FM(窄帶)調制解調系統(tǒng)仿真模型設計參考模板

1、課程設計報告課題名稱 _ _ FM（窄帶）調制解調系統(tǒng)的仿真模型設計_學 院 電子信息學院 專 業(yè) 通信工程 班 級 學 號 姓 名 指導教師 0 / 21定稿日期： 2017 年 01月13 日目錄1 課程設計題目22 課程設計目的22.1課程設計的目的22.2課程設計的背景22.3課程設計的環(huán)境23 課程設計時間34 課程設計內容34.1 SystemView軟件簡介34.2設計內容分析34.2.1通信系統(tǒng)簡介34.2.2 FM調制系統(tǒng)的建立44.3仿真模型的建立64.4仿真模型結果74.5 模塊說明及參數(shù)設置114.6 仿真結果分析125 課程設計體會13參考文獻131 課程設計題目FM

2、（窄帶）調制解調系統(tǒng)的仿真模型設計2 課程設計目的2.1課程設計的目的（1）學習使用計算機建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能，學會利用仿真的手段對于實用通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進行實際驗證（2）學習現(xiàn)有流行通信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法，學會使用這些軟件解決實際系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。（3）通過系統(tǒng)仿真加深對通信課程理論的理解。2.2課程設計的背景調制與解調在整個數(shù)字通信系統(tǒng)中起著很重要的作用。調制包含調節(jié)或調整的意義。調制的主要目的是使經(jīng)過編碼的信號特性與信道的特性相適應，使信號經(jīng)過調制后能夠順利通過信道傳輸。通過調制，不僅可以進行頻譜搬移，把調制信號的頻譜搬移到所需要的位置上，從而將調制

3、信號轉換成適合于傳播的已調信號，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。調制方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。調制方式分模擬調制系統(tǒng)和數(shù)字調制系統(tǒng)。在模擬調制系統(tǒng)中又可分為線性調制和非線性調制兩種，而這里將對非線性調制中的調頻調制，即FM中窄帶的調制解調做一個深入研究。FM在當今通信系統(tǒng)中用途非常廣泛，可用于高保真音樂廣播、電視伴音信號的傳輸、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)等等方面。2.3課程設計的環(huán)境本次課程設計所采用的仿真環(huán)境為SystemView5.03 課程設計時間 一周4 課程設計內容4.1 SystemView軟件簡介Elanix公司的SystemView是一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設

4、計、仿真和分析的可視化環(huán)境，主要用于電路和通信系統(tǒng)的設計、仿真，是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設計到復雜的通信系統(tǒng)等不同層的設計、仿真要求。在SystemView環(huán)境下，可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種速率的系統(tǒng)，可用于線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。SystemView包括基本庫和專業(yè)庫。SystemView可以實時仿真各種DSP結構，并進行各種系統(tǒng)時域和頻域分析、譜分析，對各種邏輯電路、射頻/模擬電路(混合器、放大器、RLC電路和運放電路)等進行理論分析和失真分析。SystemView的各種專業(yè)庫特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計、仿真和方案論證。

5、隨著通信技術的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)越來越復雜，設計和仿真難度也隨之加大，利用SystemView可以十分方便地完成相應的通信系統(tǒng)設計和仿真。4.2設計內容分析4.2.1通信系統(tǒng)簡介通信的目的是傳遞消息中包含的信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信息源發(fā)送到一個或多個目的地。通信系統(tǒng)對信號進行兩種基本變換，即把要發(fā)送的信息變換成原始電信號和將原始電信號調制到較高的載頻上，使其頻帶適合信道的傳輸。數(shù)字通信系統(tǒng)有多種，如數(shù)字電話系統(tǒng)、高速計算機并行數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)等。其模型如下：信宿信源編碼信道解碼解調信道調制信道編碼信源信源編碼同步噪聲發(fā)送端接收端圖4.2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型4.2.2 FM調制系統(tǒng)的建立（

6、1）FM調制原理FM為非線性調制。設一個載波可以表示為：(4.2.1)式中，為載波的瞬時相位，為載波的初始相位，為載波頻率?，F(xiàn)將被角度調制后的定義為瞬時頻率，即： (4.2.2)由公式4.2.2可寫出： (4.2.3)若相位（即）隨調制信號m(t)以某種方式變化，則稱之為角度調制。若使瞬時頻率直接隨調制信號線性地變化，則得到頻率調制，即調頻，此時有瞬時角頻率: (4.2.4)由公式4.2.2可得： (4.2.5)若調頻信號的最大瞬時相位偏移保持在很小的范圍內，一般小于30°，即： (4.2.6)則稱為窄帶調頻或窄帶調相。頻率調制（FM）即已調信號的瞬時角頻率偏移隨原始基帶信號線性變化

7、，亦即： (4.2.7) 其中為調頻靈敏度 或有 (4.2.8)調頻波的時間表達式： （4.2.9）其中，A 是載波的振幅，是角度調制信號的瞬時相位，而是瞬時相位偏移;為信號的瞬時頻率，而 稱為瞬時頻率偏移，即相對于的瞬時頻率偏移。若為單余弦調制信號（）,則調頻波的時間表達式為： （4.2.10）上式中稱為調頻指數(shù)，為最大角頻率偏移。 調頻波的瞬時頻率偏移與調制信號呈線性關系，而其瞬時相位偏移與調制信號的積分呈線性關系。從頻率調制的相位與頻率關系可以看出，調頻信號可通過直接調頻和間接調頻兩種方式得到。間接調頻就是先對調制信號積分再調相得到。（2）FM解調原理a.非相干解調由于調頻信號的瞬時頻率

8、正比于調制信號的幅度，因而調頻信號的解調必須能產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓，由公式4.2.5可得當已調信號表示式為公式4.2.9時，解調器的輸出應為: （4.2.11） 最簡單的解調器是鑒頻器。理想的鑒頻器可以看做是微分器與包絡檢波器的級聯(lián)。調頻器通過微分器得到調頻調幅信號，如果只取其包絡信息，則正比于調制信號m(t)，然后濾掉之流分量后，包絡檢波器輸出 （4.2.12）其中為鑒頻器的靈敏度b.相干解調非線性解調制信號的解調與線性調制信號的解調基本一樣，也分相干解調和非相干解調兩種方法。非相干解調的方法上面已經(jīng)介紹過，而相干解調的方法適用于窄帶調制信號。相干解調的方框圖為：BPFLPF NBF

9、M Z(t)C(t)圖4.2.2 NBFM相干解調由于窄帶調頻信號可分解成正交分量與同相分量之和，因而可以采用線性調制中的相干解調法來進行解調。設窄帶調頻信號為： （4.2.13）相干載波為，則乘法器輸出為:（4.2.14）經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得再經(jīng)微分，得輸出信號: （4.2.15）可見，相干解調可以恢復原調制信號，這種解調方法與線性調制中的相干解調一樣，要求本地載波與調制載波同步，否則將使解調信號失真。4.3仿真模型的建立實驗使用了間接調頻，即先對調制信號積分再調相。最后使用相干解調法還原信號，即輸出解調信號。圖4.3.1 窄帶調頻原理框圖圖4.3.2 相干解調原理圖如上圖制作仿真模

10、型，圖4.3.3左右分別為間接調頻和相干解調。圖4.3.3 FM間接法調頻調制與解調的仿真模型在圖中，圖符1、2、3、4為調頻器，圖符0為幅度為1V，頻率為10Hz的正弦波信號，圖符5為幅度為3V、頻率為100Hz的正弦波信號，圖符8為幅度為1V，頻率為100Hz的正弦波信號。從圖符0到圖符6是對FM信號的調制階段，從圖符7到圖符12為解調階段。需注意圖符11為一切比雪夫濾波器，其作用是用作環(huán)路濾波。本仿真模型的流程如下：信號源產(chǎn)生信號對FM信號調制加入高斯白噪聲對FM信號解調還原加入白噪聲后的信號圖4.3.4 FM調制解調流程4.4仿真模型結果仿真后的波形圖以及頻譜圖如下：圖4.4.1 調制

11、信號波形FM的輸入信號是正弦波圖4.4.2 調制信號頻譜波形調制信號頻譜波形是在調制波形的基礎上進行傅里葉變換后所得出的圖4.4.3 已調信號波形調制后的波形，按照原理，F(xiàn)M角度調制出來的波形特征為：頻率周期性地稀疏變化，所以波形調制成功。圖4.4.4 已調信號頻譜波形圖4.4.5 解調信號波形解調后的波形圖4.4.6 解調信號頻譜波形圖4.4.7 載波信號波形圖4.4.8 載波信號頻譜波形頻率調制（FM），是指瞬時頻率偏移隨調制信號m（t）成比例變化，則可得到調頻信號為4.5 模塊說明及參數(shù)設置模塊0：輸入信號Token 0 Parameters: Source: Sinusoid Amp

12、= 1 vFreq = 10 HzPhase = 0 degOutput 1 = Cosine Max Rate (Port 0) = 2e+3 Hz模塊1：Function Library說明：積分器Token 1 Parameters:Operator: IntegratorZero Order Initial Condition = 0 v模塊2：Gain 說明：增益 對信號進行放大處理 Gain=3模塊3：Multiplier 說明：該模塊是一個乘法器，將輸入的信號相乘后輸出。Token 3 Parameters:Multiplier: Non ParametricInputs fro

13、m 2 5Outputs to 4模塊4：Negate說明：取負數(shù)模塊5：載波信號，載波在解調過程中作用是識別原來的信號Token 6 Parameters:Source: SinusoidAmp = 3 vFreq = 100 HzPhase = 0 degOutput 0 = Sine t3Output 1 = Cosine t6 t14 Max Rate (Port 1) = 2e+3 Hz模塊6：加法器對輸入信號進行加法操作模塊7：雙通濾波器Liner SysChebyshev Bandpass IIR5 PolesLow Fc=80HzHi Fc=120HzQuant Bits=No

14、neInit Cndtn=TransientDSP Mode Disabled模塊8：Source LibrarySource: SinusoidAmp = 1 vFreq = 100 HzPhase = 0 deg Max Rate (Port 1) = 2e+3 Hz 模塊9：Negate說明：取負數(shù)模塊11：Operator Library說明：該模塊是一個切比雪夫濾波器Token 14 Parameters:Operator: Linear SysChebyshevLowpass IIR5 PolesFc = 25 HzQuant Bits = NoneInitCndtn = Tran

15、sientDSP Mode DisabledMax Rate = 2e+3 Hz模塊15：該模塊是將信號微分，完成解調4.6 仿真結果分析仿真結果分析：鑒于鑒頻器不適于窄帶仿真，故本次設計采用了相干解調法對FM信號進行調制解調。從解調后的波形來看，與之前的輸入信號相比有輕微失真，可能原因分析如下：1、所選波形文件頻率與參數(shù)設置匹配沒有理論上理想，導致解調輪廓出現(xiàn)少量失真；2、該波形文件受高斯白噪聲的影響太大，以致解調輸出波形出現(xiàn)輕微失真。5 課程設計體會本周的實訓是關于通信原理調制解調系統(tǒng)的仿真模型設計。在學習通信原理課程理論之后，開設這類的課程設計，目的是讓我們更深刻的理解通信原理這門課，并

16、且把所學的理論與實踐相聯(lián)系，同時，這對于課程原理的掌握起到了深化的作用。這次課程設計做的是FM窄帶調制解調系統(tǒng)的仿真模型設計。這次所用的軟件是SystemView5.0，拿到任務，一開始還真是沒概念，幸好老師發(fā)給我們的資料中有相關的例題，可以照著例題的思路進行推究學習，從中獲取一些經(jīng)驗。通過老師提供的資料以及反復的嘗試終于知道如何操作這個軟件以及各圖符的功能。而在這次的設計中，我對FM的調制解調有了一定的了解。常見的模擬調制包括角度調制(FMPM)和幅度調制(AMDSB)，與幅度調制不同的是角度調制是原調制信號頻譜的非線性搬移，并且產(chǎn)生了新的頻譜分量，所以又稱為非線性調制。FM(調頻)在實際通

17、信中的應用非常廣泛，高保真音樂廣播、電視伴音信號傳輸、蜂窩電話以及衛(wèi)星通信等。與幅度調制相比，F(xiàn)M可以獲得較高的抗噪聲性能。調頻即使頻率直接隨調制信號線性變化，窄帶調頻可以由乘法器實現(xiàn)，因此必然可用相干解調的方法來回復原調制信號，NBFM信號在接收端首先經(jīng)過帶通濾波器濾除頻帶外信道加性噪聲，然后經(jīng)過乘法器與載波相乘，用低通濾波器濾除乘出來的高頻分量，最后經(jīng)微分器去掉外面的積分，在輸出端恢復原調制信號f(t)。而信號在信道中的傳輸會失真有可能是因為受到噪聲影響，這時就需要用調制的方法去恢復信號，降低噪聲對信號的干擾。通過本次實訓，我深刻體會到了通信原理設計是一門實踐性很強的東西，不僅要學好書本知識，還必須隨時把所學知識投入實際應用之中，只有這樣，才能達到學習的目的。這次實踐中，我感覺到自己掌握的還是太匱乏了，當用到某個知識點時，經(jīng)常是概念不清。所以，我還是覺得必須很熟練的掌握專業(yè)知識，這樣才能很順暢的設計應用、提高效率，考慮問題也會更全面。參考文獻【1】 樊昌信，通信原理教程，電子工業(yè)出版社，