课程设计报告模拟角度调制系统仿真.doc

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1、青 岛 农 业 大 学信息科学与工程学院通信系统仿真课程设计报告 设 计 题 目 模拟角度调制系统仿真 学生专业班级 学生姓名（学号） 指 导 教 师 完 成 时 间 2013 实 习（设计）地点 信息楼机房 2013 年 6 月 17 日一、课程设计目的和任务1.1、设计目的(1) 、掌握调频与调相以及解调的基本原理。（2）、掌握模拟角度调制系统仿真，实现FM与PM调制与解调的设计方法，并比较两种调制的带宽、信噪比参数.(3)、理解模拟通信系统以及模拟调制在通信系统中的作用。（4）、调制与解调模拟系统，仿真实现相关功能。实现相关功能设计fm、pm调制与解调模拟系统，仿真实现相关功能。1.2、

2、设计任务模拟角度调制系统仿真，实现FM与PM调制，要求信道为AWGN信道，画出调制信号、已调信号的波形图与频谱图，并比较两种调制的带宽、信噪比参数；二、分析与设计2.1.模拟通信系统简介通信系统是为了有效可靠的传输信息，信息由信源发出，以语言、图像、数据为媒体,通过电(光)信号将信息传输，由信宿接收。通信系统又可分为数字通信与模拟通信。角调制属于一类非线性调制方法，其中包括频率调制（FM）和相位调制（PM）。模拟通信系统的性能指标:1:模拟信号占用的信道带宽必须等于或大于信号带宽，因此信号带宽越小，有效性越好。2: 输出信噪比是按接收端输出信号的平均功率和噪声的平均功率之比。在相同的条件下，系

3、统的输出端的信噪比越大，则系统抗干扰的能力越大。基于课程设计的要求，下面简要介绍模拟通信系统。信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统为模拟通信。模拟通信系统的模型如图1所示。 图1 模拟通信系统模型调制器: 使信号与信道相匹配, 便于频分复用等。发滤波器: 滤除调制器输出的无用信号。收滤波器: 滤除信号频带以外的噪声，一般设N(t)为高斯白噪声,则Ni(t)为窄带白噪声。 2.2 FM调制原理频率调制的一般表达式1为：（2-1）FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号的具体形式，则无法判断已调信号是调频信号还是调相信号。 图 2-1 图 2-2图（2-1）所示的产生调频信号的方法称为

4、直接调频法，图（2-2）所示的产生调频信号的方法称为间接调频法。由于实际相位调制器的调节范围不可能超出 ，因而间接调频的方法仅适用于相位偏移和频率偏移不大的窄带调制情形，而直接调频则适用于宽带调制情形。 为方便起见，无妨假设正弦载波的振幅A1，则由式（2-1）调频信号的一般表达式，得 （2-2）通过化解，利用傅立叶变化公式可得NBFM信号的频域表达式： （2-3）在NBFM中，由于下边频为负，因而合成矢量不与载波同相，而是存在相位偏移 ，当最大相位偏移满足式（2-2）时，合成矢量的幅度基本不变，这样就形成了FM信号图2-3 NBFM信号频谱2.3PM调制原理在模拟调制中，一个连续波有三个参数可

5、以用来携带信息而构成已调信号。当幅度和频率保持不变时，改变载波的相位使之随未调信号的大小而改变，这就是调相的概念。角度调制信号的一般表示形式为： S (t)=Acos t+(t)式中，A是载波的恒定振幅； t+(t)是信号的瞬时相位，而(t)称为瞬时相位偏移；d t+(t)/dt为信号的瞬时频率，而d(t)/dt称为瞬时频率偏移，即相对于 的瞬时频率偏移。设高频载波为u =U cos t，调制信号为U(t)，则调相信号的瞬时相位(t)= +K U(t)瞬时角频率 (t)= = +K 调相信号 u =U cos t+K u(t) 将信号的信息加在载波的相位上则形成调相信号，调相的表达式为： S

6、(t)=Acos t+K f(t)+ 这里K 称为相移指数，这种调制方式，载波的幅度和角频率不变，而瞬时相位偏移是调制信号f(t)的线性函数，称为相位调制。调相与调频有着相当密切的关系，我们知道相位与频率有如下关系式： = = +K f(t) (t)= t+K 所以在调相时可以先将调制信号进行微分后在进行频率调制，这样等效于调相，此方法图2-4 PM调相信号的产生实现相位调制的基本原理是使角频率为 的高频载波u (t)通过一个可控相移网络, 此网络产生的相移受调制电压u(t)控制, 满足=K u(t)的关系, 所以网络输出就是调相信号，可控相移网络调相原理图如图2-7所示：可控相移网络调相原理

7、图2.4解调过程分析：设输入调频信号为:微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为:包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为:称为鉴频灵敏度（ ），是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度，经低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得2.5高斯白噪声信道特性:设正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为其中，白噪声 的取值的概率分布服从高斯分布。MATLAB本身自带了标准高斯分布的内部函数。 函数产生的随机序列服从均值为 ，方差 的高斯分布。正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为故其有用信号功率为: 噪声功率为: 信噪比 满足公式则可得到公式可以通过这个公式方

8、便的设置高斯白噪声的方差。设输入信号为m(t)=cos2*pi*t,载波中心频率fc=10Hz,调频器的压控震荡系数为5HV，载波平均功率为1W三仿真结果及分析3.1仿真结果 3.2分析：调频（FM）指的是使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式。由Figure1图可以得出当调制信号变小时载波的瞬时频率减小，从而得到的调频信号的频率变小，周期变大。由Figure2图可以得出调频信号的频谱是对调制信号进行的频谱搬移将频谱搬移到所需较高频带fc上，从而满足信号的传输需要。由Figure3图可以得出解调即调制的逆过程，从已调信号中不失真地恢复出原始基带信号，信号在信道中传输时

9、会有噪声影响，在解调含有大信噪比高斯白噪声的已调信号比含有小信噪比高斯白噪声号的已调信号时的抗噪声性能比较好，恢复出的信号失真较小调相（PM）是用调制信号控制载波信号相位变化的一种信号变化方式。当没有调制时，载波信号c(t)中的角频率w是常数。4.源代码清单Fmecho off close allclear allclcdt=0.001; %设定时间步长t=0:dt:1.5; %产生时间向量am=5; %设定调制信号幅度fm=5; %设定调制信号频率mt=am*cos(2*pi*fm*t); %生成调制信号fc=50; %设定载波频率ct=cos(2*pi*fc*t); %生成载波kf=10;

10、 %设定调频指数int_mt(1)=0;for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt; %求信号m(t)的积分end %调制，产生已调信号sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt); %调制信号sn1=10; %设定信躁比(小信噪比)sn2=30; %设定信躁比(大信噪比)sn=0; %设定信躁比(无信噪比)db=am2/(2*(10(sn/10); %计算对应的高斯白躁声的方差n=sqrt(db)*randn(size(t); %生成高斯白躁声nsfm=n+sfm; %生成含高斯白躁声的已调信号（信号通%过

11、信道传输）for i=1:length(t)-1 %接受信号通过微分器处理 diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;enddiff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm); %hilbert变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;ts=0.001; %抽样间隔fs=1/ts; %抽样频率df=0.25; m=am*cos(2*pi*fm*t); %原调信号fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;el

12、se n1=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; M=M/fs; %缩放，便于在频铺图上整体观察f=0:df1:df1*(length(m)-1)-fs/2; %时间向量对应的频率向量fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;else n1=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

13、; %以上是对已调信号u求傅里变换U=U/fs; disp(按任意键可以看到原调制信号、载波信号和已调信号的曲线)pausefigure(1)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %绘制调制信号的时域图xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);subplot(3,1,2);plot(t,ct); %绘制载波的时域图xlabel(时间t);title(载波的时域图);subplot(3,1,3);plot(t,sfm); %绘制已调信号的时域图xlabel(时间t);title(已调信号的时域图);disp(按任意键可以看到原调制信号和已调信号在频域内的图形)pau

14、sefigure(2)subplot(2,1,1)plot(f,abs(fftshift(M) xlabel(频率f)title(原调制信号的频谱图)subplot(2,1,2)plot(f,abs(fftshift(U)%fftshift:将FFT中的DC分量移到频谱中心xlabel(频率f)title(已调信号的频谱图)disp(按任意键可以看到原调制信号、无噪声条件下已调信号和解调信号的曲线)pausefigure(3)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %绘制调制信号的时域图xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);subplot(3,1,2);plot

15、(t,sfm); %绘制已调信号的时域图xlabel(时间t);title(无噪声条件下已调信号的时域图);nsfm=sfm; for i=1:length(t)-1 %接受信号通过微分器处理 diff_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;subplot(3,1,3); plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn

16、1./400,r);xlabel(时间t); title(无噪声条件下解调信号的时域图);disp(按任意键可以看到原调制信号、小信噪比高斯白噪声条件下已调信号和解调信号已调信号的曲线)pausefigure(4)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %绘制调制信号的时域图xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);db1=am2/(2*(10(sn1/10); %计算对应的小信噪比高斯白躁声的方差n1=sqrt(db1)*randn(size(t); %生成高斯白躁声nsfm1=n1+sfm; for i=1:length(t)-1 %接受信号通过微分器处理 di

17、ff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt;enddiff_nsfmn1 = abs(hilbert(diff_nsfm1); zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm),diff_nsfm); xlabel(时间t);title(含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图);subplot(3,1,3); plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./

18、400,r);xlabel(时间t); title(含小信噪比高斯白噪声解调信号的时域图);disp(按任意键可以看到原调制信号、大信噪比高斯白噪声条件下已调信号和解调信号已调信号的曲线)pausefigure(5)subplot(3,1,1);plot(t,mt); %绘制调制信号的时域图xlabel(时间t);title(调制信号的时域图);db1=am2/(2*(10(sn2/10); %计算对应的大信噪比高斯白躁声的方差n1=sqrt(db1)*randn(size(t); %生成高斯白躁声nsfm1=n1+sfm; for i=1:length(t)-1 %接受信号通过微分器处理 d

19、iff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt;enddiff_nsfmn1 = abs(hilbert(diff_nsfm1); %hilbert变换，求绝对值得到瞬时幅度（包%络检波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm1),diff_nsfm1); %绘制含大信噪比高斯白噪声已调信号%的时域图xlabel(时间t);title(含大信噪比高斯白噪声已调信号的时域图);subplot(3

20、,1,3); plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间t); title(含大信噪比高斯白噪声解调信号的时域图);PM:函数 function v,phi=env_phas(x,ts,f0)if nargout=2 %nargout为输出变数的个数 z=loweq(x,ts,f0); %产生调制信号的正交分量 phi=angle(z); %angle是对一个复数求相角的函数endv=abs(hilbert(x); %abs用来求复数hilbert(x)的模function M,m,df=fftseq(m,ts,

21、df)fs=1/ts;if nargin=2 n1=0; %nargin为输入参量的个数else n1=fs/df;endn2=length(m);n=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2); M=fft(m,n); m=m,zeros(1,n-n2); %构建新的m信号df=fs/n; %重新定义频率分辨率function x1=loweq(x,ts,f0)t=0:ts:ts*(length(x)-1);z=hilbert(x); %希尔伯特变换对的利用-通过实部来求虚部x1=z.*exp(-j*2*pi*f0*t); %产生信号z的正交分量，t0=0.2; %信号的

22、持续时间,用来定义时间向量ts=0.001; %抽样间隔fs=1/ts; %抽样频率fc=300; %载波频率,fc可以任意改变t=-t0/2:ts:t0/2; %时间向量kf=100; %偏差常数df=0.25; m=sin(100*t); %调制信号，m(t)可以任意更改int_m(1)=0; %求信号m(t)的积分for i=1:length(t)-1 int_m(i+1)=int_m(i)+m(i)*ts;endM,m,df1=fftseq(m,ts,df); %对调制信号m(t)求傅里叶变换M=M/fs; %缩放，便于在频谱图上整体观察f=0:df1:df1*(length(m)-1

23、)-fs/2; %时间向量对应的频率向量u=cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m); %调制后的信号U,u,df1=fftseq(u,ts,df); %对调制后的信号u求傅里叶变换U=U/fs; %缩放%通过调用子程序env_phas和loweq来实现解调功能v,phase=env_phas(u,ts,fc); %解调，求出u的相位phi=unwrap(phase); dem=(1/(2*pi*kf)*(diff(phi)*fs); %对校正后的相位求导subplot(3,2,1) %子图形式显示结果plot(t,m(1:length(t) %现在的m信号是重新构建的信号，a

24、xis(-0.1 0.1 -1 1) %定义两轴的刻度xlabel(时间t) title(原调制信号的时域图)subplot(3,2,2)plot(t,u(1:length(t)axis(-0.1 0.1 -1 1)xlabel(时间t)title(已调信号的时域图)subplot(3,2,3)plot(f,abs(fftshift(M) axis(-600 600 0 0.04)xlabel(频率f)title(原调制信号的频谱图)subplot(3,2,4)plot(f,abs(fftshift(U)axis(-600 600 0 0.04)xlabel(频率f)title(已调信号的频谱

25、图)subplot(3,2,5)plot(t,m(1:length(t)axis(-0.1 0.1 -1 1)xlabel(时间t)title(原调制信号的时域图)subplot(3,2,6)plot(t,dem(1:length(t)axis(-0.1 0.1 -1 1)xlabel(时间t)title(解调后信号的时域波形)五:总结与体会通过这次课程设计使我受益匪浅，我了解很多关于专业的知识，以前每次学这些知识时，总是不知道这些东西具体拿来有什么用，在设计与实验的过程中验证了大信噪比时宽带系统的调频系统的信噪比增益是很高的，在理论上，它与调频指数的立方成正比，在设计过程中，当加大调频指数时

26、mf时，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。这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。六:参考文献1 樊昌信. 通信原理（第6版）.国防工业出版社，2006，09 2 黎洪松. 数字通信原理.西安电子系科技大学出版社，2005，07 3 任嘉伟. 数字频带通信系统计算机仿真J.电脑知识与技术，2008，07 4 吕跃广 通信系统仿真.电子工业出版社,2010.03课程设计成绩评定表 学生姓名赵志明专业班级电子信息工程103班设计题目模拟角度调制系统仿真指导教师评语及意见：指导教师评阅成绩： 指导教师签字： 年 月 日