非常廣泛。FM廣泛應(yīng)用于高保真音樂廣播、 電視伴音信號的傳輸、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)等。本設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB 集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制與解調(diào)過程，并分別繪制出基帶 信號、載波信號、已調(diào)信號的時(shí)域波形，再進(jìn)一步分別繪制出對已調(diào)信號疊加噪 聲后信號。相干解調(diào)后信號和解調(diào)基帶信號的時(shí)域波形。最后繪出FM基帶信號 通過上述信道和調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)后的誤碼率與信噪比的關(guān)系，并通過與理論

2、結(jié)果 波形對比來分析該仿真調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的正確性及噪聲對信號解調(diào)的影響。在課 程設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)開發(fā)平臺為 Windows 7使用工具軟件為MATLAB 7.0在該平臺 運(yùn)行程序完成了對FM調(diào)制和解調(diào)以及對疊加噪聲后解調(diào)結(jié)果的觀察。通過該課 程設(shè)計(jì)，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)FM信號通過噪聲信道，調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的仿真目的。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過FM信號的MATLA仿真設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)，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(jì)FM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并對其 進(jìn)行仿真。 二、實(shí)驗(yàn)要求 1、熟悉調(diào)制和解調(diào)的原理，調(diào)制的分類和解

3、調(diào)的分類。熟悉并掌握調(diào)頻信 號的產(chǎn)生與解調(diào)。 要求能夠熟練應(yīng)用MATLA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)字基帶信號的傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)與仿真。所有的仿真用MATLAB 程序?qū)崿F(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。 簡述理論原理；Matlab程序，要點(diǎn)旁注（可手寫）；圖示波形，說明合理性； 其他重要數(shù)據(jù)、嘗試與思考說明，兩人一組，兩機(jī)器互連，解調(diào) 三、實(shí)驗(yàn)原理： 1、通信按照傳統(tǒng)理解就是信息傳輸。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，且

4、信息是多種多樣的。通信系統(tǒng)對信號進(jìn)行兩種 基本變換：第一、要把發(fā)送的消息要變換成原始電信號。第二、將原始電信號 調(diào)制到頻率較高的載頻上，使其頻帶適合信道的輸。解調(diào)后的信號稱為基帶信 號，已調(diào)信號也稱為頻帶信號。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。 圖1通信系統(tǒng)組成 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?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

5、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。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(shí)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(shí)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

6、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(shí)的 抗干擾能力，同時(shí)，它還和傳輸效率有關(guān)。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。 可見，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。在本仿真的過 程中我們選擇用同步解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào) 2、調(diào)制過程 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信 道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制。在無線通信 中和其他大多數(shù)場合下，調(diào)制

7、一詞均指載波調(diào)制。 載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)過程，是載波的某一個或某幾 個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律而變化。 調(diào)制信號是指來自信源的消息信號， 這些信 號可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未受調(diào)制的周期性振蕩信號稱為載波， 它可 以是正弦波，也可以是非正弦波 為什么要進(jìn)行載波調(diào)制呢？基帶信號對載波的調(diào)制是為了實(shí)現(xiàn)下列一個或 多個目標(biāo)：第一，在無線傳輸中，信號是以電磁波的形式通過天線輻射到空間的。 為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸必須與發(fā)射信號波長想比擬。 而基帶信號 包含的較低頻率較長，致使天線過長而難以實(shí)現(xiàn)。第二，把多個基帶信號分別搬 移到不同的載波處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信

8、道利用率。第三，擴(kuò)展信號 帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾，抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。 因此，調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的作用和影響。采用什么樣的 調(diào)制方式將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。 信息源（簡稱信源）的作用是把各種信息轉(zhuǎn)換成原始信號。信息源和發(fā)送設(shè) 備統(tǒng)稱為發(fā)送端。在通信系統(tǒng)的發(fā)送端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。調(diào)頻的方法主要由兩種：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻， 本設(shè)計(jì)使用直接調(diào)頻。調(diào)頻就是用調(diào)制信號控制載波的頻率變化，直接調(diào)頻就是 用調(diào)制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律線性地變化。 這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的

9、要求下， 可以獲得較大的頻偏；主要缺 點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度不咼。 3、解調(diào)過程 解調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收的已調(diào)信號中恢復(fù)原基帶信號。 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。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)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，軍事頻譜搬移。調(diào)制是把 基帶信號的頻譜搬到了載波位置，這一過程可以通過一個相乘器與載波相乘來實(shí) 現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把在載頻位置的已調(diào)信號的頻譜搬回到原始基帶 位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào)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；

10、而非相干解調(diào)不需要同步信號，是FM系 統(tǒng)的主要解調(diào)方式，本設(shè)計(jì)采用非相干解調(diào)。 4、噪聲 我們將信道中存在的不需要的電信號統(tǒng)稱為噪聲。 通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加 在信號上的，沒有傳輸信號時(shí)通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中。 噪聲可以看成是信道中的一種干擾， 也稱為加性干擾，因?yàn)樗钳B加在信號之上 的。噪聲對于信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真，是數(shù)字信號發(fā)生錯碼， 并限制著信息的傳輸速率。 按照來源分類，噪聲可以分為人為噪聲和自然噪聲兩大類。人為噪聲是有人 類的活動產(chǎn)生的，自然噪聲是自然界中存在的各種電磁波輻射， 此外還有一種很 重要的自然噪聲，即熱噪聲。熱噪聲來自一切電子型元器

11、件中電子的熱運(yùn)動。 由 于在一般的通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的， 好像白光的 頻譜在可見光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布那樣， 所以熱噪聲又常稱為白噪聲。由于熱 噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動產(chǎn)生的， 其統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，故常將熱噪聲 稱為高斯白噪聲。在本仿真的過程中我們假設(shè)信道為高斯白噪聲信道。 四、FM信號調(diào)制解調(diào)模型的建立與分析 1、FM調(diào)制模型 m(t) Sfm FM調(diào)制器 (t) 圖3 FM調(diào)制模型 其中，m(t)為基帶調(diào)制信號，設(shè)調(diào)制信號為 m t 二 Acos 2二 fmt 設(shè)正弦載波為 c t = cos 2 二 fct 2 信號傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率為 二

12、。 2、調(diào)制過程分析 在調(diào)制時(shí)，調(diào)制信號的頻率去控制載波的頻率的變化, 制信號m(t)成正比例變化，即 載波的瞬時(shí)頻偏隨調(diào) dt dt Kf m t 式中，Kf為調(diào)頻靈敏度(rads.v) 這時(shí)相位偏移為 t 二 K f m d 則可得到調(diào)頻信號為 SFM(t) =Acosft +Kf Jm(i Jd 3、FM解調(diào)模型 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) 鑒頻器 圖6解調(diào)模型 t Ufm (t )=UcCOS(GOot +kf JoUt )dt ) 設(shè)相干載波為 c t = cos 2 pi fc t 乘法器的作用是把調(diào)頻信號變成有多種頻率的波的混合，乘法器輸出為 1 sin 2

13、 ct 2 經(jīng)低通濾波器后取出器低頻分量為 1 Sd t = - K f . m t dt 在經(jīng)過微分器，即得出解調(diào)出的基帶信號： 1 mo tKfm t 相干解調(diào)可以恢復(fù)出原來的基帶信號，而且要求本地載波與調(diào)制載波同步，否 則會使解調(diào)信號失真。 1、調(diào)制程序: %產(chǎn)生調(diào)制信號 fun ctio n myfu n() dt=1/441OO;%采樣間隔，即采樣頻率取為44100HZ t=O:dt:1; am=i nput(模擬信號的幅度=); fm=input(模擬信號的頻率=); mt=am*cos(2*pi*fm*t);% 模擬信號生成 fc=input(模擬信號的載波頻率=); ct=co

14、s(2*pi*fc*t);% 載波生成 subplot(1,2,1); plot(t,mt);% 畫圖 xlabel(t); ylabel(模擬信號 m(t); Kfm=input(頻偏常數(shù)=); Sfm=am*cos(2*pi*fc*t+am*si n(2*pi*fm*t)*Kfm/fm);%產(chǎn)生已調(diào)信號 subplot(1,2,2); plot(0.01*t,Sfm); xlabel(t); ylabel(調(diào)制信號 Sfm(t); sound(Sfm,44100);%通過身卡發(fā)送聲音信號 Smt 2、在沒音頻線傳輸時(shí)，模擬信道噪聲程序(若用音頻線傳輸則此步 驟應(yīng)略去)： SNR=30;%模

15、擬信道的信噪比(可根據(jù)設(shè)計(jì)的需要更改進(jìn)行測試) y1=awg n(Sfm,SNR);%加入模擬信道的高斯白噪聲 3、 解調(diào)程序(先通過在工作窗口調(diào)用函數(shù)fdatool設(shè)計(jì)濾波器BPF 和 LPF): %解調(diào)接收到的信號 fun ctio n myfu n() y2=wavrecord(44101,44100);% 接收聲音信號 Sfm=conv(y2,BPF);%讓收到的信號通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的帶通濾波器 for i=1:le ngth(t)-1 diff_Sfm(i)=(Sfm(i+1)-Sfm(i)./dt;% 讓信號通過微分器 end S=conv(Sfm,LPF);%讓收到的信號通過已經(jīng)設(shè)

16、計(jì)好的低通濾波器 S=abs(hilbert(S);%用希爾伯特變換實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波 plot(S);% 畫圖 xlabel(t); ylabel(解調(diào)后的信號S( t); |Designing Filter. Done； 結(jié)果：圖1:帶通濾波器的設(shè)計(jì)圖 Q Alter Design % 畫圖 xlabel(t); ylabel(解調(diào)后的信號S1(t); File Edit View Insert Tools Desktop Window Help爼 te題0的宦a .2 o * h H - lnl l 0.511.622.533 644 5 x104 圖形分析：由于實(shí)驗(yàn)中不可避免的有干擾和噪聲，

17、而手動設(shè)計(jì)濾波器是，對截 止頻率可能會存在偏差（即使在計(jì)算后），難免會讓解調(diào)后的波形和用 matlab 自帶的解調(diào)函數(shù)demod解調(diào)出來的波形之間存在差異，也就是失真，但若在我 們的允許范圍內(nèi)，還是可以接受的。當(dāng)然也可以不用解調(diào)函數(shù)，完全和計(jì)算的 理論值比較。但用demod函數(shù)較為方便。 分工： 實(shí)驗(yàn)前分析：汪輝胥譯涵 做實(shí)驗(yàn)：汪輝胥譯涵 寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告及體會：汪輝胥譯涵 實(shí)驗(yàn)心得體會 汪輝 / 胥譯涵 2011019100013/20110佃100027 在做實(shí)驗(yàn)前，我們認(rèn)真的問過老師，并很好的分析了實(shí)驗(yàn)的原 理，制定了實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行步驟和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)過程，在做好模型和查閱相 關(guān)步驟的matlab程序

18、實(shí)現(xiàn)之后，自我感覺良好。但開始做實(shí)驗(yàn)的時(shí) 候，出現(xiàn)了很多之前沒有預(yù)計(jì)到的問題， 使得剛開始始終停留在某一 步驟，進(jìn)展不是很大，在加上沒有音頻線，只用matlab的awgn(y,SNR) 模擬傳輸始終和真實(shí)的音頻線不一樣，而且我們只考慮了理想信道下 的FM調(diào)制解調(diào)過程，在無噪聲的情況下，過程比較簡單，當(dāng)然在轉(zhuǎn) 化成MATLAB語言的時(shí)候，我們也遇到了很多小問題，特別是在做 處理的時(shí)候X的點(diǎn)數(shù)和Y點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)不同的時(shí)候畫圖會出問題，所以 會有點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)化問題。還有就是在進(jìn)行采樣的時(shí)候，因?yàn)樾盘柕念l率 是給定的，載波的信號也是給定的，所以就涉及到采樣頻率的問題。 剛開始的時(shí)候，我們在對已調(diào)信號取點(diǎn)的時(shí)候，

19、忽略了這個問題，導(dǎo) 致信號的失真。當(dāng)然，對于我們實(shí)驗(yàn)的最大的問題還是傳輸?shù)膯栴}， 剛開始我們沒有音頻線，我們以為可以傳輸成功，至少會有采樣點(diǎn)， 但是沒有，一方面，是我們的接收函數(shù)出現(xiàn)問題了，我們用錯了函數(shù) (應(yīng)該用wavrecord，我們用成了 sou nd,可能是因?yàn)镸ATLAB型號 的原因吧)。另一方面，我們分析就是沒有音頻線，無線的環(huán)境太復(fù) 雜，相比有線環(huán)境的噪聲更大，所以我們不會成功接收到信號的。后 來在調(diào)整了函數(shù)和用上音頻線后，我們接收到了帶有噪聲的信號。聽 聲音聽起來是一樣的，但是分析頻譜來看，解調(diào)后的信號混有很多高 頻噪聲，這是由于我們考慮的情況是理想的情況。在整個過程中，聲 卡和音頻線都會有噪聲，當(dāng)信號通過這個系統(tǒng)后，我們接收到的信號 必然會失真。而我們聽到的