基于MATLAB的FM信號的產(chǎn)生、傳輸、接受、解調(diào)

1、日期： 2013 年 11 月電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)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 中精品文檔2歡迎下載一、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(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)行防真。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)。二、實(shí)驗(yàn)器

2、材2臺(tái)PC, MATLA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(jì)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(gè)或 多個(gè)目的地。對于任何一個(gè)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（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?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

3、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(huì)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精品文檔3歡迎下載們假設(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

4、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)。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(gè)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(gè)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

5、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)。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(gè)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(gè)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

6、。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:稱(/)I(0FM其中，m(t)為基帶調(diào)制信號，設(shè)調(diào)制信號為精品文檔4歡迎下載m(t) Acos(2 fmt)設(shè)正弦載波為c(t) cos(2 fct)可得到已調(diào)調(diào)頻信號為SFM(t) Accos2以2 kFMm(t)dt2、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言號和WBFM&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

7、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tS(t) SFM(t) Acos(ct Kfm( )d )微分器的作用是把調(diào)頻信號變成調(diào)幅調(diào)頻波。微分器輸出為精品文檔5歡迎下載S(t)dS(t) dSFM(t)Sd(t)dt dttcKfm(t) sin(ct Kfm( )d )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

8、出為So(t) Kd cKm(t) Kd cKdKm(t)Kd稱為鑒頻靈敏度(%z)，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mo(t)KdKfm(t)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)的抗噪聲性能功率譜密度為 no的高斯白噪聲，經(jīng)過帶通濾波器后變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼?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ni(t)。限故

9、其輸入功率為tSFM(t)Acos(ct Kfm( )d )圖中帶通濾波器的作用是抑制信號帶寬以外的噪聲。n(t)是均值為零，單邊精品文檔6歡迎下載信號和噪聲的相互作用可以忽略， 這時(shí)可以把信號和噪 聲分開來算，這里，我們可以得到解調(diào)器的輸出信噪比頻率，no為噪聲單邊功率譜密度。我們?nèi)缛艨紤] m(t)為單一頻率余弦波時(shí)的情況，可得到解調(diào)器的制度增益為50N3A22oNo3m2-512nofmNi考慮在寬帶調(diào)頻時(shí)，信號帶寬為BFM2(mf1)fm2( ffm)則可以得到2GFM3mf(mf1)可以看出，大信噪比時(shí)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。可見，加大調(diào)頻指數(shù)mf

10、，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。Si輸入噪聲功率為Ni3BFM因此輸入信噪比為SNiA22 BFM在大信噪比條件下,SoNo3A2K2m2(t)82nofm3上式中，A為載波的振幅,Kf為調(diào)頻器靈敏度，fm為調(diào)制信號 m(t)的最高GFM精品文檔7歡迎。下載四、仿真程序%FMM制dt=1/22050;%定義時(shí)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(subplot(2,1,2);plot(abs(fft(m);t

11、itle(C=cos(2*pi*fc*t);%載波信號s=Ac*cos(2*pi*fc*t+2*pi*Km*dt*cumsum(m);%sound(s,22050)%播放(發(fā)送)調(diào)制好的信號figure(2),subplot(2,1,1);plot(s);title(subplot(2,1,2);plot(abs(fft(s);title(sound(s,22050)%FMB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(gè)聲道%獲取set設(shè)定的屬性可通過以下方式:% AI = analogin

12、put(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(shí)延set(AI,TriggerD

13、elayUnits,seconds); %設(shè)置觸發(fā)時(shí)延的單位set(AI,timeout,4); %定義超時(shí)值clear data1; %啟動(dòng)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(shí)try%data1,time = getdata(AI); data1 = getdata(AI,8000);catch data1=0disp(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);xlabe

14、l(time/sec on d); ylabel(voltage/v);調(diào)制信號時(shí)域圖)調(diào)制信號的頻譜圖)已調(diào)信號已調(diào)信號時(shí)域圖)已調(diào)信號的頻譜圖)精品文檔8歡迎下載%axis(0,0.1,-1.5,1.5);%解調(diào)采集到的離散數(shù)值for kk=1:(le ngth(data1)-1)R(kk) = (data1(kk+1)-data1(kk)/(1/(le ngth(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:(le ngth(T1)-1);fi

15、gure (2),plot(T2,Rt1,g);title(解調(diào)后的信號圖);xlabel(time/sec on d); 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(shí)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)求出頻域曲線調(diào)制信號時(shí)城逼調(diào)制信號的頻諾國Q -1-1-1-1- -024GB1012齊ia精品文檔9歡迎下載將調(diào)制信號頻譜圖局部放大凋制佰號的頻諸囲1. 1U141.1U161.1U11.10161.1U1S1.

16、Wife1.101b 1.1016上圖表示的是一個(gè)是頻率為20HZ勺余弦信號的調(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(shí)域圖和頻域圖：已調(diào)信號吋域圏024651012sc 10已調(diào)信號的頻諂圖10000 -1-1-1-1-1-IJ5000 -II-o LM_ i_ I_J_ i_i_024631012精品文檔10歡迎下載x 104精品文檔11歡迎下載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(shí)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)

17、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(dòng)”，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(huì)是標(biāo)準(zhǔn)的余弦信號從頻譜圖上看，其頻譜集中在兩個(gè)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(dòng)。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。精品文檔12歡迎下載解調(diào)端:這是通過聲卡采樣接收到的信號，在時(shí)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(huì)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(dòng)，還可以看到

18、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(gè)原因。精品文檔13歡迎下載通過對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(huì)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)。精品文檔14。迎下載六、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);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

19、外的噪聲。大信噪比：若所加噪聲為40dB加 4Or|FJD 亍聲已調(diào)信號日寸煥圉024G01012加斗曲日唏尹已圖肯號的頻譜圍X 1010000 -1-1-1-r-1-0?4631012將其局部放大我們可以看到:精品文檔14欠迎下載加AOd日嗓聲已調(diào)信號的頻諳圖800060004000200001 1 1 ,11|J1111I11 1 1k. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11.05S1.051 06S1.071 0751 081.0851.031.0951.1X105精品文檔16。迎下載此時(shí)所加噪聲為40Db能夠正確的解調(diào)出原波形，此時(shí)適當(dāng)增大調(diào)頻指數(shù)mf，可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速

20、改善，但隨著調(diào)頻指數(shù)mf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調(diào)制信號吋域畫調(diào)制信號的師i昔民精品文檔17。迎下載1 1 1 11 1810 12X io4精品文檔18。迎下載將以上已調(diào)信號局部放大.ill I, 111-20 00 1000010 00 2000 30 00 4000 SOOO SO 00 7000加 2 牝 1 曰嗓聲 R 傭佶號時(shí)域團(tuán)存嚇血!曰噪 R 巴調(diào)倍尋的加諸圖10000 -1-1-1- 1-加 20d 曰噪聲已調(diào)信呂的頻 iW B加;?g 曰峠 E 已調(diào)后弓的切譜回ao

21、ao600000200 00精品文檔19歡。迎下載從以上圖形我們可以看到， 到所加噪聲20dB時(shí)， 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(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，此時(shí) 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(jì)算機(jī)中是用 數(shù)字化方法處理的， 因?yàn)橛?jì)算機(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(shí)，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)。精品文檔20歡。迎下載2、 調(diào)制指數(shù)較大時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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