基于matlab的FM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)成績課程設(shè)計(jì)報(bào)告目：基于matlab的FM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名：楊麗料學(xué)生學(xué)號:1008030317系別：用氣信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程屆別：14屆指導(dǎo)教師：馬十%電氣信息工程學(xué)院制2013年5月頁腳內(nèi)容0基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于matlab的FM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生：楊麗君指導(dǎo)教師：馬立憲電氣信息工程學(xué)院電子信息工程i課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)(1)熟悉MATLAB文件中M文件的使用方法，包括函數(shù)、原理和方法的應(yīng)用。(2)加深對FM信號調(diào)制原理的理解。(3)畫出基于MATL

2、AB的FM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的原理圖。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求(1)學(xué)會MATLAB軟件的安裝。(2)在做完FM調(diào)制仿真之后，在今后遇到類似的問題，學(xué)會對所面對的問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并能從多個層面進(jìn)行比較。(3)熟練并且掌握對MATLAB軟件的使用，學(xué)會輸入程序并且加以運(yùn)行。1.3 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)通信的目的是傳輸信號。通信系統(tǒng)的作用是將信息從信息源發(fā)送到一個或者多個目的地。模擬信號是時間和幅值上都連續(xù)的信號。調(diào)制是用原始信號即調(diào)制信號去控制高頻載波信號的某一參數(shù)，是指隨著原始信號幅度的變化而變化。而FM頻率調(diào)制是高頻載波信號的頻率隨著原始信號幅度變化而變化。解調(diào)是將已調(diào)制的信號恢復(fù)成

3、原始信號即基帶調(diào)制信號。以下是通信系統(tǒng)的一般模型：圖1通信系統(tǒng)的一般模型(1)信息源信息源(簡稱信源)的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成電信號根據(jù)消息的種類不同，信頁腳內(nèi)容1基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)息源可以分為模擬信號源和數(shù)字信號源，模擬信號源輸出模擬信號；數(shù)字信號源輸出數(shù)字信號(本次課程設(shè)計(jì)是模擬信號源)。(2)發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的作用是產(chǎn)生適合在信道中傳輸?shù)男盘柤词拱l(fā)送信號的特性與信道特性相匹配，具有抗信道干擾能力，并且具有足夠的功率以滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰Ｒ虼?，發(fā)送設(shè)備涵蓋的內(nèi)容很多，包含變換、放大、濾波、編碼、調(diào)制的過程。(3)信道信道是一種物理媒介，用于將來自發(fā)送設(shè)備

4、的信號發(fā)送到接收端。信道分為無線信道和有線信道。在有線信道中可以是明線、電纜、光纖。在無線信道中，信道可以是自由空間。信道的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。(4)噪聲源噪聲源是信道中及分布在系統(tǒng)中的其他各處噪聲集中表示，噪聲是隨機(jī)的、形式是多樣的，它的出現(xiàn)直接干擾信號的傳輸。(5)接收設(shè)備接收設(shè)備的功能是將信號放大及反變換(如譯碼、解調(diào)等)。目的是從受到減損的信號中正確恢復(fù)出原始信號，減少在傳輸過程中噪聲與干擾所帶來的影響。2 FM通信系統(tǒng)方案制定2.1 方案提出下圖為大體模擬通信系統(tǒng)模型：圖2模擬通信系統(tǒng)模型本次課程設(shè)計(jì)FM模擬通信系統(tǒng)模型中對于調(diào)制信號通過調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)頻波

5、有兩種方法其一為直接調(diào)制即寬帶調(diào)制，其二為間接調(diào)制及窄帶調(diào)制。解調(diào)器對應(yīng)的解調(diào)方頁腳內(nèi)容2基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)法也有兩種其一為相干解調(diào)另外一種為非相干解調(diào)。所以據(jù)此我提出了四種方案：方案一：模型中調(diào)制器中的調(diào)制方法為直接調(diào)制即寬帶調(diào)制，解調(diào)器對應(yīng)的解調(diào)方法為相干解調(diào)。方案二：模型中調(diào)制器中的調(diào)制方法為直接調(diào)制即寬帶調(diào)制，解調(diào)器對應(yīng)的解調(diào)方法為非相干解調(diào)。方案三：模型中調(diào)制器中的調(diào)制方法為間接調(diào)制即窄帶調(diào)制，解調(diào)器對應(yīng)的解調(diào)方法為非相干解調(diào)方案四：模型中調(diào)制器中的調(diào)制方法為間接調(diào)制即寬帶調(diào)制，解調(diào)器對應(yīng)的解調(diào)方法為相干解調(diào)。2.2 方案論證窄帶調(diào)頻的應(yīng)用更廣泛與寬

6、帶調(diào)頻，我們對此也更為熟悉，技術(shù)也更為成熟。止匕外,它的最大頻率偏移較小，占據(jù)帶寬較窄、抗干擾性能更好等。所以本次課程設(shè)計(jì)選擇窄帶調(diào)頻。一般情況下，相干解調(diào)法較適用于窄帶調(diào)頻。所以在以上選擇的前提下，本次課程設(shè)計(jì)的解調(diào)方法選擇相干解調(diào)針對以上的分析選擇的最佳方案為方案四。3 FM通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1 FM通信系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)no(t)(s/n)i圖3模擬通信系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)3.2 FM通信系統(tǒng)各部分的功能調(diào)制器：使信號與信道相匹配，有利于信號在信道中傳輸。發(fā)濾波器：濾除調(diào)制器頁腳內(nèi)容3基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)輸出的無用信號。收濾波器：濾除信號頻帶以外的噪聲。一般設(shè)N為高斯

7、白噪聲，則Ni(t)為窄帶白噪聲。在通信系統(tǒng)中一般需要將信號進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制，以利于信號在信道上的傳輸，調(diào)制是將用原始信號去控制高頻振蕩信號的某一參數(shù)，使之隨原始信號的變化而成規(guī)律變化。調(diào)制可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。線性調(diào)制有AM、DSB等，非線性調(diào)制有FM、PM等，這里主要討論FM調(diào)制通信系統(tǒng)3.3 FM通信系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算及原理(1) FM調(diào)制原理角調(diào)制不是線性調(diào)制，角調(diào)制中已調(diào)信號和調(diào)制信號頻譜之間不是線性關(guān)系而是產(chǎn)生出新的與頻譜搬移不同的新的頻率分量，呈現(xiàn)非線性特性，故又成為非線性調(diào)制。FM調(diào)制中瞬時角頻率是關(guān)于調(diào)制信號的線性函數(shù)，瞬時角頻率偏移量wKFMf(t)則，瞬時角頻率為：wWcK

8、FMf(t);KFM為頻偏指數(shù),則調(diào)頻信號為：Sfmcos(wtKFMf(t)dt;當(dāng)調(diào)制信號是單頻余弦時，調(diào)制信號為：SFM(t)Acos(wctKFMAmcoswmtfdt)Acos(wctFMsinwmt);FM為調(diào)頻指數(shù)，F(xiàn)MKFMAm/Wm;調(diào)制信號的信號的產(chǎn)生m(t)*FM"Sfm(t)圖4調(diào)頻信號的直接產(chǎn)生m(t)(?)dtkPMSfm圖5調(diào)頻信號的間接產(chǎn)生如上兩圖，在間接產(chǎn)生方法中，因?yàn)閷?shí)際調(diào)相的相位調(diào)節(jié)器的范圍在(，)，故而間接調(diào)頻只能用于相位偏移和頻率偏移不大的窄帶調(diào)制情況，而直接調(diào)頻則常用于寬帶調(diào)制情況。窄帶角頻率調(diào)制時，最大瞬時相位偏移遠(yuǎn)小于30°即

9、KFMf(tdt)max/6,頁腳內(nèi)容4基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號的時域表達(dá)式SFm(t)cos(WctKFMf(t)dt),當(dāng)為窄帶調(diào)制時，Sfm(t)AcosWctAFMf(t)dtsinwd,假設(shè)調(diào)制信號的頻譜為F(w),而且假設(shè)f(t)的平均值為零，由傅氏變換可得：SnbFm(w)A(wwc)(wwc)AKFM/2F(wwc)/(wwc)F(wwc)/(wwc),此時調(diào)頻信號的帶寬為調(diào)制信號的兩倍。其相應(yīng)圖形如下：八m(w)wm圖6調(diào)制信號頻譜Snbfm(w)圖7調(diào)頻信號頻譜(2)解調(diào)原理非相干解調(diào)頁腳內(nèi)容5基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)

10、計(jì)與實(shí)現(xiàn)由于調(diào)頻信號的瞬時頻率正比于調(diào)制信號的幅度，因而調(diào)制信號的調(diào)節(jié)器必須產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓，即輸入為調(diào)制信號為：Si(t)AcoswctKfmf(t)dt,則解調(diào)器的輸出應(yīng)為：So(t)Kfmf(t)最簡單的解調(diào)器是鑒頻器，原理圖如下：§(t)So(t)圖8非相干解調(diào)原理圖包絡(luò)檢波輸出為So(t)KFMkd,kd為鑒頻器的靈敏度，微分器和包絡(luò)檢波構(gòu)成鑒頻器相干解調(diào)由于窄帶調(diào)頻信號可分解為同相分量和正交分量，因而可以用線性調(diào)制中的相干解調(diào)來進(jìn)行解調(diào)。原理圖如下：圖9相干解調(diào)原理圖帶通濾波器的作用是抑制信號帶寬以外的噪聲，低通濾波器輸出So(t)AKFMf(t)/2；相干解

11、調(diào)不僅要恢復(fù)基帶調(diào)制信號，還要恢復(fù)相干載波，上圖所示的相干解調(diào)法只適用于窄帶調(diào)頻。(3)調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能主要討論非相干解調(diào)的抗噪聲性能，輸入信號Sfm(t)cos(WctKFMff(t)dt),輸入功率SiA2/2,輸入噪聲NiBfm，信噪比為S/NiAA/2n°BFM，非相干解調(diào)的解調(diào)器的輸入端是調(diào)頻信號與噪聲的疊加，為S(t)ni(t)Sfm(t)ni(t),在大信噪比情況下，解調(diào)器的輸出端的信噪比為So/NO3A2Kf2m2(t)/82nofm3,考慮單頻余弦信號調(diào)制，故可得大信噪比情況下的信噪比增益為頁腳內(nèi)容6基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Gfm(S

12、o/No)/(SiNi)(3/2)(m/)(A2/2)/(nofo),單頻時，帶寬BFm2(ffm)所以增益可化解為Gfm3FM(FM1).由此可看出，性噪比增益和調(diào)頻指數(shù)的三次方成正比。加大調(diào)頻指數(shù)FM,可使調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能迅速改善。4 FM通信系統(tǒng)的仿真4.1 FM通信系統(tǒng)仿真軟件MATLAB的介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(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態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)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(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

13、面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言(如C、Fortran)的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和mathematicamaple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它以矩陣為基本數(shù)據(jù)單位，在數(shù)學(xué)類科技應(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、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域4.2 FM通信系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)頁腳內(nèi)容7基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖10程序流程圖4.3 MATLAB源代碼程序如下：ec

14、hooffcloseallclearallclcdt=0.001;t=0:dt:1.5;am=5;fm=5;mt=am*cos(2*pi*fm*t);figure(1)plot(t,mt);xlabel('t');title('調(diào)制信號時域圖');fc=50;ct=cos(2*pi*fc*t);figure(2)plot(t,ct);xlabel('t')title('載波信號時域圖');頁腳內(nèi)容8基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)fs=1000;sfm=modulate(mt,fc,fs,'FM'

15、;);ts=0.001;fs=1/ts;df=0.25;mt=am*cos(2*pi*fm*t);fs=1/ts;ifnargin=2n1=0;elsen1=fs/df;endn2=length(mt);n=2A(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2);M=fft(mt,n);mt=mt,zeros(1,n-n2);df1=fs/n;M=M/fs;f=0:df1:df1*(length(mt)-1)-fs/2;figure(11)plot(f,abs(fftshift(M)xlabel('頻率f)title('調(diào)制信號的頻譜圖');figure(3)

16、plot(t,sfm);xlabel('t')title('調(diào)頻信號的時域圖');axis(00.15-11);b=fft(sfm,1024);f=(0:length(b)-1)*fs/length(b)-fs/2;figure(4)plot(f,abs(fftshift(b);xlabel('Frequence(Hz)');ylabel('PowerSpectrum(y)');title('調(diào)頻信號的頻譜圖');nsfm=sfm;fori=1:length(t)-1diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-

17、nsfm(i)./dt;enddiff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm);頁腳內(nèi)容9基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;figure(5) plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,T);xlabel('時間t');title('無噪聲條件下解調(diào)信號的時域圖');x=fft(diff_nsfmn1,1024);f=(0:length

18、(x)-1)*fs/length(x)-fs/2;x=x/1000;figure(6)plot(f,abs(fftshift(x);xlabel('頻率f)title('已解調(diào)信號的頻譜圖')%有噪聲情況下的調(diào)頻信號fc=50;fs=1000;t=(0:0.001:0.15);am=5;fm=5;mt=am*cos(2*pi*fm*t)sfm=modulate(mt,fc,fs,'FM');y1=sfm+awgn(sfm,10,0);figure(7)plot(t,y1);xlabel('t(s)');ylabel('sfm

19、9;);title('加噪聲之后的調(diào)頻信號時域圖，性噪比為10')axis(00.15-11);b=fft(y1,1024);f=(0:length(b)-1)*fs/length(b)-fs/2;figure(8)plot(f,abs(fftshift(b);xlabel('Frequence(Hz)');ylabel('PowerSpectrum(y)');title('加噪聲后的調(diào)頻信號頻譜圖');ny1=y1;fori=1:length(t)-1diff_ny1(i)=(ny1(i+1)-ny1(i)./dt;enddif

20、f_ny1n=abs(hilbert(diff_ny1);zero=(max(diff_ny1n)-min(diff_ny1n)/2;頁腳內(nèi)容10基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)diff_ny1n1=diff_ny1n-zero;figure(9)plot(1:length(diff_ny1n1)./1000,diff_ny1n1./400,'r');xlabel('時間t');title('加性噪聲條件下解調(diào)信號的時域圖');%對已調(diào)信號進(jìn)行傅氏變換x=fft(diff_ny1n1,1024);f=(0:length(x)-

21、1)*fs/length(x)-fs/2;x=x/1000;figure(10)plot(f,abs(fftshift(x);xlabel('頻率f);title('加噪聲的已解調(diào)信號的頻譜圖');4.4仿真結(jié)果(1)產(chǎn)生調(diào)制信號和載波信號，畫出相應(yīng)的時域圖和頻域圖圖11調(diào)制信號時域圖頁腳內(nèi)容11基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)刃Figure11FileEditViewIn占白nToolsDesktopWindow/Help-口片國昌玲n爭：®要口日口口調(diào)制信號的頻譜圖圖12調(diào)制信號的頻譜圖頁腳內(nèi)容12基于MapReduce的并行視頻處理技

22、術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖13載波信號時域圖(2)利用modulate函數(shù)產(chǎn)生調(diào)制信號圖14調(diào)頻信號的時域圖Figiire4n口怕EduViewInsenToolsDesktopWindowHelpch$毆as®|費(fèi)d電11國調(diào)頻信弓的頻譜電Frequence(Hz)AEn七3芮號QCL圖15調(diào)頻信號的頻譜圖頁腳內(nèi)容13基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(3)對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)圖16無噪聲條件下解調(diào)信號的時域圖圖17已解調(diào)信號的頻譜圖頁腳內(nèi)容14FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp口注口昌T*改®那®FsT耳I9

23、口加噪聲之后的調(diào)頻信號時域圖性噪比為1口基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(4)對信道中加入加性高斯白噪聲，繪制調(diào)頻信號的時域圖和頻域圖2JFigure7士Eruoss里£-500-400-300-200-W001002003OD400500l-requenceCHt(s)圖18加噪聲之后的調(diào)頻信號時域圖，信噪比為10工|Figure8于3EditViewInsertTnnlsDesktopWindovvHlp口田口昌fe/曼因BQ007L605040302010圖19加噪聲之后的調(diào)頻信號頻譜圖頁腳內(nèi)容15基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(5)繪

24、制加噪聲的調(diào)頻信號的解調(diào)時域圖和頻域圖圖20加性噪聲條件下解調(diào)信號的時域圖圖21加噪聲的已解調(diào)信號的頻譜圖頁腳內(nèi)容16基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)小結(jié)(1)對已調(diào)制未加噪聲的調(diào)頻信號而言，在時域圖中出現(xiàn)疏密交錯的變化規(guī)律，有理論和實(shí)際都可以看到，在瞬時最大正頻偏處，波形最密；在瞬時最低處，波形最疏(2)由圖可知，輸入的調(diào)制信號通過調(diào)制之后，波形發(fā)生了明顯的變化，原本規(guī)則的正弦信號變成了不規(guī)則的上下起伏波動的圖形，而且調(diào)制后的圖形也沒有原本正弦信號般圓滑，出現(xiàn)了十分尖銳的突起。說明正弦信號通過FM調(diào)制之后波形發(fā)生了明顯的改變。通過頻譜圖的對照比較我們可以

25、看出FM調(diào)制并不是使原正弦信號的頻譜在原來位置上通過移動得到調(diào)制波形，調(diào)制后的波形與調(diào)制前的完全不同。通過頻譜圖的對照比較我們也可以看出FM調(diào)制并不是使原正弦信號的頻譜在原來位置上通過移動得到調(diào)制波形，調(diào)制后的波形與調(diào)制前的完全不同，這證明FM調(diào)制并不是線性的，而是非線性的。(3)改變抽樣頻率，可以看到當(dāng)抽樣頻率低于調(diào)制信號的時，無法得出信號波形，由奈奎斯特定義可以知道，當(dāng)抽樣頻率低于調(diào)制信號時，信號會混疊失真.(4)在加入噪聲后時域波形與原來的時域波形對比中，加入噪聲后時域波形明顯失真，波形不僅不如原本波形般規(guī)則，而且曲線之間還出現(xiàn)了未鏈接在一起的斷裂，但隨著信噪比的增大，與原有的波形的相似

26、度也增大了，說明信噪比越大，噪聲對信號的影響也變小了。從加入噪聲的時域圖與頻域圖的對比中，加入噪聲的時域圖的變化更為突出，白噪聲在整個頻譜內(nèi)每個頻點(diǎn)的能量為常數(shù)，且基本恒定，所以他對于時域的影響更大。5.1 收獲體會本次課程設(shè)計(jì)讓自己對FM調(diào)制及MATLAB軟件有了較深了解，設(shè)計(jì)時遇到許多難題，但通過自己努力，以及在老師的幫助下，逐步對自己的課題有了更加深入的了解，剛開始對自己所要做的FM調(diào)制原理沒有搞清楚，書籍知識也只理解到皮毛而且對MATLAB軟件的使用和其語言的使用也不是很會，雖然在數(shù)字信號處理過程中學(xué)過，但僅僅停留在表面上，只會簡單的調(diào)試，這也增加了此次設(shè)計(jì)的對自己的難度，但通過相關(guān)書籍的閱讀和與老師的交流，在老師，同學(xué)的幫助下，完成了課程設(shè)計(jì)的基本要求。在課程設(shè)計(jì)的這段時間內(nèi)主要遇到了以下問題：1 對MATLAB中的函數(shù)的理解不夠，在信號的調(diào)制時，一開始并不知道要用到頁腳內(nèi)容17基于MapReduce的并行視頻處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)modula