模擬角度調(diào)制系統(tǒng)仿真

附件1：課程設(shè)計(jì)報(bào)告書格式理學(xué)院通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目模擬角度調(diào)制系統(tǒng)仿真學(xué)生專業(yè)班級(jí)通信09級(jí)學(xué)生姓名〔學(xué)號(hào)〕指導(dǎo)教師完成時(shí)間2012-11-5實(shí)習(xí)〔設(shè)計(jì)〕地點(diǎn)理信學(xué)院機(jī)房2012年11月一、設(shè)計(jì)目的和任務(wù)分析1、設(shè)計(jì)目的〔1〕、掌握模擬系統(tǒng)FM、PM調(diào)制與解調(diào)的原理?！?〕、掌握模擬角度調(diào)制系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)FM與PM調(diào)制與解調(diào)的設(shè)計(jì)方法，并要求信道為AWGN信道，畫出調(diào)制信號(hào)、已調(diào)信號(hào)的波形圖與頻譜圖，并比擬兩種調(diào)制的帶寬、信噪比參數(shù)；〔3〕、掌握matlab分析系統(tǒng)時(shí)域、頻域特性的方法，進(jìn)一步鍛煉應(yīng)用matlab進(jìn)行編程仿真的能力?！?〕、調(diào)制與解調(diào)模擬系統(tǒng)，仿真實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能設(shè)計(jì)fm、pm調(diào)制與解調(diào)模擬系統(tǒng)，仿真實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。2、任務(wù)分析〔1〕、確定仿真算法〔2〕、建立仿真模型〔3〕、設(shè)計(jì)仿真程序，fm、pm調(diào)制與解調(diào)，先初始化，添加高斯白噪聲制出調(diào)制和已調(diào)信號(hào)，運(yùn)行仿真程序〔4〕、輸出仿真結(jié)果并進(jìn)行分析二、設(shè)計(jì)過程1、模擬通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介通信系統(tǒng)是為了有效可靠的傳輸信息，信息由信源發(fā)出，以語(yǔ)言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體,通過電(光)信號(hào)將信息傳輸，由信宿接收。通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字通信與模擬通信?；谡n程設(shè)計(jì)的要求，下面簡(jiǎn)要介紹模擬通信系統(tǒng)。信源是模擬信號(hào)，信道中傳輸?shù)囊彩悄M信號(hào)的系統(tǒng)為模擬通信。模擬通信系統(tǒng)的模型如圖1所示。圖1模擬通信系統(tǒng)模型調(diào)制器:使信號(hào)與信道相匹配,便于頻分復(fù)用等。發(fā)濾波器:濾除調(diào)制器輸出的無(wú)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。FM波的幅度恒定不變，這使得它對(duì)非線性器件不甚敏感，給FM帶來(lái)了抗快衰落能力。利用自動(dòng)增益控制和帶通限幅還可以消除快衰落造成的幅度變化效應(yīng)。這些特點(diǎn)使得NBFM對(duì)微波中繼系統(tǒng)頗具吸引力。WBFM的抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)帶寬與信噪比的互換，因而WBFM廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中，如空間和衛(wèi)星通信、調(diào)頻立體聲播送、短波電臺(tái)等。WBFM的缺點(diǎn)是頻帶利用率低，存在門限效應(yīng)，因此在接收信號(hào)弱、干擾大的情況下宜采用NBFM，這就是小型通信機(jī)常采用NBFM的原因。2、FM調(diào)制原理頻率調(diào)制的一般表達(dá)式為：〔2-1〕FM和PM非常相似，如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)的具體形式，那么無(wú)法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)還是調(diào)相信號(hào)。圖2圖3圖〔2〕所示的產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法稱為直接調(diào)頻法，圖〔3〕所示的產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法稱為間接調(diào)頻法[4]。由于實(shí)際相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍不可能超出，因而間接調(diào)頻的方法僅適用于相位偏移和頻率偏移不大的窄帶調(diào)制情形，而直接調(diào)頻那么適用于寬帶調(diào)制情形。根據(jù)調(diào)制后載波瞬時(shí)相位偏移的大小，可將頻率調(diào)制分為寬帶調(diào)頻〔WBFM〕與窄帶調(diào)頻〔NBFM〕。寬帶與窄帶調(diào)制的區(qū)分并無(wú)嚴(yán)格的界限，但通常認(rèn)為由調(diào)頻所引起的最大瞬時(shí)相位偏移遠(yuǎn)小于30°時(shí)，〔2-2〕稱為窄帶調(diào)頻。否那么，稱為寬帶調(diào)頻。

為方便起見，無(wú)妨假設(shè)正弦載波的振幅A＝1，那么由式〔2-1〕調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式，得=〔2-3〕通過化解，利用傅立葉變化公式可得NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式：〔2-4〕在NBFM中，由于下邊頻為負(fù)，因而合成矢量不與載波同相，而是存在相位偏移，當(dāng)最大相位偏移滿足式〔2-2〕時(shí)，合成矢量的幅度根本不變，這樣就形成了FM信號(hào)。圖4NBFM信號(hào)頻譜3、PM調(diào)制原理在模擬調(diào)制中，一個(gè)連續(xù)波有三個(gè)參數(shù)可以用來(lái)攜帶信息而構(gòu)成已調(diào)信號(hào)。當(dāng)幅度和頻率保持不變時(shí)，改變載波的相位使之隨未調(diào)信號(hào)的大小而改變，這就是調(diào)相的概念。角度調(diào)制信號(hào)的一般表示形式為：S(t)=Acos[ωt+φ(t)]式中，A是載波的恒定振幅；[ωt+φ(t)]是信號(hào)的瞬時(shí)相位，而φ(t)稱為瞬時(shí)相位偏移；d[ωt+φ(t)]/dt為信號(hào)的瞬時(shí)頻率，而dφ(t)/dt稱為瞬時(shí)頻率偏移，即相對(duì)于ω的瞬時(shí)頻率偏移。設(shè)高頻載波為u=Ucosωt，調(diào)制信號(hào)為UΩ(t)，那么調(diào)相信號(hào)的瞬時(shí)相位φ(t)=ω+KUΩ(t)瞬時(shí)角頻率ω(t)==ω+K調(diào)相信號(hào)u=Ucos［ωt+KuΩ(t)］將信號(hào)的信息加在載波的相位上那么形成調(diào)相信號(hào)，調(diào)相的表達(dá)式為：S(t)=Acos[ωt+Kf(t)+φ]這里K稱為相移指數(shù)，這種調(diào)制方式，載波的幅度和角頻率不變，而瞬時(shí)相位偏移是調(diào)制信號(hào)f(t)的線性函數(shù)，稱為相位調(diào)制。調(diào)相與調(diào)頻有著相當(dāng)密切的關(guān)系，我們知道相位與頻率有如下關(guān)系式：ω==ω+Kf(t)φ(t)=ωt+K所以在調(diào)相時(shí)可以先將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行微分后在進(jìn)行頻率調(diào)制，這樣等效于調(diào)相，此方法稱為間接調(diào)相，與此相對(duì)應(yīng)，上述方法稱為直接調(diào)相。調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生如圖5所示：圖5PM調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的根本原理是使角頻率為ω的高頻載波u(t)通過一個(gè)可控相移網(wǎng)絡(luò),此網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移Δφ受調(diào)制電壓uΩ(t)控制,滿足Δφ=KuΩ(t)的關(guān)系,所以網(wǎng)絡(luò)輸出就是調(diào)相信號(hào)，可控相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)相原理圖如圖6所示：圖6可控相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)相原理圖三、源程序代碼fm：dt=0.001;%設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)t=0:dt:1.5; %產(chǎn)生時(shí)間向量am=5;%設(shè)定調(diào)制信號(hào)幅度f(wàn)m=5;%設(shè)定調(diào)制信號(hào)頻率mt=am*cos(2*pi*fm*t);%生成調(diào)制信號(hào)fc=50;%設(shè)定載波頻率ct=cos(2*pi*fc*t);%生成載波kf=10;%設(shè)定調(diào)頻指數(shù)int_mt(1)=0;fori=1:length(t)-1int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt;%求信號(hào)m(t)的積分end%調(diào)制，產(chǎn)生已調(diào)信號(hào)sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt);%調(diào)制信號(hào)%*****************************************%*************添加高斯白噪聲**************sn1=10;%設(shè)定信躁比(小信噪比)sn2=30;%設(shè)定信躁比(大信噪比)sn=0;%設(shè)定信躁比(無(wú)信噪比)db=am^2/(2*(10^(sn/10)));%計(jì)算對(duì)應(yīng)的高斯白躁聲的方差n=sqrt(db)*randn(size(t));%生成高斯白躁聲nsfm=n+sfm;%生成含高斯白躁聲的已調(diào)信號(hào)〔信號(hào)通%過信道傳輸〕%*****************************************%****************FM解調(diào)*******************fori=1:length(t)-1%接受信號(hào)通過微分器處理diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i))./dt;enddiff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm));%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;%*****************************************%**************時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)換**************ts=0.001;%抽樣間隔fs=1/ts;%抽樣頻率df=0.25;%所需的頻率分辨率，用在求傅里葉變換%時(shí)，它表示FFT的最小頻率間隔%*****對(duì)調(diào)制信號(hào)m(t)求傅里葉變換*****m=am*cos(2*pi*fm*t);%原調(diào)信號(hào)fs=1/ts;ifnargin==2n1=0;elsen1=fs/df;endn2=length(m);n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2)));M=fft(m,n);m=[m,zeros(1,n-n2)];df1=fs/n;%以上程序是對(duì)調(diào)制后的信號(hào)u求傅里變換M=M/fs;%縮放，便于在頻鋪圖上整體觀察f=[0:df1:df1*(length(m)-1)]-fs/2;%時(shí)間向量對(duì)應(yīng)的頻率向量%************對(duì)已調(diào)信號(hào)u求傅里變換**********fs=1/ts;nargin=6；ifnargin==2n1=0;elsen1=fs/df;endn2=length(sfm);n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2)));U=fft(sfm,n);u=[sfm,zeros(1,n-n2)];df1=fs/n;%以上是對(duì)已調(diào)信號(hào)u求傅里變換U=U/fs;%縮放%******************************************%***************顯示程序******************disp('按任意鍵可以看到原調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的曲線')pause%**************figure(1)******************figure(1)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %繪制調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖');subplot(3,1,2);plot(t,ct); %繪制載波的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('載波的時(shí)域圖');subplot(3,1,3);plot(t,sfm); %繪制已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');%******************************************disp('按任意鍵可以看到原調(diào)制信號(hào)和已調(diào)信號(hào)在頻域內(nèi)的圖形')pause%************figure(2)*********************figure(2)subplot(2,1,1)plot(f,abs(fftshift(M)))%fftshift:將FFT中的DC分量移到頻譜中心xlabel('頻率f')title('原調(diào)制信號(hào)的頻譜圖')subplot(2,1,2)plot(f,abs(fftshift(U)))xlabel('頻率f')title('已調(diào)信號(hào)的頻譜圖')%******************************************disp('按任意鍵可以看到原調(diào)制信號(hào)、無(wú)噪聲條件下已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的曲線')pause%**************figure(3)******************figure(3)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %繪制調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖');subplot(3,1,2);plot(t,sfm); %繪制已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('無(wú)噪聲條件下已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');nsfm=sfm;fori=1:length(t)-1%接受信號(hào)通過微分器處理diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i))./dt;enddiff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm));%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;subplot(3,1,3);%繪制無(wú)噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖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');%*****************************************disp('按任意鍵可以看到原調(diào)制信號(hào)、小信噪比高斯白噪聲條件下已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)的曲線')pause%**************figure(4)******************figure(4)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %繪制調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖');db1=am^2/(2*(10^(sn1/10)));%計(jì)算對(duì)應(yīng)的小信噪比高斯白躁聲的方差n1=sqrt(db1)*randn(size(t));%生成高斯白躁聲nsfm1=n1+sfm;%生成含高斯白躁聲的已調(diào)信號(hào)〔信號(hào)通%過信道傳輸〕fori=1:length(t)-1%接受信號(hào)通過微分器處理diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i))./dt;enddiff_nsfmn1=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_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm),diff_nsfm);%繪制含小信噪比高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('含小信噪比高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');subplot(3,1,3);%繪制含小信噪比高斯白噪聲解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖plot((1:length(diff_nsfmn1))./1000,diff_nsfmn1./400,'r');xlabel('時(shí)間t');title('含小信噪比高斯白噪聲解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');%*****************************************disp('按任意鍵可以看到原調(diào)制信號(hào)、大信噪比高斯白噪聲條件下已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)的曲線')pause%**************figure(5)******************figure(5)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %繪制調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖');db1=am^2/(2*(10^(sn2/10)));%計(jì)算對(duì)應(yīng)的大信噪比高斯白躁聲的方差n1=sqrt(db1)*randn(size(t));%生成高斯白躁聲nsfm1=n1+sfm;%生成含高斯白躁聲的已調(diào)信號(hào)〔信號(hào)通過信道傳輸〕fori=1:length(t)-1%接受信號(hào)通過微分器處理diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i))./dt;enddiff_nsfmn1=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_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm1),diff_nsfm1);%繪制含大信噪比高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)%的時(shí)域圖xlabel('時(shí)間t');title('含大信噪比高斯白噪聲已調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');subplot(3,1,3);%繪制含大信噪比高斯白噪聲解調(diào)信號(hào)%的時(shí)域圖plot((1:length(diff_nsfmn1))./1000,diff_nsfmn1./400,'r');xlabel('時(shí)間t');title('含大信噪比高斯白噪聲解調(diào)信號(hào)的時(shí)域圖');%*****************************************%******************結(jié)束*******************pm：function[v,phi]=env_phas(x,ts,f0)ifnargout==2%nargout為輸出變數(shù)的個(gè)數(shù)z=loweq(x,ts,f0);%產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的正交分量phi=angle(z);%angle是對(duì)一個(gè)復(fù)數(shù)求相角的函數(shù)endv=abs(hilbert(x));%abs用來(lái)求復(fù)數(shù)hilbert(x)的模function[M,m,df]=fftseq(m,ts,df)fs=1/ts;ifnargin==2n1=0;%nargin為輸入?yún)⒘康膫€(gè)數(shù)elsen1=fs/df;endn2=length(m);n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2)));%nextpow2(n)取n最接近的較大2次冪M=fft(m,n);%M為信號(hào)m的傅里葉變換，n為快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)，及基n-FFT變換m=[m,zeros(1,n-n2)];%構(gòu)建新的m信號(hào)df=fs/n;%重新定義頻率分辨率functionx1=loweq(x,ts,f0)t=[0:ts:ts*(length(x)-1)];z=hilbert(x);%希爾伯特變換對(duì)的利用---通過實(shí)部來(lái)求虛部x1=z.*exp(-j*2*pi*f0*t);%產(chǎn)生信號(hào)z的正交分量，t0=0.2;%信號(hào)的持續(xù)時(shí)間,用來(lái)定義時(shí)間向量ts=0.001;%抽樣間隔fs=1/ts;%抽樣頻率fc=300;%載波頻率,fc可以任意改變t=[-t0/2:ts:t0/2];%時(shí)間向量kf=100;%偏差常數(shù)df=0.25;%所需的頻率分辨率，用在求傅里葉變換時(shí)，它表示FFT的最小頻率間隔m=sin(100*t);%調(diào)制信號(hào)，m(t)可以任意更改int_m(1)=0;%求信號(hào)m(t)的積分fori=1:length(t)-1int_m(i+1)=int_m(i)+m(i)*ts;end[M,m,df1]=fftseq(m,ts,df);%對(duì)調(diào)制信號(hào)m(t)求傅里葉變換M=M/fs;%縮放，便于在頻譜圖上整體觀察f=[0:df1:df1*(length(m)-1)]-fs/2;%時(shí)間向量對(duì)應(yīng)的頻率向量u=cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m);%調(diào)制后的信號(hào)[U,u,df1]=fftseq(u,ts,df);%對(duì)調(diào)制后的信號(hào)u求傅里葉變換U=U/fs;%縮放%通過調(diào)用子程序env_phas和loweq來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能[v,phase]=env_phas(u,ts,fc);%解調(diào)，求出u的相位phi=unwrap(phase);%校正相位角，使相位在整體上連續(xù)，便于后面對(duì)該相位角求導(dǎo)dem=(1/(2*pi*kf))*(diff(phi)*fs);%對(duì)校正后的相位求導(dǎo)%再經(jīng)一些線性變換來(lái)恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)