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)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 填入自己的姓名 專業(yè)班級： 通信工程1403 填入自己的班級名稱指導(dǎo)教師： 韓一 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: FM信號的仿真分析 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)字信號處理等專業(yè)知識設(shè)備方面微型計算機軟件方面matlab仿真平臺場地方面鑒主15樓通信實驗室1要求完成的主要任務(wù): 調(diào)制信號：分別為300Hz正弦信號和三角波信號；載波頻率：30kHz；解調(diào)方式：同步解調(diào)；要求：畫出以下三種情況下調(diào)制信號、已調(diào)信號、解調(diào)信號的波形、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。時間安排：2016.12.22至2016.1.1 仿真設(shè)計2016.1.2 至2016.1.4 寫報告指導(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日專心-專注-專業(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。它是使載波的瞬時頻率按照所需傳遞信號的變化規(guī)律而變化的調(diào)制方法。它是一種使受調(diào)波瞬時頻率隨調(diào)制信號而變的調(diào)制方法。由調(diào)頻方法產(chǎn)生的無線電波叫調(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)制信號而變。調(diào)頻（FM），

3、就是高頻載波的頻率不是一個常數(shù)，是隨調(diào)制信號而在一定范圍內(nèi)變化的調(diào)制方式，其幅值則是一個常數(shù)。 本課程設(shè)計采用仿真軟件matlab對不同信號進行FM調(diào)制，通過matlab軟件對信號的FM調(diào)制進行分析，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，從消息變換過來的原始信號所占的有效頻帶往往具有頻率較低的頻譜分量(例如語音信號)，如果將這種信號直接在信道中進行傳輸，則會嚴(yán)重影響信息傳送的有效性和可靠性，因此這種信號在許多信道

8、中均是不適宜直接進行傳輸?shù)?。在通信系統(tǒng)的發(fā)射端通常需要有調(diào)制過程，將調(diào)制信號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；而在接收端則需要有解調(diào)過程，以恢復(fù)原來有用的信號。調(diào)制解調(diào)方式常常決定了一個通信系統(tǒng)的性能。 調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有重要的作用。通過調(diào)制，不僅可以進行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，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，而且它對系統(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通信系統(tǒng)的性能。調(diào)制技術(shù)是指把基帶信號變換成傳輸信號的技術(shù)?；鶐盘柺窃嫉碾娦盘?，一般是指基本的信號波形，在

9、數(shù)字通信中則指相應(yīng)的電脈沖。在無線遙測遙控系統(tǒng)和無線電技術(shù)中調(diào)制就是用基帶信號控制高頻載波的參數(shù)（振幅、頻率和相位），使這些參數(shù)隨基帶信號變化。用來控制高頻載波參數(shù)的基帶信號稱為調(diào)制信號。未調(diào)制的高頻電振蕩稱為載波（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)制信號調(diào)制過的高頻電振蕩稱為已調(diào)波或已調(diào)信號。已調(diào)信號通過信道傳送到接收端，在接收端經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)成原始基帶信號。2 設(shè)計原理 本課程設(shè)計采用matlab軟件對正弦波和三角波信號進行FM仿真設(shè)計，并繪制相關(guān)波形及其頻譜，對FM調(diào)制過程進行分析，同時通過輸出信噪比和輸入信噪比對解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能進行分析。2.1 MATLAB仿

10、真軟件MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix和laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(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)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了

12、對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。MATLAB軟件的優(yōu)點在于：（1）高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來；（2）具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；（3）友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達式的自然化語言，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(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。 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，通過調(diào)制，可對消息信號的頻譜搬移，使已調(diào)信號適合信

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

14、沖序列，以正弦信號作為載波的調(diào)制稱連續(xù)波（CW）調(diào)制。對于連續(xù)波調(diào)制，已調(diào)信號可表示為 1 (2.2.1) 它由振幅A(t)、角頻率 和相位（t）3個參數(shù)構(gòu)成?？刂?個參數(shù)中的任何一個都會實現(xiàn)調(diào)制，使之成為攜帶信息的信號。對于FM調(diào)制，圖2.2.1 FM調(diào)制模型其中，為基帶調(diào)制信號，設(shè)調(diào)制信號為 (2.2.2)設(shè)正弦載波為 (2.2.3)信號傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率為。在調(diào)制時，調(diào)制信號的頻率去控制載波的頻率的變化，載波的瞬時頻偏隨調(diào)制信號成正比例變化，即 (2.2.4)式中，為調(diào)頻靈敏度（）。這時相位偏移為 (2.2.5)則可得到調(diào)頻信號為 (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，而非相干解調(diào)對NBFM信號和WBFM信號均適用。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。圖2.3.1.1 非相干解調(diào)框圖2）相干解調(diào)由于NBFM信號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。但要求本地載波與調(diào)制載波同步，否則將使解調(diào)信號失真。2.3.2解調(diào)過程分析 本課程設(shè)計采用同步解調(diào)方式。輸入調(diào)頻信號為 (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)過微分器，即得出解調(diào)出的基帶信號： (2.3.2.5) 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

17、，否則會使解調(diào)信號失真。2.4 抗噪聲性能分析設(shè)調(diào)頻信號為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 (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 (2.4.6)考慮在寬帶調(diào)頻時，信號帶寬為 (2.4.7)則可以得到 (2.4.8)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

18、成正比。可見，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 仿真實現(xiàn)本課程設(shè)計采用的是MATLAB R2016b版本。根據(jù)第2章的設(shè)計原理，使用matlab編寫相應(yīng)的M文件實現(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matlab軟件，新建腳本，編寫M文件，根據(jù)設(shè)計要求，調(diào)制信號：分別為300Hz正弦信號和三角波信號；載波頻率：30kHz；調(diào)制仿真的代碼如下4：t0=0; t1=0.01; %調(diào)制信號的時域范圍 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)制信號頻率% mf=0.5;%mf=3; mf=1;m=cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號% 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3.1.1正弦波的情況原信號波形如圖所示 圖3.1.1.1原調(diào)制信號已調(diào)信號波形如圖所示 圖3.1.1.2 已調(diào)信號（mf=0.5） 圖3.1.1.3 mf=1 圖3.1.1.4 mf=3已調(diào)信號的頻譜如圖所示 圖3.1.1.5 mf=0.5 圖3.1.1.6 mf=1 圖3.1.1.7 已調(diào)信號的頻譜（mf=

20、3）3.1.2三角波的情況 原調(diào)制信號波形如圖所示 圖3.1.2.1 原三角波信號 圖3.1.2.2 已調(diào)信號 （mf=0.5）圖3.1.2.3 mf=1 圖3.1.2.4 mf=3已調(diào)信號的頻譜如圖所示 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，無論是正弦波還是三角波，已調(diào)信號的頻率會隨著原信號的幅度大小而變。而這種頻率隨原信號大小改變的程度會隨著調(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)信號以及已調(diào)信號的頻譜都會不同。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的時候，解調(diào)輸出的信號有很大程度的失真，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，解調(diào)輸出的波形基本上與原調(diào)制信號相同。解調(diào)信號的頻譜也很清晰。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，輸出信噪比也會增大，同時調(diào)制系數(shù)增大時，輸出信噪比隨輸入信噪比增大的程度會更明顯，對相同的輸入信噪比，輸出信噪比會更大，這時系統(tǒng)的抗噪聲性能就越強。4.2 仿真設(shè)計的完整代碼t0=0; t1=0.01; %調(diào)制信號的時域范圍 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)制信號頻率% mf=0.5;% mf=3; mf=1;m=cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號（正弦信號）% m=sawtooth(2*pi*300*t,0.5);%三角波信號s=m

23、odulate(m,fc,fs,'fm',(fc/fs)*2*pi/mf);%生成已調(diào)信號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，我使用matlab仿真軟件對FM調(diào)制進行了仿真探究，根據(jù)設(shè)計的要求完成了各項仿真分析，感覺自己收獲頗豐。首先，我再次熟悉了matlab這樣一款強大的仿真軟件，學(xué)習(xí)到了很多在信號處理方面需要掌握的常用函數(shù)，也學(xué)到了一些關(guān)于矩陣運算的方法，如進行運算時應(yīng)該要保證矩陣維度的一致。在這次課程設(shè)計中，我使用的是最新版的matlab仿