FM(窄帶)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱 _ _ FM（窄帶）調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)_學(xué) 院 電子信息學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 定稿日期： 2017 年 01月13 日目錄1 課程設(shè)計(jì)題目22 課程設(shè)計(jì)目的22.1課程設(shè)計(jì)的目的22.2課程設(shè)計(jì)的背景22.3課程設(shè)計(jì)的環(huán)境23 課程設(shè)計(jì)時(shí)間34 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容34.1 SystemView軟件簡(jiǎn)介34.2設(shè)計(jì)內(nèi)容分析34.2.1通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介34.2.2 FM調(diào)制系統(tǒng)的建立44.3仿真模型的建立64.4仿真模型結(jié)果74.5 模塊說(shuō)明及參數(shù)設(shè)置114.6 仿真結(jié)果分析125 課程設(shè)計(jì)體會(huì)13參考文獻(xiàn)131 課程設(shè)計(jì)題目FM（窄帶）調(diào)制

2、解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)2 課程設(shè)計(jì)目的2.1課程設(shè)計(jì)的目的（1）學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能，學(xué)會(huì)利用仿真的手段對(duì)于實(shí)用通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證（2）學(xué)習(xí)現(xiàn)有流行通信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法，學(xué)會(huì)使用這些軟件解決實(shí)際系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題。（3）通過(guò)系統(tǒng)仿真加深對(duì)通信課程理論的理解。2.2課程設(shè)計(jì)的背景調(diào)制與解調(diào)在整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)中起著很重要的作用。調(diào)制包含調(diào)節(jié)或調(diào)整的意義。調(diào)制的主要目的是使經(jīng)過(guò)編碼的信號(hào)特性與信道的特性相適應(yīng)，使信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后能夠順利通過(guò)信道傳輸。通過(guò)調(diào)制，不僅可以進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所需要的位置上，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適

3、合于傳播的已調(diào)信號(hào)，而且它對(duì)系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制方式往往決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。調(diào)制方式分模擬調(diào)制系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。在模擬調(diào)制系統(tǒng)中又可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種，而這里將對(duì)非線性調(diào)制中的調(diào)頻調(diào)制，即FM中窄帶的調(diào)制解調(diào)做一個(gè)深入研究。FM在當(dāng)今通信系統(tǒng)中用途非常廣泛，可用于高保真音樂(lè)廣播、電視伴音信號(hào)的傳輸、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)等等方面。2.3課程設(shè)計(jì)的環(huán)境本次課程設(shè)計(jì)所采用的仿真環(huán)境為SystemView5.03 課程設(shè)計(jì)時(shí)間 一周4 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1 SystemView軟件簡(jiǎn)介Elanix公司的SystemView是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和分

4、析的可視化環(huán)境，主要用于電路和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層的設(shè)計(jì)、仿真要求。在SystemView環(huán)境下，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種速率的系統(tǒng)，可用于線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。SystemView包括基本庫(kù)和專業(yè)庫(kù)。SystemView可以實(shí)時(shí)仿真各種DSP結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行各種系統(tǒng)時(shí)域和頻域分析、譜分析，對(duì)各種邏輯電路、射頻/模擬電路(混合器、放大器、RLC電路和運(yùn)放電路)等進(jìn)行理論分析和失真分析。SystemView的各種專業(yè)庫(kù)特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和方案論證。隨著通信技術(shù)

5、的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)和仿真難度也隨之加大，利用SystemView可以十分方便地完成相應(yīng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。4.2設(shè)計(jì)內(nèi)容分析4.2.1通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介通信的目的是傳遞消息中包含的信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信息源發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)目的地。通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩種基本變換，即把要發(fā)送的信息變換成原始電信號(hào)和將原始電信號(hào)調(diào)制到較高的載頻上，使其頻帶適合信道的傳輸。數(shù)字通信系統(tǒng)有多種，如數(shù)字電話系統(tǒng)、高速計(jì)算機(jī)并行數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)等。其模型如下：信宿信源編碼信道解碼解調(diào)信道調(diào)制信道編碼信源信源編碼同步噪聲發(fā)送端接收端圖4.2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型4.2.2 FM調(diào)制系統(tǒng)的建立（1）FM調(diào)制

6、原理FM為非線性調(diào)制。設(shè)一個(gè)載波可以表示為：(4.2.1)式中，為載波的瞬時(shí)相位，為載波的初始相位，為載波頻率?，F(xiàn)將被角度調(diào)制后的定義為瞬時(shí)頻率，即： (4.2.2)由公式4.2.2可寫出： (4.2.3)若相位（即）隨調(diào)制信號(hào)m(t)以某種方式變化，則稱之為角度調(diào)制。若使瞬時(shí)頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線性地變化，則得到頻率調(diào)制，即調(diào)頻，此時(shí)有瞬時(shí)角頻率: (4.2.4)由公式4.2.2可得： (4.2.5)若調(diào)頻信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移保持在很小的范圍內(nèi)，一般小于30°，即： (4.2.6)則稱為窄帶調(diào)頻或窄帶調(diào)相。頻率調(diào)制（FM）即已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率偏移隨原始基帶信號(hào)線性變化，亦即： (

7、4.2.7) 其中為調(diào)頻靈敏度 或有 (4.2.8)調(diào)頻波的時(shí)間表達(dá)式： （4.2.9）其中，A 是載波的振幅，是角度調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位，而是瞬時(shí)相位偏移;為信號(hào)的瞬時(shí)頻率，而 稱為瞬時(shí)頻率偏移，即相對(duì)于的瞬時(shí)頻率偏移。若為單余弦調(diào)制信號(hào)（）,則調(diào)頻波的時(shí)間表達(dá)式為： （4.2.10）上式中稱為調(diào)頻指數(shù)，為最大角頻率偏移。 調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率偏移與調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系，而其瞬時(shí)相位偏移與調(diào)制信號(hào)的積分呈線性關(guān)系。從頻率調(diào)制的相位與頻率關(guān)系可以看出，調(diào)頻信號(hào)可通過(guò)直接調(diào)頻和間接調(diào)頻兩種方式得到。間接調(diào)頻就是先對(duì)調(diào)制信號(hào)積分再調(diào)相得到。（2）FM解調(diào)原理a.非相干解調(diào)由于調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率正比于調(diào)制信

8、號(hào)的幅度，因而調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)必須能產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓，由公式4.2.5可得當(dāng)已調(diào)信號(hào)表示式為公式4.2.9時(shí)，解調(diào)器的輸出應(yīng)為: （4.2.11） 最簡(jiǎn)單的解調(diào)器是鑒頻器。理想的鑒頻器可以看做是微分器與包絡(luò)檢波器的級(jí)聯(lián)。調(diào)頻器通過(guò)微分器得到調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)，如果只取其包絡(luò)信息，則正比于調(diào)制信號(hào)m(t)，然后濾掉之流分量后，包絡(luò)檢波器輸出 （4.2.12）其中為鑒頻器的靈敏度b.相干解調(diào)非線性解調(diào)制信號(hào)的解調(diào)與線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)基本一樣，也分相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法。非相干解調(diào)的方法上面已經(jīng)介紹過(guò)，而相干解調(diào)的方法適用于窄帶調(diào)制信號(hào)。相干解調(diào)的方框圖為： NBFM Z(t)C(t)圖4

9、.2.2 NBFM相干解調(diào)由于窄帶調(diào)頻信號(hào)可分解成正交分量與同相分量之和，因而可以采用線性調(diào)制中的相干解調(diào)法來(lái)進(jìn)行解調(diào)。設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)為： （4.2.13）相干載波為，則乘法器輸出為:（4.2.14）經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得再經(jīng)微分，得輸出信號(hào): （4.2.15）可見(jiàn)，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，這種解調(diào)方法與線性調(diào)制中的相干解調(diào)一樣，要求本地載波與調(diào)制載波同步，否則將使解調(diào)信號(hào)失真。4.3仿真模型的建立實(shí)驗(yàn)使用了間接調(diào)頻，即先對(duì)調(diào)制信號(hào)積分再調(diào)相。最后使用相干解調(diào)法還原信號(hào)，即輸出解調(diào)信號(hào)。圖4.3.1 窄帶調(diào)頻原理框圖圖4.3.2 相干解調(diào)原理圖如上圖制作仿真模型，圖4.3.3左右分別

10、為間接調(diào)頻和相干解調(diào)。圖4.3.3 FM間接法調(diào)頻調(diào)制與解調(diào)的仿真模型在圖中，圖符1、2、3、4為調(diào)頻器，圖符0為幅度為1V，頻率為10Hz的正弦波信號(hào)，圖符5為幅度為3V、頻率為100Hz的正弦波信號(hào)，圖符8為幅度為1V，頻率為100Hz的正弦波信號(hào)。從圖符0到圖符6是對(duì)FM信號(hào)的調(diào)制階段，從圖符7到圖符12為解調(diào)階段。需注意圖符11為一切比雪夫?yàn)V波器，其作用是用作環(huán)路濾波。本仿真模型的流程如下：圖4.3.4 FM調(diào)制解調(diào)流程4.4仿真模型結(jié)果仿真后的波形圖以及頻譜圖如下：圖4.4.1 調(diào)制信號(hào)波形FM的輸入信號(hào)是正弦波圖4.4.2 調(diào)制信號(hào)頻譜波形調(diào)制信號(hào)頻譜波形是在調(diào)制波形的基礎(chǔ)上進(jìn)行傅

11、里葉變換后所得出的圖4.4.3 已調(diào)信號(hào)波形調(diào)制后的波形，按照原理，F(xiàn)M角度調(diào)制出來(lái)的波形特征為：頻率周期性地稀疏變化，所以波形調(diào)制成功。圖4.4.4 已調(diào)信號(hào)頻譜波形圖4.4.5 解調(diào)信號(hào)波形解調(diào)后的波形圖4.4.6 解調(diào)信號(hào)頻譜波形圖4.4.7 載波信號(hào)波形圖4.4.8 載波信號(hào)頻譜波形頻率調(diào)制（FM），是指瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)m（t）成比例變化，則可得到調(diào)頻信號(hào)為4.5 模塊說(shuō)明及參數(shù)設(shè)置模塊0：輸入信號(hào)Token 0 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 vFreq = 10 HzPhase = 0 degOutput 1 = Cosine Max

12、 Rate (Port 0) = 2e+3 Hz模塊1：Function Library說(shuō)明：積分器Token 1 Parameters:Operator: IntegratorZero Order Initial Condition = 0 v模塊2：Gain 說(shuō)明：增益 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理 Gain=3模塊3：Multiplier 說(shuō)明：該模塊是一個(gè)乘法器，將輸入的信號(hào)相乘后輸出。Token 3 Parameters:Multiplier: Non ParametricInputs from 2 5Outputs to 4模塊4：Negate說(shuō)明：取負(fù)數(shù)模塊5：載波信號(hào)，載波在解調(diào)過(guò)程中作

13、用是識(shí)別原來(lái)的信號(hào)Token 6 Parameters:Source: SinusoidAmp = 3 vFreq = 100 HzPhase = 0 degOutput 0 = Sine t3Output 1 = Cosine t6 t14 Max Rate (Port 1) = 2e+3 Hz模塊6：加法器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加法操作模塊7：雙通濾波器Liner SysChebyshev Bandpass IIR5 PolesLow Fc=80HzHi Fc=120HzQuant Bits=NoneInit Cndtn=TransientDSP Mode Disabled模塊8：Source L

14、ibrarySource: SinusoidAmp = 1 vFreq = 100 HzPhase = 0 deg Max Rate (Port 1) = 2e+3 Hz 模塊9：Negate說(shuō)明：取負(fù)數(shù)模塊11：Operator Library說(shuō)明：該模塊是一個(gè)切比雪夫?yàn)V波器Token 14 Parameters:Operator: Linear SysChebyshevLowpass IIR5 PolesFc = 25 HzQuant Bits = NoneInitCndtn = TransientDSP Mode DisabledMax Rate = 2e+3 Hz模塊15：該模塊是將信

15、號(hào)微分，完成解調(diào)4.6 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析：鑒于鑒頻器不適于窄帶仿真，故本次設(shè)計(jì)采用了相干解調(diào)法對(duì)FM信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。從解調(diào)后的波形來(lái)看，與之前的輸入信號(hào)相比有輕微失真，可能原因分析如下：1、所選波形文件頻率與參數(shù)設(shè)置匹配沒(méi)有理論上理想，導(dǎo)致解調(diào)輪廓出現(xiàn)少量失真；2、該波形文件受高斯白噪聲的影響太大，以致解調(diào)輸出波形出現(xiàn)輕微失真。5 課程設(shè)計(jì)體會(huì)本周的實(shí)訓(xùn)是關(guān)于通信原理調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)通信原理課程理論之后，開設(shè)這類的課程設(shè)計(jì)，目的是讓我們更深刻的理解通信原理這門課，并且把所學(xué)的理論與實(shí)踐相聯(lián)系，同時(shí)，這對(duì)于課程原理的掌握起到了深化的作用。這次課程設(shè)計(jì)做的是FM窄帶調(diào)制

16、解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)。這次所用的軟件是SystemView5.0，拿到任務(wù)，一開始還真是沒(méi)概念，幸好老師發(fā)給我們的資料中有相關(guān)的例題，可以照著例題的思路進(jìn)行推究學(xué)習(xí)，從中獲取一些經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)老師提供的資料以及反復(fù)的嘗試終于知道如何操作這個(gè)軟件以及各圖符的功能。而在這次的設(shè)計(jì)中，我對(duì)FM的調(diào)制解調(diào)有了一定的了解。常見(jiàn)的模擬調(diào)制包括角度調(diào)制(FMPM)和幅度調(diào)制(AMDSB)，與幅度調(diào)制不同的是角度調(diào)制是原調(diào)制信號(hào)頻譜的非線性搬移，并且產(chǎn)生了新的頻譜分量，所以又稱為非線性調(diào)制。FM(調(diào)頻)在實(shí)際通信中的應(yīng)用非常廣泛，高保真音樂(lè)廣播、電視伴音信號(hào)傳輸、蜂窩電話以及衛(wèi)星通信等。與幅度調(diào)制相比，F(xiàn)M可以

17、獲得較高的抗噪聲性能。調(diào)頻即使頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線性變化，窄帶調(diào)頻可以由乘法器實(shí)現(xiàn)，因此必然可用相干解調(diào)的方法來(lái)回復(fù)原調(diào)制信號(hào)，NBFM信號(hào)在接收端首先經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除頻帶外信道加性噪聲，然后經(jīng)過(guò)乘法器與載波相乘，用低通濾波器濾除乘出來(lái)的高頻分量，最后經(jīng)微分器去掉外面的積分，在輸出端恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)f(t)。而信號(hào)在信道中的傳輸會(huì)失真有可能是因?yàn)槭艿皆肼曈绊?，這時(shí)就需要用調(diào)制的方法去恢復(fù)信號(hào)，降低噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。通過(guò)本次實(shí)訓(xùn)，我深刻體會(huì)到了通信原理設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的東西，不僅要學(xué)好書本知識(shí)，還必須隨時(shí)把所學(xué)知識(shí)投入實(shí)際應(yīng)用之中，只有這樣，才能達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。這次實(shí)踐中，我感覺(jué)到自己掌握的還是太匱乏了，當(dāng)用到某個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，經(jīng)常是概念不清。所以，我還是覺(jué)得必須很熟練的掌握專業(yè)知識(shí)，這樣才能很順暢的設(shè)計(jì)應(yīng)用、提高效率，考慮問(wèn)題也會(huì)更全面。參考文獻(xiàn)【1】 樊昌信，通信原理教程，電子工業(yè)出版社，2005【