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、成績沮南呻兔學(xué)院課程設(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：楊麗君學(xué)生學(xué)號(hào)：1008030317系別：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程屆別：14-指導(dǎo)教師：馬立憲電氣信息工程學(xué)院制2021年5月基于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i.i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(duì)FM信號(hào)調(diào)制原理的理解.(3)畫出基于MATLAB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(huì)MATLAB軟件的安裝.(

2、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(huì)對(duì)所面對(duì)的問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析,并能從多個(gè)層面進(jìn)行比擬.(3)熟練并且掌握對(duì)MATLAB軟件的使用,學(xué)會(huì)輸入程序并且加以運(yùn)行.1.3 課程設(shè)計(jì)的研究根底通信的目的是傳輸信號(hào).通信系統(tǒng)的作用是將信息從信息源發(fā)送到一個(gè)或者多個(gè)目的地.模擬信號(hào)是時(shí)間和幅值上都連續(xù)的信號(hào).調(diào)制是用原始信號(hào)即調(diào)制信號(hào)去限制高頻載波信號(hào)的某一參數(shù),是指隨著原始信號(hào)幅度的變化而變化.而FM頻率調(diào)制是高頻載波信號(hào)的頻率隨著原始信號(hào)幅度變化而變化.解調(diào)是將已調(diào)制的信號(hào)恢復(fù)成原始信號(hào)即基帶調(diào)制信號(hào).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

3、作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成電信號(hào).根據(jù)消息的種類不同,信息源可以分為模擬信號(hào)源和數(shù)字信號(hào)源,模擬信號(hào)源輸出模擬信號(hào)；數(shù)字信號(hào)源輸出數(shù)字信號(hào)(本次課程設(shè)計(jì)是模擬信號(hào)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?hào)即使發(fā)送信號(hào)的特性與信道特性相匹配,具有抗信道干擾水平,并且具有足夠的功率以滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰?因此,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)備的信號(hào)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

4、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(hào)的傳輸.(5)接收設(shè)備接收設(shè)備的功能是將信號(hào)放大及反變換(如譯碼、解調(diào)等).目的是從受到減損的信號(hào)中正確恢復(fù)出原始信號(hào),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 方案提出下列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(duì)于調(diào)制信號(hào)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(duì)應(yīng)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

5、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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)用更廣泛與寬帶調(diào)頻,我們對(duì)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

6、擇相干解調(diào)針對(duì)以上的分析選擇的最正確方案為方案四.3 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)m(t)模擬信源一>調(diào)制器>發(fā)濾波器一信道I收濾波器I1|ni(t)m0(t)(s/n)o噪聲n(t)解調(diào)器信宿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)各局部的功能調(diào)制器：使信號(hào)與信道相匹配,有利于信號(hào)在信道中傳輸.發(fā)濾波器：濾除調(diào)制器輸出的無用信號(hào).收濾波器：濾除信號(hào)頻帶以外的噪聲.一般設(shè)N(t)為高斯白噪聲,那么Ni(t)為窄帶白噪聲.在通信系統(tǒng)中一般需要將信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制,以利于信號(hào)在信道上的傳輸,調(diào)制是將用原始信號(hào)去限制高頻振蕩信號(hào)的某一參數(shù),使之

7、隨原始信號(hào)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(hào)和調(diào)制信號(hào)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(shí)角頻率是關(guān)于調(diào)制信號(hào)的線性函數(shù),瞬時(shí)角頻率偏移量Aw=KFMf那么,瞬時(shí)角頻率為：w=wc+KFMf(t);KFM為頻偏指數(shù),那么調(diào)頻信號(hào)為:Sfm(t)=cos(wt+KFMff(t)dt;當(dāng)調(diào)制信號(hào)是單頻余弦時(shí),調(diào)制信號(hào)為:Sfm(t)=

8、Acos(wctKFMAmcoswmtfdt)=Acos(wct：FMsinwmt);PFM為調(diào)頻指數(shù),PFM=KFMAm/Wm;調(diào)制信號(hào)的信號(hào)的產(chǎn)生m(t)FMSfm(t)圖4調(diào)頻信號(hào)的直接產(chǎn)生m(t)(0dtkPMSfm(t)圖5調(diào)頻信號(hào)的間接產(chǎn)生如上兩圖,在間接產(chǎn)生方法中,由于實(shí)際調(diào)相的相位調(diào)節(jié)器的范圍在(-冗),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)頻那么常用于寬帶調(diào)制情況.窄帶角頻率調(diào)制時(shí),最大瞬時(shí)相位偏移遠(yuǎn)小于30°即KFMff(tdt)max«n/6,調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式Sfm(t)=cos(wj+KFM/出),當(dāng)為窄帶調(diào)制時(shí),Sf

9、m(t)=Acoswct-AFMJf(t)dtsinwd,假設(shè)調(diào)制信號(hào)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二(w-wc)二(wwc)AKFM/2F(w-wc)/(w-wc)-F(wwc)/(wwc),此時(shí)調(diào)頻信號(hào)的帶寬為調(diào)制信號(hào)的兩倍.其相應(yīng)圖形如下：wm“m(w)wm圖6調(diào)制信號(hào)頻譜非相干解調(diào)由于調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率正比于調(diào)制信號(hào)的幅度,因而調(diào)制信號(hào)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(hào)為：S(t)=AcosWct+KFMf(t)dt,那么解調(diào)器的輸出應(yīng)為：SoOAKfmf最簡單的解調(diào)器是鑒頻器,原理圖如下：圖8非相干解調(diào)原理

10、圖包絡(luò)檢波輸出為S0(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(hào)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(hào)帶寬以外的噪聲,低通濾波器輸出So(t)=AKFMf(t)/2；相干解調(diào)不僅要恢復(fù)基帶調(diào)制信號(hào),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(hào)Sfm=cos(wct+KFMfff(t)dt),輸入功率S=A2/2,輸入噪聲Ni=n°BFM,信噪比為S/Ni=A*A/2n

11、76;BFM,非相干解調(diào)的解調(diào)器的輸入端是調(diào)頻信號(hào)與噪聲的疊加,為S(t)+n(t)=SFM(t)+n(t),在大信噪比情況下,解調(diào)器的輸出端的信噪比為So/NO=3A2Kf2m2(t)/8n2nofm3,考慮單頻余弦信號(hào)調(diào)制,故可得大信噪比情況下的信噪比增益為Gfm=(&/N°)/(Si+Ni)=(3/2)(mf2)(A2/2)/(nofo),單頻時(shí),帶寬Bfm=2(餌+*)所以增益可化解為Gfm=3PFM(PFM+1).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)Bfm,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M

12、ATLAB的介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)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.它以矩陣為根本數(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

13、運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)立用戶界面、連接其他編程語言的程序等,主要應(yīng)用于工程計(jì)算、限制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)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)圖10程序流程圖4.3 MATLAB源代碼程序如下：echooffcloseallclearallclcdt=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(hào)時(shí)域圖');fc=50;ct=cos(2*pi*fc*t);figure(2)plot

14、(t,ct);xlabel('t')title('載波信號(hào)時(shí)域圖');fs=1000;sfm=modulate(mt,fc,fs,'FM');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)

15、-1)-fs/2;figure(11)plot(f,abs(fftshift(M)xlabel('頻率f)title('調(diào)制信號(hào)的頻譜圖');figure(3)plot(t,sfm);xlabel('t')title('調(diào)頻信號(hào)的時(shí)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('PowerSpe

16、ctrum(y)');title('調(diào)頻信號(hào)的頻譜圖');nsfm=sfm;fori=1:length(t)-1diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;enddiff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm);zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;figure(5) plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,'r');xlabel('時(shí)間t

17、9;);title('無噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)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(hào)的頻譜圖')%有噪聲情況下的調(diào)頻信號(hào)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(

18、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(hào)時(shí)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(hào)頻譜圖

19、');ny1=y1;fori=1:length(t)-1diff_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(shí)間t');title('加性噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');%對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行傅氏變

20、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(hào)的頻譜圖');4.4仿真結(jié)果(1)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào),畫出相應(yīng)的時(shí)域圖和頻域圖圖11調(diào)制信號(hào)時(shí)域圖圖12調(diào)制信號(hào)的頻譜圖圖13載波信號(hào)時(shí)域圖(2)利用modulate函數(shù)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)FileEditViewjnsertToolsDesktopWindowHlelp口用P昌住ARC：目BQFigure4圖14調(diào)

21、頻信號(hào)的時(shí)域圖FileEditViewInsertTealsDesktopWindowHelp口今Q41,0爭黝吃口目口回調(diào)頻信號(hào)的頻譜圖5004aoFrequence(Hz)'-4OI(AEEoCDdmLc.-5(3)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)圖16無噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖(4)對(duì)信道中參加加性高斯白噪聲,繪制調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp口齒口聾fe敏Rf?®)要SaE圖18加噪聲之后的調(diào)頻信號(hào)時(shí)域圖,信噪比為10加噪聲之后的調(diào)頻信號(hào)時(shí)域圖性噪比為1口tMJFigure8FileEditViewInse

22、rtToolsDesktopWindov*Help膏詒包a琳1)要口目sQ加噪聲后的調(diào)頻信號(hào)頻譜圖Frequence(Hz)(IEnJoOJdsEWJd(5)繪制加噪聲的調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)時(shí)域圖和頻域圖圖20加性噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖5總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)小結(jié)(1)對(duì)已調(diào)制未加噪聲的調(diào)頻信號(hào)而言,在時(shí)域圖中出現(xiàn)疏密交錯(cuò)的變化規(guī)律,有理論和實(shí)際都可以看到,在瞬時(shí)最大正頻偏處,波形最密；在瞬時(shí)最低處,波形最疏(2)由圖可知,輸入的調(diào)制信號(hào)通過調(diào)制之后,波形發(fā)生了明顯的變化,原本規(guī)那么的正弦信號(hào)變成了不規(guī)那么的上下起伏波動(dòng)的圖形,而且調(diào)制后的圖形也沒有原本正弦信號(hào)般圓滑,出現(xiàn)了十分鋒利的突起.說明正弦信

23、號(hào)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(duì)照比擬我們可以看出FM調(diào)制并不是使原正弦信號(hào)的頻譜在原來位置上通過移動(dòng)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(duì)照比擬我們也可以看出FM調(diào)制并不是使原正弦信號(hào)的頻譜在原來位置上通過移動(dòng)得到調(diào)制波形,調(diào)制后的波形與調(diào)制前的完全不同,這證實(shí)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(hào)的時(shí),無法得出信號(hào)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(hào)時(shí),信號(hào)會(huì)混疊失真.(4)在參加噪聲后時(shí)域波形與原來的時(shí)域波形比照中,參加噪聲后時(shí)域波形明顯失真,波形不僅不如原本波形般規(guī)那么,而且曲線

24、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(duì)信號(hào)的影響也變小了.從參加噪聲的時(shí)域圖與頻域圖的比照中,參加噪聲的時(shí)域圖的變化更為突出,白噪聲在整個(gè)頻譜內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的能量為常數(shù),且根本恒定,所以他對(duì)于時(shí)域的影響更大.5.1 收獲體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)讓自己對(duì)FM調(diào)制及MATLAB軟件有了較深了解,設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)自己的課題有了更加深入的了解,剛開始對(duì)自己所要做的FM調(diào)制原理沒有搞清楚,書籍知識(shí)也只理解到皮毛而且對(duì)MATLAB軟件的使用和其語言的使用也不是很會(huì),雖然在數(shù)字信號(hào)處理過程中學(xué)過,但僅僅停留在外表上,只會(huì)簡單的調(diào)試,這也增加了此次設(shè)計(jì)的對(duì)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)的根本要求.在課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間內(nèi)主要遇到了以下問題：1 對(duì)MATLAB中的函數(shù)的理解不夠,在信號(hào)的調(diào)制時(shí),一開始并不知道要用到modulate函數(shù)來對(duì)未調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,后來經(jīng)過同學(xué)的提醒,簡