FM信號(hào)仿真設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱： 通信綜合 專 業(yè) 班 級(jí) ： 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： FM信號(hào)的MATLAB仿真設(shè)計(jì)1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)通過(guò)FM信號(hào)的MATLAB仿真設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)，掌握通信原理中模擬信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)、數(shù)字基帶信號(hào)的傳輸、數(shù)字信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，模擬信號(hào)的抽樣、量化和編碼與信號(hào)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(duì)其進(jìn)行仿真。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求熟悉調(diào)制和解調(diào)的原理，調(diào)制的分類和解調(diào)的分類。熟悉并掌握調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)。要求能夠熟練應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)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)，數(shù)字

2、基帶信號(hào)的傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)與仿真。所有的仿真用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)的信道都假設(shè)為高斯白噪聲信道。模擬調(diào)制要求用程序畫(huà)出調(diào)制信號(hào)，載波，已調(diào)信號(hào)、解調(diào)信號(hào)的波形，數(shù)字調(diào)制要求畫(huà)出誤碼率隨信噪比的變化曲線。1.3 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)FM在通信系統(tǒng)中的使用非常廣泛。FM廣泛應(yīng)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。本設(shè)計(jì)主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制與解調(diào)過(guò)程，并分別繪制出基帶信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形，再進(jìn)一步分別繪制出對(duì)已調(diào)信號(hào)疊加噪聲后信號(hào)。相干解調(diào)后信號(hào)和解調(diào)基帶信號(hào)的時(shí)域波形。最后繪出FM基帶信號(hào)通過(guò)上述信道

3、和調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)后的誤碼率與信噪比的關(guān)系，并通過(guò)與理論結(jié)果波形對(duì)比來(lái)分析該仿真調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的正確性及噪聲對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響。在課程設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Windows 7使用工具軟件為MATLAB 7.0。在該平臺(tái)運(yùn)行程序完成了對(duì)FM調(diào)制和解調(diào)以及對(duì)疊加噪聲后解調(diào)結(jié)果的觀察。通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)FM信號(hào)通過(guò)噪聲信道，調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的仿真目的。2 FM信號(hào)的MATLAB仿真設(shè)計(jì)方案制定 通信按照傳統(tǒng)理解就是信息傳輸。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，且信息是多種多樣的。通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩種基本變換：第一、要把發(fā)送的消息要變換成原始電信號(hào)。第二、將原始電信號(hào)調(diào)制到頻率

4、較高的載頻上，使其頻帶適合信道的輸。解調(diào)后的信號(hào)稱為基帶信號(hào)，已調(diào)信號(hào)也稱為頻帶信號(hào)。對(duì)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。 信息源發(fā)送設(shè)備信 道接受設(shè)備信息源噪聲源發(fā)送端接收端信道圖1通信系統(tǒng)組成信息源（簡(jiǎn)稱信源）的作用是把各種信息轉(zhuǎn)換成原始信號(hào)。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?hào)，即使發(fā)送信號(hào)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)男枨蟆?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(hào)稱為基帶信號(hào)。通?；鶐盘?hào)不宜直接在信道中傳輸。因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)

5、送端需將基帶信號(hào)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(guò)程。 信號(hào)通過(guò)信道傳輸后，具有將信號(hào)放大和反變換功能的接收端將已調(diào)制的信號(hào)搬移（解調(diào)）到原來(lái)的頻率范圍，這就是解調(diào)的過(guò)程。 信號(hào)在信道中傳輸?shù)倪^(guò)程總會(huì)受到噪聲的干擾，通信系統(tǒng)中沒(méi)有傳輸信號(hào)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(hào)上的，所以有時(shí)將其稱為加性噪聲。噪聲對(duì)于信號(hào)的傳輸是有害的，它能使模擬信號(hào)失真。在本仿真的過(guò)程中我們假設(shè)信道為高斯白噪聲信道。圖2信號(hào)傳輸調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用。一方面，通過(guò)調(diào)制可以把基帶信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道

6、傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)。另一方面，通過(guò)調(diào)制可以提高信號(hào)通過(guò)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)。不同的調(diào)制方式產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)的帶寬不同，因此調(diào)制影響傳輸帶寬的利用率。可見(jiàn)，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(guò)程中我們選擇用調(diào)頻調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制。在本仿真的過(guò)程中我們選擇用同步解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)3 FM信號(hào)的MATLAB仿真設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)3.1調(diào)制過(guò)程調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。所謂調(diào)制，就是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制。在無(wú)線通信中和其他大多數(shù)場(chǎng)合下，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參

7、數(shù)過(guò)程，是載波的某一個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化。調(diào)制信號(hào)是指來(lái)自信源的消息信號(hào)，這些信號(hào)可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)稱為載波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波為什么要進(jìn)行載波調(diào)制呢？基帶信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制是為了實(shí)現(xiàn)下列一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)：第一，在無(wú)線傳輸中，信號(hào)是以電磁波的形式通過(guò)天線輻射到空間的。為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸必須與發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)想比擬。而基帶信號(hào)包含的較低頻率較長(zhǎng)，致使天線過(guò)長(zhǎng)而難以實(shí)現(xiàn)。第二，把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載波處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。第三，擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾，抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比

8、之間的互換。因此，調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的作用和影響。采用什么樣的調(diào)制方式將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。信息源（簡(jiǎn)稱信源）的作用是把各種信息轉(zhuǎn)換成原始信號(hào)。信息源和發(fā)送設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)送端。在通信系統(tǒng)的發(fā)送端將基帶信號(hào)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。調(diào)頻的方法主要由兩種：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻，本設(shè)計(jì)使用直接調(diào)頻。調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)控制載波的頻率變化，直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性地變化。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏；主要缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度不高。3.2解調(diào)過(guò)程解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是從接

9、收的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)原基帶信號(hào)。信號(hào)通過(guò)信道傳輸后，具有將信號(hào)放大和反變換功能的接收端將已調(diào)制的信號(hào)搬移（解調(diào)）到原來(lái)的頻率范圍。調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，軍事頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號(hào)的頻譜搬到了載波位置，這一過(guò)程可以通過(guò)一個(gè)相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過(guò)程，即把在載頻位置的已調(diào)信號(hào)的頻譜搬回到原始基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號(hào)，且需同步信號(hào)，故應(yīng)用范圍受限；而非相干解調(diào)不需要同步信號(hào)，是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式，本設(shè)計(jì)采用非相干解調(diào)。3.3噪聲我們將信道中存在的不需要的電信號(hào)統(tǒng)

10、稱為噪聲。通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號(hào)上的，沒(méi)有傳輸信號(hào)時(shí)通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中。噪聲可以看成是信道中的一種干擾，也稱為加性干擾，因?yàn)樗钳B加在信號(hào)之上的。噪聲對(duì)于信號(hào)的傳輸是有害的，它能使模擬信號(hào)失真，是數(shù)字信號(hào)發(fā)生錯(cuò)碼，并限制著信息的傳輸速率。按照來(lái)源分類，噪聲可以分為人為噪聲和自然噪聲兩大類。人為噪聲是有人類的活動(dòng)產(chǎn)生的，自然噪聲是自然界中存在的各種電磁波輻射，此外還有一種很重要的自然噪聲，即熱噪聲。熱噪聲來(lái)自一切電子型元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。由于在一般的通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，好像白光的頻譜在可見(jiàn)光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布那樣，所以熱噪聲又常稱

11、為白噪聲。由于熱噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，其統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，故常將熱噪聲稱為高斯白噪聲。在本仿真的過(guò)程中我們假設(shè)信道為高斯白噪聲信道。4 FM信號(hào)調(diào)制解調(diào)模型的建立與分析4.1 調(diào)制模型的建立與分析4.1.1 FM調(diào)制模型 m(t) Sfm（t）FM調(diào)制器 圖3 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)為設(shè)正弦載波為信號(hào)傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率為。4.1.2調(diào)制過(guò)程分析在調(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，即式中，為調(diào)頻靈敏度（）。這時(shí)相位偏移為則可得到調(diào)頻信號(hào)為4.1.3調(diào)制程序%*調(diào)制*clear alldt=0.0

12、05; %設(shè)定步長(zhǎng) t=0:dt:3;am=5; %調(diào)制信號(hào)幅度f(wàn)m=5; %調(diào)制信號(hào)頻率mt=am*cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號(hào)j_mt(1)=0;for i=1:length(t)-1 %對(duì)調(diào)制信號(hào)求積分j_mt(i+1)=j_mt(i)+mt(i)*dt;endfc=40;ct=cos(2*pi*fc*t); %生成載波kf=10; %調(diào)頻靈敏度sft=cos(2*pi*fc*t+kf*j_mt); %生成已調(diào)信號(hào)figure(1) %繪制圖形subplot(3,1,1);plot(t,ct);xlabel('t');title('載波時(shí)域圖&#

13、39;);subplot(3,1,2);plot(t,mt);xlabel('t');title('調(diào)制信號(hào)時(shí)域圖'); subplot(3,1,3);plot(t,sft); xlabel('t');title('已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖');4.1.4調(diào)制圖形 圖4調(diào)制信號(hào)圖形4.2 高斯白噪聲熱噪聲來(lái)自一切電子型元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。由于在一般的通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，好像白光的頻譜在可見(jiàn)光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布那樣，所以熱噪聲又常稱為白噪聲。由于熱噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，其統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，故常

14、將熱噪聲稱為高斯白噪聲。4.2.1 過(guò)程分析 設(shè)正弦波通過(guò)加性高斯白噪聲信道后的信號(hào)為其中，白噪聲的取值的概率分布服從高斯分布。MATLAB本身自帶了標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的內(nèi)部函數(shù)。函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)序列服從均值為，方差的高斯分布。正弦波通過(guò)加性高斯白噪聲信道后的信號(hào)為故其有用信號(hào)功率為噪聲功率為信噪比滿足公式則可得到公式我們可以通過(guò)這個(gè)公式方便的設(shè)置高斯白噪聲的方差。4.2.2程序%*高斯白噪聲* sn=10; %設(shè)定信噪比 db=am2/(2*(10(sn/10); %計(jì)算高斯白噪聲方差 n=sqrt(db)*randn(size(t); %生成高斯白噪聲 nsfm=n+sft; %含高斯白噪聲已調(diào)信

15、號(hào) figure(2) plot(t,nsfm); %繪制含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖 xlabel('t');title('含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖');4.2.3 含高斯白噪聲的已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖圖5含高斯白噪聲的已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖4.3解調(diào)模型的建立與分析在本仿真的過(guò)程中我們選擇用非相干解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。4.3.1 FM解調(diào)模型4.3.2 解調(diào)過(guò)程分析輸入調(diào)頻信號(hào)為圖6解調(diào)模型 設(shè)相干載波為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，乘法器輸出為經(jīng)低通濾波器后取出器低頻分量為在經(jīng)過(guò)微分器，即得出解調(diào)出的基帶信號(hào)：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

16、載波與調(diào)制載波同步，否則會(huì)使解調(diào)信號(hào)失真。4.3.2 解調(diào)程序nsfm1=sft; %無(wú)噪聲的已調(diào)信號(hào) for i=1:length(t)-1 %信號(hào)通過(guò)微分器處理 diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt; end diff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm1); %hilbert變換，求絕對(duì)值得到瞬時(shí)幅度（包絡(luò)檢波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;figure(3)subplot(2,1,1);plot(t,nsfm1);xlab

17、el('時(shí)間t');title('無(wú)噪聲條件已調(diào)信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,'r');xlabel('時(shí)間t'); title('無(wú)噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖'); %*有高斯噪聲條件下的解調(diào)* nsfm=n+sft; %含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)for i=1:length(t)-1 %信號(hào)通過(guò)微分器處理 diff_nsfm2(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt; end diff_nsfmn

18、2=abs(hilbert(diff_nsfm2); %hilbert變換，求絕對(duì)值得到瞬時(shí)幅度（包絡(luò)檢波）zero1=(max(diff_nsfmn2)-min(diff_nsfmn2)/2;diff_nsfmn3=diff_nsfmn-zero1;figure(4)subplot(2,1,1);plot(t,nsfm);xlabel('時(shí)間t');title('含高斯噪聲已調(diào)信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(1:length(diff_nsfmn3)./1000,diff_nsfmn3./400,'r');xlabel(

19、9;時(shí)間t'); title('含高斯噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖')；4.3.3解調(diào)圖形圖7無(wú)噪聲解調(diào)圖形圖8有噪聲解調(diào)圖形課程設(shè)計(jì)程序%*%*FM調(diào)制*clear alldt=0.005; %設(shè)定步長(zhǎng) t=0:dt:3;am=5; %調(diào)制信號(hào)幅度f(wàn)m=5; %調(diào)制信號(hào)頻率mt=am*cos(2*pi*fm*t); %生成調(diào)制信號(hào)j_mt(1)=0;for i=1:length(t)-1 %對(duì)調(diào)制信號(hào)求積分j_mt(i+1)=j_mt(i)+mt(i)*dt;endfc=40;ct=cos(2*pi*fc*t); %生成載波kf=10; %調(diào)頻靈敏度sft=cos(2*

20、pi*fc*t+kf*j_mt); %生成已調(diào)信號(hào)figure(1) %繪制圖形subplot(3,1,1);plot(t,ct);xlabel('t');title('載波時(shí)域圖');subplot(3,1,2);plot(t,mt);xlabel('t');title('調(diào)制信號(hào)時(shí)域圖'); subplot(3,1,3);plot(t,sft); xlabel('t');title('已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖'); %* %*高斯白噪聲* sn=30; %設(shè)定信噪比 db=am2/(2*(10(sn/10

21、); %計(jì)算高斯白噪聲方差 n=sqrt(db)*randn(size(t); %生成高斯白噪聲 nsfm=n+sft; %含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào) figure(2) plot(t,nsfm); %繪制含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖 xlabel('t');title('含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖');%*%*FM解調(diào)* %*無(wú)噪聲條件下的解調(diào)* nsfm1=sft; %無(wú)噪聲的已調(diào)信號(hào) for i=1:length(t)-1 %信號(hào)通過(guò)微分器處理 diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt; end diff_nsfmn=abs(h

22、ilbert(diff_nsfm1); %hilbert變換，求絕對(duì)值得到瞬時(shí)幅度（包絡(luò)檢波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;figure(3)subplot(2,1,1);plot(t,nsfm1);xlabel('時(shí)間t');title('無(wú)噪聲條件已調(diào)信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,'r');xlabel('時(shí)間t'

23、); title('無(wú)噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖'); %*有高斯噪聲條件下的解調(diào)* nsfm=n+sft; %含高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)for i=1:length(t)-1 %信號(hào)通過(guò)微分器處理 diff_nsfm2(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt; end diff_nsfmn2=abs(hilbert(diff_nsfm2); %hilbert變換，求絕對(duì)值得到瞬時(shí)幅度（包絡(luò)檢波）zero1=(max(diff_nsfmn2)-min(diff_nsfmn2)/2;diff_nsfmn3=diff_nsfmn-zero1;figure(4)subplot(

24、2,1,1);plot(t,nsfm);xlabel('時(shí)間t');title('含高斯噪聲已調(diào)信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(1:length(diff_nsfmn3)./1000,diff_nsfmn3./400,'r');xlabel('時(shí)間t'); title('含高斯噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');5總計(jì)5.1 設(shè)計(jì)小結(jié)確定了此次課程設(shè)計(jì)的題目后，仔細(xì)的回顧了以前所學(xué)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)有好多不熟悉了。因此把通信系統(tǒng)和MATLAB，數(shù)字圖像處理等書(shū)拿出來(lái)看了一遍，又到圖書(shū)館查閱了相關(guān)資料等到一切準(zhǔn)備好