基于matlab的FM通信系統(tǒng)仿真設計與實現(xiàn)_課程設計報告

1、淮南師范學院電氣信息工程學院2014屆電子信息工程專業(yè)課程設計報告 成績課程設計報告題 目： 基于matlab的FM通信系統(tǒng)仿真設計與實現(xiàn) 學生姓名： 楊麗君 學生學號： 1008030317 系 別： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 屆 別： 14屆 指導教師： 馬立憲 電氣信息工程學院制2013年5月基于matlab的FM通信系統(tǒng)仿真設計與實現(xiàn)學生：楊麗君指導教師：馬立憲電氣信息工程學院 電子信息工程1課程設計的任務與要求1.1 課程設計的任務(1)熟悉MATLAB文件中M文件的使用方法，包括函數(shù)、原理和方法的應用。(2)加深對FM信號調(diào)制原理的理解。(3)畫出基于MATLAB的

2、FM通信系統(tǒng)仿真設計與實現(xiàn)設計的原理圖。1.2 課程設計的要求(1) 學會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，學會對所面對的問題進行系統(tǒng)的分析，并能從多個層面進行比較。(3) 熟練并且掌握對MATLAB軟件的使用，學會輸入程序并且加以運行。1.3 課程設計的研究基礎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：信息源發(fā)送設備信道接收設備噪聲源受信者圖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（本次課程設計是模擬信號源）。（2）發(fā)送設備發(fā)送設備的作用是產(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距離傳輸?shù)男枰Ｒ虼?，發(fā)送設備涵蓋的內(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)送設備的信號發(fā)送到接收端。信

4、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）接收設備接收設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：模擬信源調(diào)制器發(fā)濾波器信道收濾波器解調(diào)器信宿噪聲圖2模擬通信系統(tǒng)模型本次課程設計FM模擬通信系統(tǒng)模型中對于調(diào)

5、制信號通過調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)頻波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)器對應的解調(diào)方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)頻的應用更廣泛與寬帶調(diào)頻，我們對此也更為熟悉，技術(shù)

6、也更為成熟。此外，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。所以本次課程設計選擇窄帶調(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，本次課程設計的解調(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)方案設計3.1 FM通信系統(tǒng)模型設計模擬信源調(diào)制器發(fā)濾波器信道收濾波器解調(diào)器信宿噪聲no(t)(S/N)o圖3 模擬通信系統(tǒng)模型設計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N(t)為高斯白噪聲,則Ni(t)為窄帶白噪聲

7、。在通信系統(tǒng)中一般需要將信號進行相應調(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 則， 瞬時角頻率為:;為頻偏指數(shù),則調(diào)頻信號為:; 當調(diào)制信號是單頻余弦

8、時,調(diào)制信號為:;為調(diào)頻指數(shù)，;調(diào)制信號的信號的產(chǎn)生 圖4 調(diào)頻信號的直接產(chǎn)生 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，因為實際調(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小于30即,調(diào)頻信號的時域表達式，當為窄帶調(diào)制時，,假設調(diào)制信號的頻譜為,而且假設的平均值為零,由傅氏變換可得:,此時調(diào)頻信號的帶寬為調(diào)制信號的兩倍。其相應圖形如下： 0圖6 調(diào)制信號頻譜0- 圖7 調(diào)頻信號頻譜（2）解調(diào)原理非相干解調(diào)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

9、正比于輸入頻率的輸出電壓，即輸入為調(diào)制信號為:，則解調(diào)器的輸出應為:最簡單的解調(diào)器是鑒頻器 , 原理圖如下： 限幅器及帶通微分器包絡檢波低通濾波器圖8非相干解調(diào)原理圖包絡檢波輸出為, 為鑒頻器的靈敏度，微分器和包絡檢波構(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)來進行解調(diào)。原理圖如下： 帶通濾波相乘器微分器低通濾波圖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；相干解調(diào)不僅要恢復基帶調(diào)制信號，還要恢復相干載波，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，

10、輸入功率，輸入噪聲,信噪比為,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 ，在大信噪比情況下，解調(diào)器的輸出端的信噪比為 ，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，單頻時，帶寬所以增益可化解為.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)，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)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(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

11、環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領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)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和mathematica、maple并稱為三大數(shù)學軟件。它以矩陣為基本數(shù)據(jù)單位，在數(shù)學類科技應用軟件中在數(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，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域4.2 FM通信系統(tǒng)仿真實現(xiàn)初始化程序顯示程序添加高斯白噪聲程序F

12、M解調(diào)程序繪制頻譜圖程序FM調(diào)制程序圖10 程序流程圖4.3 MATLAB源代碼程序如下：echo off close allclear allclcdt=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);fs=1000; sfm=modulate(mt,fc,fs,FM);ts=0.001; fs=1/ts;

13、 df=0.25; mt=am*cos(2*pi*fm*t); fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;else n1=fs/df;endn2=length(mt);n=2(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)plot(t,sfm);xlabel(t)title

14、(調(diào)頻信號的時域圖);axis(0 0.15 -1 1);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(Power Spectrum(y); title(調(diào)頻信號的頻譜圖);nsfm=sfm; for i=1:length(t)-1 diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;enddiff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm); zero=(max(diff

15、_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;figure(5) plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);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(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

16、; 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);title(加噪聲之后的調(diào)頻信號時域圖,性噪比為10)axis(0 0.15 -1 1);b=fft(y1,1024); f=(0:length(b)-1)*fs/length(b) -fs/2;figure(8)plot(f,abs(fftshift(b); xla

17、bel(Frequence(Hz); ylabel(Power Spectrum(y); title(加噪聲后的調(diào)頻信號頻譜圖);ny1=y1; for i=1:length(t)-1 diff_ny1(i)=(ny1(i+1)-ny1(i)./dt;enddiff_ny1n = abs(hilbert(diff_ny1); zero=(max(diff_ny1n)-min(diff_ny1n)/2;diff_ny1n1=diff_ny1n-zero;figure(9)plot(1:length(diff_ny1n1)./1000,diff_ny1n1./400,r);xlabel(時間t);

18、 title(加性噪聲條件下解調(diào)信號的時域圖);%對已調(diào)信號進行傅氏變換x=fft(diff_ny1n1,1024);f=(0:length(x)-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,畫出相應的時域圖和頻域圖圖11調(diào)制信號時域圖圖12調(diào)制信號的頻譜圖圖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)頻信號的時域圖圖15調(diào)頻信號的頻譜圖（3）對調(diào)制信號進行解調(diào)圖16 無噪

19、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（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圖18 加噪聲之后的調(diào)頻信號時域圖，信噪比為10圖19 加噪聲之后的調(diào)頻信號頻譜圖（5）繪制加噪聲的調(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5 總結(jié)5.1 設計小結(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

20、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

21、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計讓自己對FM調(diào)制及MATLAB軟件有了較深了解，設計時遇到許多難題，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

22、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，這也增加了此次設計的對自己的難度，但通過相關(guān)書籍的閱讀和與老師的交流，在老師，同學的幫助下，完成了課程設計的基本要求。在課程設計的這段時間內(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modulate函數(shù)來對未調(diào)制信號進行調(diào)制，后來經(jīng)過同學的提醒，簡化了程序，簡單的完成了對信號的調(diào)制。（2）在做時域到頻域的變化步驟時，由于要利用傅立葉函數(shù)進行變化，剛開始完全不知如何下手，很多書籍上有DFT，IFFT函數(shù)，不能明白其意思，后來通過老師的指點，使用

23、FFT可以使時域直接到頻域進行變化，從而完成時域到頻域的轉(zhuǎn)換。（3）加噪聲是對系統(tǒng)抗噪聲性能的一種測試，用awgn這個函數(shù)時，系統(tǒng)總是報錯，后來經(jīng)過對軟件的重新啟動又可以執(zhí)行相關(guān)功能了，軟件的性能也很重要呀。（4）在本次課程設計中遇到的棘手問題只要在MATLAB軟件語言上的使用，雖然對FM調(diào)制有了一定理解，但卻不能將其用相應的語言來表示出FM調(diào)制過程，在程序方面主要還是通過網(wǎng)絡方面收集，并對其進行整理和分析，綜合成相關(guān)的程序要求，簡單的完成了這次的課程設計。6 參考文獻1曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理M.清華大學出版社.2程培青.數(shù)字信號處理清華大學M.出版社. 3聶翔飛,王海.MATLAB程序設計及其在信號處理中的應用M.西南交通大學出版社. 4 沈偉慈.通信電路M.西安電子科技大學出版社. 5 百度文庫等網(wǎng)上資源.6 劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計與應用M.第二版.7 通信原理（第六版）M. 樊昌信等. 北京：國防工業(yè)出版社. 8 MATLAB7.0在數(shù)字信號處理中的應用M.羅軍輝等。北京：機械工業(yè)