基于matlab的FM調(diào)制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上Matlab課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 填入自己的姓名 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信工程1403 填入自己的班級(jí)名稱(chēng)指導(dǎo)教師： 韓一 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: FM信號(hào)的仿真分析 填入自己的題目初始條件：理論方面電路分析基礎(chǔ)、模擬電子、高頻電子線路、通信原理、數(shù)字信號(hào)處理等專(zhuān)業(yè)知識(shí)設(shè)備方面微型計(jì)算機(jī)軟件方面matlab仿真平臺(tái)場(chǎng)地方面鑒主15樓通信實(shí)驗(yàn)室1要求完成的主要任務(wù): 調(diào)制信號(hào)：分別為300Hz正弦信號(hào)和三角波信號(hào)；載波頻率：30kHz；解調(diào)方式：同步解調(diào)；要求：畫(huà)出以下三種情況下調(diào)制信號(hào)、已調(diào)信號(hào)、解調(diào)信號(hào)的波形、頻譜以及解調(diào)器輸入和輸出信噪比的關(guān)系曲線；1）調(diào)

2、制指數(shù)=0.5；2）調(diào)制指數(shù)=1；3）調(diào)制指數(shù)=3。時(shí)間安排：2016.12.22至2016.1.1 仿真設(shè)計(jì)2016.1.2 至2016.1.4 寫(xiě)報(bào)告指導(dǎo)教師簽名： 2016年12月05日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2016年12月05日專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)目 錄摘要頻率調(diào)制廣泛應(yīng)用于調(diào)頻廣播、電視伴音、微波通信、鎖相電路和掃頻儀等方面，在我們的日常生產(chǎn)生活中起著重要的作用。它是使載波的瞬時(shí)頻率按照所需傳遞信號(hào)的變化規(guī)律而變化的調(diào)制方法。它是一種使受調(diào)波瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)而變的調(diào)制方法。由調(diào)頻方法產(chǎn)生的無(wú)線電波叫調(diào)頻波,其基本特征是載波的振蕩幅度保持不變，振蕩頻率隨調(diào)制信號(hào)而變。調(diào)頻（FM），

3、就是高頻載波的頻率不是一個(gè)常數(shù)，是隨調(diào)制信號(hào)而在一定范圍內(nèi)變化的調(diào)制方式，其幅值則是一個(gè)常數(shù)。 本課程設(shè)計(jì)采用仿真軟件matlab對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行FM調(diào)制，通過(guò)matlab軟件對(duì)信號(hào)的FM調(diào)制進(jìn)行分析，并分析其頻譜特性以及不同調(diào)制系數(shù)下的調(diào)制增益。關(guān)鍵詞：FM 調(diào)制 解調(diào) 輸出信噪比 輸出信噪比AbstractFrequency modulation is widely used in FM radio, TV sound, microwave communication, PLL and frequency sweep meter etc, plays an important role in

4、 our daily life. It is a modulation method which makes the instantaneous frequency of the carrier change according to the changing rule of the desired signal. It is a modulation method which makes the modulated wave instantaneous frequency change with the modulation signal. The radio wave generated

5、by the FM method is called FM wave, whose basic characteristic is that the amplitude of the carrier oscillation remains unchanged, and the oscillation frequency changes with the modulation signal. Frequency modulation (FM), that is, the frequency of high-frequency carrier is not a constant, with the

6、 modulation signal in a certain range of modulation, the amplitude is a constant.This course is designed to use the simulation software MATLAB to carry on the FM modulation to the different signal, carries on the analysis through the MATLAB software to the signal FM modulation, and analyzes its spec

7、trum characteristic as well as the modulation gain under different modulation coefficient.Keywords: FM, modulation, demodulation, output signal to noise ratio (SNR), output signal to noise ratio (SNR)1 緒論在通信系統(tǒng)中，從消息變換過(guò)來(lái)的原始信號(hào)所占的有效頻帶往往具有頻率較低的頻譜分量(例如語(yǔ)音信號(hào))，如果將這種信號(hào)直接在信道中進(jìn)行傳輸，則會(huì)嚴(yán)重影響信息傳送的有效性和可靠性，因此這種信號(hào)在許多信道

8、中均是不適宜直接進(jìn)行傳輸?shù)?。在通信系統(tǒng)的發(fā)射端通常需要有調(diào)制過(guò)程，將調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，使之轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)；而在接收端則需要有解調(diào)過(guò)程，以恢復(fù)原來(lái)有用的信號(hào)。調(diào)制解調(diào)方式常常決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。 調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。通過(guò)調(diào)制，不僅可以進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號(hào)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(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)制技術(shù)是指把基帶信號(hào)變換成傳輸信號(hào)的技術(shù)?；鶐盘?hào)是原始的電信號(hào)，一般是指基本的信號(hào)波形，在

9、數(shù)字通信中則指相應(yīng)的電脈沖。在無(wú)線遙測(cè)遙控系統(tǒng)和無(wú)線電技術(shù)中調(diào)制就是用基帶信號(hào)控制高頻載波的參數(shù)（振幅、頻率和相位），使這些參數(shù)隨基帶信號(hào)變化。用來(lái)控制高頻載波參數(shù)的基帶信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。未調(diào)制的高頻電振蕩稱(chēng)為載波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脈沖序列等）。被調(diào)制信號(hào)調(diào)制過(guò)的高頻電振蕩稱(chēng)為已調(diào)波或已調(diào)信號(hào)。已調(diào)信號(hào)通過(guò)信道傳送到接收端，在接收端經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)成原始基帶信號(hào)。2 設(shè)計(jì)原理 本課程設(shè)計(jì)采用matlab軟件對(duì)正弦波和三角波信號(hào)進(jìn)行FM仿真設(shè)計(jì)，并繪制相關(guān)波形及其頻譜，對(duì)FM調(diào)制過(guò)程進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)輸出信噪比和輸入信噪比對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能進(jìn)行分析。2.1 MATLAB仿

10、真軟件MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix和laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)

11、非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了

12、對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。MATLAB軟件的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；（2）具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；（3）友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；（4）功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。 2.2 FM調(diào)制原理連續(xù)波調(diào)制分為幅度調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制。頻率調(diào)整和相位調(diào)制都是使載波的相角發(fā)生變化，因此兩者又統(tǒng)稱(chēng)為角度調(diào)制。調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用，通過(guò)調(diào)制，可對(duì)消息信號(hào)的頻譜搬移，使已調(diào)信號(hào)適合信

13、道傳輸?shù)囊?，同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。例如，將多路基帶信號(hào)調(diào)制到不同的載頻上進(jìn)行并行傳輸，實(shí)現(xiàn)信道的頻分復(fù)用。調(diào)制方式往往對(duì)通信系統(tǒng)的性能有很大的影響。如果m（t）是連續(xù)信號(hào)，并且使某個(gè)參數(shù)連續(xù)地與m（t）相對(duì)應(yīng)，稱(chēng)為模擬調(diào)制。大多數(shù)待傳輸?shù)男盘?hào)具有較低的頻率成分。稱(chēng)之為基帶信號(hào)，如果將基帶信號(hào)直接傳輸，稱(chēng)為基帶傳輸。但是，很多信道不適宜進(jìn)行基帶信號(hào)的傳輸，或者說(shuō)，如果基帶信號(hào)在其中傳輸，會(huì)產(chǎn)生很大的衰減和失真。因此，需要將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，變換為適合信道傳輸?shù)男问?，調(diào)制是讓基帶信號(hào)m（t）去控制載波的某個(gè)（或某些）參數(shù)，使該參數(shù)按照信號(hào)m（t）的規(guī)律變化的過(guò)程。載波可以是正弦波，也可以是脈

14、沖序列，以正弦信號(hào)作為載波的調(diào)制稱(chēng)連續(xù)波（CW）調(diào)制。對(duì)于連續(xù)波調(diào)制，已調(diào)信號(hào)可表示為 1 (2.2.1) 它由振幅A(t)、角頻率 和相位（t）3個(gè)參數(shù)構(gòu)成?？刂?個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)都會(huì)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使之成為攜帶信息的信號(hào)。對(duì)于FM調(diào)制，圖2.2.1 FM調(diào)制模型其中，為基帶調(diào)制信號(hào)，設(shè)調(diào)制信號(hào)為 (2.2.2)設(shè)正弦載波為 (2.2.3)信號(hào)傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率為。在調(diào)制時(shí)，調(diào)制信號(hào)的頻率去控制載波的頻率的變化，載波的瞬時(shí)頻偏隨調(diào)制信號(hào)成正比例變化，即 (2.2.4)式中，為調(diào)頻靈敏度（）。這時(shí)相位偏移為 (2.2.5)則可得到調(diào)頻信號(hào)為 (2.2.6)2.3 FM解調(diào)原理2.3.

15、1兩種解調(diào)方式調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)僅適用于NBFM信號(hào)，而非相干解調(diào)對(duì)NBFM信號(hào)和WBFM信號(hào)均適用。1）非相干解調(diào)2非相干解調(diào)器由限幅器、鑒頻器和低通濾波器等組成，其方框圖如圖所示。限幅器輸入為已調(diào)頻信號(hào)和噪聲，限幅器是為了消除接收信號(hào)在幅度上可能出現(xiàn)的畸變；帶通濾波器的作用是用來(lái)限制帶外噪聲，使調(diào)頻信號(hào)順利通過(guò)。鑒頻器中的微分器把調(diào)頻信號(hào)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(guò)低通濾波器取出調(diào)制信號(hào)。圖2.3.1.1 非相干解調(diào)框圖2）相干解調(diào)由于NBFM信號(hào)可分解成同相分量與正交分量之和，因而可以采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)，如圖BPF微分LPFsNB

16、FM(t) si(t) sp(t) sd(t) m0(t) c(t) 圖2.3.1.2 相干解調(diào)框圖相干解調(diào)可以恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)。但要求本地載波與調(diào)制載波同步，否則將使解調(diào)信號(hào)失真。2.3.2解調(diào)過(guò)程分析 本課程設(shè)計(jì)采用同步解調(diào)方式。輸入調(diào)頻信號(hào)為 (2.3.2.1)相干載波為 c(t)=cos(2*pi*fc*t) (2.3.2.2) 乘法器的作用是把調(diào)頻信號(hào)變成有多種頻率的波的混合，乘法器輸出為 (2.3.2.3) 經(jīng)低通濾波器后取出器低頻分量為 (2.3.2.4) 在經(jīng)過(guò)微分器，即得出解調(diào)出的基帶信號(hào)： (2.3.2.5) 相干解調(diào)可以恢復(fù)出原來(lái)的基帶信號(hào)，而且要求本地載波與調(diào)制載波同步

17、，否則會(huì)使解調(diào)信號(hào)失真。2.4 抗噪聲性能分析設(shè)調(diào)頻信號(hào)為3 (2.4.1)故其輸入功率為 (2.4.2)輸入噪聲功率為 (2.4.3)因此輸入信噪比為 (2.4.4)在大信噪比條件下，信號(hào)和噪聲的相互作用可以忽略，這時(shí)可以把信號(hào)和噪聲分開(kāi)來(lái)算，這里，我們可以得到解調(diào)器的輸出信噪比 (2.4.5)上式中，為載波的振幅，為調(diào)頻器靈敏度，為調(diào)制信號(hào)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(shí)的情況，可得到解調(diào)器的制度增益為 (2.4.6)考慮在寬帶調(diào)頻時(shí)，信號(hào)帶寬為 (2.4.7)則可以得到 (2.4.8)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

18、成正比?？梢?jiàn)，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。3 仿真實(shí)現(xiàn)本課程設(shè)計(jì)采用的是MATLAB R2016b版本。根據(jù)第2章的設(shè)計(jì)原理，使用matlab編寫(xiě)相應(yīng)的M文件實(shí)現(xiàn)FM的調(diào)制、解調(diào)以及抗噪聲性能的分析。3.1 FM調(diào)制仿真打開(kāi)matlab軟件，新建腳本，編寫(xiě)M文件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)制信號(hào)：分別為300Hz正弦信號(hào)和三角波信號(hào)；載波頻率：30kHz；調(diào)制仿真的代碼如下4：t0=0; t1=0.01; %調(diào)制信號(hào)的時(shí)域范圍 fs=; %抽樣頻率 ts=1/fs; %采樣率t=t0:ts:t1;fc=30000; %設(shè)定載波頻率x=cos(2*pi*fc*t); %生成載波fm=3

19、00; %設(shè)定調(diào)制信號(hào)頻率% mf=0.5;%mf=3; mf=1;m=cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號(hào)% m=sawtooth(2*pi*300*t,0.5);s=modulate(m,fc,fs,'fm',(fc/fs)*2*pi/mf);%生成已調(diào)信號(hào)3.1.1正弦波的情況原信號(hào)波形如圖所示 圖3.1.1.1原調(diào)制信號(hào)已調(diào)信號(hào)波形如圖所示 圖3.1.1.2 已調(diào)信號(hào)（mf=0.5） 圖3.1.1.3 mf=1 圖3.1.1.4 mf=3已調(diào)信號(hào)的頻譜如圖所示 圖3.1.1.5 mf=0.5 圖3.1.1.6 mf=1 圖3.1.1.7 已調(diào)信號(hào)的頻譜（mf=

20、3）3.1.2三角波的情況 原調(diào)制信號(hào)波形如圖所示 圖3.1.2.1 原三角波信號(hào) 圖3.1.2.2 已調(diào)信號(hào) （mf=0.5）圖3.1.2.3 mf=1 圖3.1.2.4 mf=3已調(diào)信號(hào)的頻譜如圖所示 圖3.1.2.5 mf=0.5 圖3.1.2.6 mf=1 圖3.1.2.7 mf=33.2 FM解調(diào)仿真正弦波解調(diào)波形及其頻譜如圖所示 圖3.2.1 解調(diào)信號(hào)波形及頻譜 mf=0.5 圖3.2.2 mf=1 圖3.2.3 mf=33.3抗噪聲性能調(diào)制系數(shù)分別為0.5、1、3時(shí)解調(diào)器輸入 和輸出信噪比的關(guān)系曲線如圖所示 圖3.3.1 輸出信噪比與輸入信噪比曲線4 結(jié)果分析4.1仿真結(jié)果分析從

21、第三章的仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：從FM的調(diào)制仿真繪制的波形可以看出，無(wú)論是正弦波還是三角波，已調(diào)信號(hào)的頻率會(huì)隨著原信號(hào)的幅度大小而變。而這種頻率隨原信號(hào)大小改變的程度會(huì)隨著調(diào)制系數(shù)的不同而出現(xiàn)差異。所以，在調(diào)制系數(shù)不同的條件下，已調(diào)信號(hào)以及已調(diào)信號(hào)的頻譜都會(huì)不同。從FM的解調(diào)仿真繪制的波形可以看出，調(diào)制系數(shù)為0.5的時(shí)候，解調(diào)輸出的信號(hào)有很大程度的失真，原因是調(diào)制系數(shù)太小，解調(diào)器的抗噪聲性能太差，導(dǎo)致解調(diào)輸出的波形失真，隨著調(diào)制系數(shù)的增大，調(diào)制系數(shù)為1時(shí)，解調(diào)輸出的波形基本上與原調(diào)制信號(hào)相同。解調(diào)信號(hào)的頻譜也很清晰。從不同調(diào)制系數(shù)下的解調(diào)器輸出信噪比與輸入信噪比的曲線可以看出，隨著輸入信噪比

22、的增大，輸出信噪比也會(huì)增大，同時(shí)調(diào)制系數(shù)增大時(shí)，輸出信噪比隨輸入信噪比增大的程度會(huì)更明顯，對(duì)相同的輸入信噪比，輸出信噪比會(huì)更大，這時(shí)系統(tǒng)的抗噪聲性能就越強(qiáng)。4.2 仿真設(shè)計(jì)的完整代碼t0=0; t1=0.01; %調(diào)制信號(hào)的時(shí)域范圍 fs=; %抽樣頻率 ts=1/fs; %采樣率t=t0:ts:t1;fc=30000; %設(shè)定載波頻率x=cos(2*pi*fc*t); %生成載波fm=300; %設(shè)定調(diào)制信號(hào)頻率% mf=0.5;% mf=3; mf=1;m=cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號(hào)（正弦信號(hào)）% m=sawtooth(2*pi*300*t,0.5);%三角波信號(hào)s=m

23、odulate(m,fc,fs,'fm',(fc/fs)*2*pi/mf);%生成已調(diào)信號(hào)figure(1);plot(t,s,t,m);df=fs/(length(t)-1);f=(0:length(t)-1)*df;figure(2);plot(f,abs(fftshift(fft(s);%已調(diào)信號(hào)的頻譜y=demod(s,fc,fs,'fm');figure(3);plot(t,y);figure(4);plot(f,abs(fftshift(fft(y);%解調(diào)信號(hào)的頻譜x3=(0.1:0.05:22.05)'mf=0.5 1 3;y3(:,1:

24、3)=3*mf.2.*(1+mf).*x3;figure(5);plot(x3,y3(:,1),'b');hold onplot(x3,y3(:,2),'r');plot(x3,y3(:,3),'g');%不同調(diào)制系數(shù)下的輸出信噪比與輸入信噪比的曲線legend('mf=0.5','mf=1','mf=3');xlabel('輸入信噪比');ylabel('輸出信噪比');55 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，我使用matlab仿真軟件對(duì)FM調(diào)制進(jìn)行了仿真探究，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求完成了各項(xiàng)仿真分析，感覺(jué)自己收獲頗豐。首先，我再次熟悉了matlab這樣一款強(qiáng)大的仿真軟件，學(xué)習(xí)到了很多在信號(hào)處理方面需要掌握的常用函數(shù)，也學(xué)到了一些關(guān)于矩陣運(yùn)算的方法，如進(jìn)行運(yùn)算時(shí)應(yīng)該要保證矩陣維度的一致。在這次課程設(shè)計(jì)中，我使用的是最新版的matlab仿