fm信号仿真分析课程设计说明书.doc

《fm信号仿真分析课程设计说明书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《fm信号仿真分析课程设计说明书.doc（29页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信1104班 指导教师： 张小梅 工作单位： 信息工程学院 题 目: FM信号仿真分析 要求完成的主要任务: 一、设计任务调制信号：分别为300Hz正弦信号和三角波信号；载波频率：30kHz；解调方式：同步解调二、 要求要求：画出以下三种情况下调制信号、已调信号、解调信号的波形、频谱以及解调器输入 输出信噪比的关系曲线；（调制指数=0.5；调制指数=1；调制指数=3） 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要IAbstractII1绪论12 FM调制解调系统设计22.1通信系统的简介22.2 FM调制模型的分析与建立32

2、.3 FM解调模型的分析与建立43高斯白噪声简介与信道特性64 FM调频系统的抗噪声性能分析75仿真实现95.1 FM调制仿真结果95.2 FM解调仿真结果115.3输入输出信噪比曲线146心得体会167参考文献17附录18 摘要FM调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。FM信号的调制属于频谱的非线性搬移，它的解调也有相干和非相干解调两种方式。本课程设计使用的仿真软件为MATLAB 2013b，利

3、用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现FM信号的仿真分析，并分别绘制出基带信号、载波信号、已调信号的时域波形和频域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号、同步解调前信号和解调后基带信号的时域波形；最后绘出FM基带信号调制和解调系统后的输入输出信噪比的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调过程的正确性及噪声对FM信号解调的影响。在课程设计中，系统开发平台为Windows 7，在该平台运行MATLAB程序完成了对FM调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察和分析。关键词： FM调制 解调 MATLAB 2013b 噪声 Abstract FM modulation

4、 in a communication system has extremely important role. Through the modulation, not only can frequency shift, the modulation signal spectrum is moved to want, thus will position modulation signal is converted into suitable for transmission of the signal, and it has attune to the transmission effect

5、iveness and reliability of transferring having very big effect, modulation method often determines a communication system performance. FM signals modulation of nonlinear shift, belong to the spectrum of its demodulation also have coherent and incoherent demodulation in two ways. The course is design

6、ed to use simulation software for MATLAB 2013b, use of MATLAB integration environment of M files, write a program to realize FM signals of the simulation analysis, and draw the baseband signal respectively, carrier signal, already adjustable signal and the time domain waveform frequency domain wavef

7、orm; Further respectively to map out already adjustable signal after adding noise signal, synchronous demodulation signal demodulation before and after baseband signal temporal profile, Finally draw FM baseband signal modulation and demodulation system after the input/output SNR, and the relationshi

8、p with the theoretical results wave contrast to analyze the simulation modulation and demodulation process accuracy and noise on FM signal demodulation of the influence. In the curriculum design, system developing platform for Windows Xp, on this platform operation MATLAB finished to FM modulation a

9、nd demodulation of adding noise and after the observation and analysis results demodulation. Key words ：FM Modulation Demodulation MATLAB 2013b noise1绪论 本课程设计用于实现正弦信号、三角波信号的调制解调过程。信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程，即是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。信号的接收端就是通过解调来还原已调制信号从而读取发送端发送的信息。

10、因此信号的解调对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制与解调方式往往决定了一个通信系统的性能。角度及解调电路不同于频谱线性搬移电路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波中解出调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，而是非线性变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称为频谱非线性变换电路。FM在通信系统中的使用非常广泛。FM广泛应用于高保真音乐广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高

11、科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信

12、号检测、金融建模设计与分析等领域。M ATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点。2 FM调制解调系统设计2.1通信系统的简介通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信息源发送到一个或多个目的地。对于任何一个通信系统，均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成（如图2.1所示）。通信系统对信号进行两种基本变换： 第一、要把发送的消息要变换成原始电信号。 第二、将原始电信号调制到频率较高的载频上，使其频带适合信道的传输。调制

13、前和解调后的信号称为基带信号，已调信号也称为频带信号。 信息源（简称信源）的作用是把各种信息转换成原始信号。根据消息的种类不同信源分为模拟信源和数字信源。发信息源和发送设备统称为发送端。发送端将信息直接转换得到的较低频率的原始电信号称为基带信号。通常基带信号不宜直接在信道中传输。因此，在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内进行传输。这就是调制的过程。信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移（解调）到原来的频率范围，这就是解调的过程。信号在信道中传输的过程总会受到噪声的干扰，通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系

14、统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为加性噪声。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真。在本仿真的过程中我们假设信道为高斯白噪声信道。调制在通信系统中具有十分重要的作用。一方面，通过调制可以把基带信号的频谱搬移到所希望的位置上去，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号。另一方面，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力，同时，它还和传输效率有关。具体地讲，不同的调制方式产生的已调信号的带宽不同，因此调制影响传输带宽的利用率。可见，调制方式往往决定一个通信系统的性能。在本仿真的过程中我们选择用调频调制方法进行调制。调制过程是一个频谱搬移的过程

15、，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。2.2 FM调制模型的分析与建立调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数过程，是载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。基带信号对载波的调制是为了实现在无线传输中，信号

16、是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号波长想比拟。而基带信包含的较低频率较长，致使天线过长而难以实现。第二，把多个基带信号分别搬移到不同的载波处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的作用和影响。采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能。由此可以建立如图2-3所示的FM调制模型 FM m(t)SFM(t) 图2-3 FM调制模型其中，为基带调制信号，设调制信号为 公式(2-1)设正弦载波为 公式(2-2)信号传输信道为高斯白噪声信道，其功率为。2.3 FM解调模型的分析与建立解调是调制的逆过程，

17、其作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号。信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移（解调）到原来的频率范围。调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调也叫同步检波。解调与调制的实质一样，军事频谱搬移。调制是把基带信号的频谱搬到了载波位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。解调则是调制的反过程，即把在载频位置的已调信号的频谱搬回到原始基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘来实现。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需要同步信号，是FM系统的主要解调方式，本设计采用非相干解调。 图2-4 FM解调模型非相干解

18、调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。由于输入调频信号为 公式(2-3)设相干载波为： 公式(2-4)乘法器的作用是把调频信号变成有多种频率的波的混合，乘法器输出为 公式(2-5)经低通滤波器后取出器低频分量为 公式(2-6)在经过微分器，即得出解调出的基带信号： 公式(2-7)相干解调可以恢复出原来的基带信号，而且要求本地载波与调制载波同步，否则会使解调信号失

19、真。3高斯白噪声简介与信道特性按照噪声来源分类，噪声可以分为人为噪声和自然噪声两大类。人为噪声是有人类的活动产生的，自然噪声是自然界中存在的各种电磁波辐射，此外还有一种很重要的自然噪声，即热噪声。热噪声来自一切电子型元器件中电子的热运动。由于在一般的通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样，所以热噪声又常称为白噪声。由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。在本仿真的过程中我们假设信道为高斯白噪声信道。MATLAB本身自带了标准高斯分布的内部函数awgn。awgn函数产生的随机序列服从均值

20、为，方差的高斯分布设正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为 公式(3-1)其中，白噪声取值的概率分布服从高斯分布，信号功率为噪声功率为信噪比满足 公式(3-2)则可得到公式 公式(3-3)我们可以通过这个公式方便的设置高斯白噪声的方差。在本仿真过程中，我们选择了5db、10db、15db、20db、25db五种不同信噪比以示区别，并绘制输入输出信噪比关系曲线。4 FM调频系统的抗噪声性能分析从前面的分析可知，调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式，所以这里仅仅讨论

21、非相干解调系统的抗噪声性能，其分析模型如图4-1所示。 图4-1 调频系统抗噪声性能分析模型图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。是均值为零，单边功率谱密度为的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声 。限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。设调频信号为 公式(4-1) 故其输入功率为 公式(4-2)输入噪声功率为 公式(4-3)因此输入信噪比为 公式(4-4)在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来算，这里，我们可以得到解调器的输出信噪比 公式(4-5) 上式中，为载波的振幅，为调频器灵敏度，为调制信号的最高频率，为噪声单边功率谱密度。

22、我们如若考虑为单一频率余弦波时的情况，可得到解调器的制度增益 考虑在宽带调频时，信号带宽为 公式(4-6)则可以得到 公式(4-7)可以看出，大信噪比时宽带调频系统的信噪比增益是很高的，它与调频指数的立方成正比。可见，加大调频指数，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。5仿真实现5.1 FM调制仿真结果在不同的调制指数情况下调制信号的时域图和频域图如下图所示图5-1，调制信号为正弦波时的各波波形 图5-2，调制信号为正弦波时的各波波形图5-3，调制信号为正弦波时的各波波形 图5-3，调制信号为正弦波时的各波波形三角波调制时的波形与三角函数一样，下面只给出了在调频指数为0.5时的各波形图。 图5-4

23、，调制信号为三角波时的各波波形5.2 FM解调仿真结果在不同的调制指数情况下调制信号的时域图和频域图如下图所示图5-5，正弦波解调时的各波波形图5-6，正弦波解调时的各波波形 图5-7正弦波解调时的波形 图5-7，三角波解调时的各波波形 图5-9，三角波解调时的各波波形 图5-10，正弦波解调时的各波波形5.3输入输出信噪比曲线 图5-11 正弦函数的输入输出信噪比曲线 图5-12 三角函数的输入输出信噪比曲线、6心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程. 回顾起此次通信原理课程设计，至今我仍感

24、慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固通过这次课程设计之后，一定把以

25、前所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，同学的帮助下终于迎刃而解。在次我表示感谢！7参考文献1通信原理（第六版） 樊昌信等。 北京：国防工业出版社。2MATLAB7.0在数字信号处理中的应用 罗军辉等。北京：机械工业出版社。3MATLAB程序设计教程 刘卫国等。 北京：中国水利水电出版社。4 MATLAB及在电子信息类课程中的应用唐向宏等编著。北京：电子工业出版社附录源代码：1. 自定义函数：% 计算离散信号的积分function int_m=m_INT(m,t0,t1,ts); t=t0:ts:t1; int_m(1)=0; for

26、 j=1:length(t)-1 int_m(j+1)=int_m(j)+m(j)*ts;end%由调制信号和载波，产生已调制的FM信号%因为是调频，载波幅度设置为1，即为cos(2*pi*fc*t)function u=GetFMSignal(m,t0,t1,ts,fc,kf)t=t0:ts:t1;int_m=m_INT(m,t0,t1,ts);u=cos(2*pi*fc*t+kf*int_m);function M,m_new,df_new=GetFFT(m,t0,t1,ts,df)%对信号求FFT，先得出FFT的点数t=t0:ts:t1;fs=1/ts;n1=length(t); if

27、nargin=4 n2=0; else n2=fs/df; endn=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2);M=fft(m,n); %m的n点FFTm_new=m,zeros(1,n-length(t); %新的m，有可能对m进行扩展df_new=fs/n; %新的频率分辨率主程序：echo off close allclear allclc%FM调制t0=0; t1=0.01; %调制信号的时域范围 fs=100000; %抽样频率 ts=1/fs; %采样率t=t0:ts:t1;fc=30000; %设定载波频率x=cos(2*pi*fc*t); %生成载波fm=

28、300; %设定调制信号频率% mf=0.5;%设定调频指数% mf=1;mf=3;kf=2*pi*fm*mf;f=fm*mf; %频偏最大值%正弦波调制信号 m=cos(2*pi*fm*t); %生成调制信号% 三角波调制信号% m=sawtooth(2*pi*fm*t,0.5);u=GetFMSignal(m,t0,t1,ts,fc,kf); %已调制信号%FM解调yn0=imnoise(u,gaussian,5); %加入高斯白噪声yn1=imnoise(u,gaussian,10);yn2=imnoise(u,gaussian,15); yn3=imnoise(u,gaussian,2

29、0); yn4=imnoise(u,gaussian,25); m_dem_new=modulate(u,fc,fs,fm,f); yyn0=modulate(yn0,fc,fs,fm,f); yyn1=modulate(yn1,fc,fs,fm,f); yyn2=modulate(yn2,fc,fs,fm,f); yyn3=modulate(yn3,fc,fs,fm,f); yyn4=modulate(yn4,fc,fs,fm,f); dy10=yn0-u; %高斯白噪声 snr10=var(u)/var(dy10); %输入信噪比 dy20=yyn0-m_dem_new; %解调后噪声 s

30、nr20=var(m_dem_new)/var(dy20); %输出信噪比 dy11=yn1-u; snr11=var(u)/var(dy11); dy21=yyn1-m_dem_new; snr21=var(m_dem_new)/var(dy21); dy12=yn2-u; snr12=var(u)/var(dy12); dy22=yyn2-m_dem_new; snr22=var(m_dem_new)/var(dy22); dy13=yn3-u; snr13=var(u)/var(dy13); dy23=yyn3-m_dem_new; snr23=var(m_dem_new)/var(dy

31、23); dy14=yn4-u; snr14=var(u)/var(dy14); dy24=yyn4-m_dem_new; snr24=var(m_dem_new)/var(dy24); in=snr10,snr11,snr12,snr13,snr14; out=snr20,snr21,snr22,snr23,snr24; %求傅里叶变换 df=0.25; %FFT时的频率分辨率f=0:df:df*(length(t)-1)-fs/2; %与t对应的频率向量M,m_new,df_new_m=GetFFT(m,t0,t1,ts,df);U,u_new,df_new_u=GetFFT(u,t0,t

32、1,ts,df);f1=0:df_new_m:df_new_m*(length(m_new)-1)-fs/2;f2=0:df_new_u:df_new_u*(length(u_new)-1)-fs/2;%画调制信号和已调制信号的波形disp(按任意键可以看到原调制信号和已调信号在时域和频域内的图形)pausefigure(1);subplot(2,2,1);plot(t,m);title(基带信号);subplot(2,2,2);plot(t,u);title(已调制信号);axis(0 0.001 -1 1)subplot(2,2,3);plot(f1,abs(fftshift(M);xla

33、bel(基带信号频谱);% axis(0 5000 0 5000)subplot(2,2,4);plot(f2,abs(fftshift(U);xlabel(已调制信号频谱);% axis(0 5000 0 10000)%绘制加噪前后的解调信号的波形disp(按任意键可以看到加噪前后的原基带信号和解调信号在时域和频域内的图形)pausefigure(2);subplot(3,2,1); plot(t,m);xlabel(原基带信号);subplot(3,2,2); plot(t,m_dem_new);xlabel(解调后基带信号);axis(0 0.01 -1 1)subplot(3,2,3)

34、; plot(t,yn0,r);xlabel(加噪后基带信号);axis(0 0.001 -1 1)subplot(3,2,4); plot(t,yyn0,r);xlabel(加噪解调后基带信号);m_dem_new,m_dem_new_new,df_new_m_dem_new=GetFFT(m_dem_new,t0,t1,ts,df);f3=0:df_new_m_dem_new:df_new_m_dem_new*(length(m_dem_new_new)-1)-fs/2;subplot(3,2,5);plot(f1,abs(fftshift(M);xlabel(基带信号频谱);subplot(3,2,6);plot(f1,abs(fftshift(M);xlabel(无噪声解调后基带信号频谱);%绘制输入输出信噪比曲线disp(按任意键可以看到输入输出信噪比关系曲线的图形)pausefigure(3); plot(in,out,*)hold onplot(in,out)xlabel(输入信噪比)ylabel(输出信噪比) 时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。结语：