基于MATLAB的FM通信系统仿真

西南科技大学课程设计报告课程名称：通信系统课程设计设计名称：基于MATLAB的FM通信系统仿真姓名：学号:班级：通信0901指导教师：起止日期：2012.6.4-2011.6.24西南科技大学信息工程学院制课程设计任务书学生班级：通信0901学生姓名：学号：20096009设计名称：基于MATLAB的FM通信系统仿真起止日期：2012.06.04——2012.06.24指导教师：杨俊平设计要求：1)对FM通信系统有整体深入的理解，画出对应的通信系统的原理框图；2)提出仿真方案，用FM对模拟输入信号m(t)进行调制与解调；3)完成仿真软件的设计并演示；4)提交详细的设计报告。课程设计学生日志时间设计内容2012.06.09查阅资料，确定方案2012.06.12设计总体方案2012.06.13—2012.06.20开始整体设计，用FM对模拟输入信号m(t)进行调制与解调，完成仿真软件的设计2012.06.21检查设计内容是否符合要求，并对不足的地方进行修改2012.06.23提交详细设计报告2012.06.25答辩课程设计评语表指导教师评语：成绩：指导教师：年月日基于MATLAB的FM通信系统仿真一、设计目的和意义1、熟悉MATLAB的使用方法，了解简单函数、原理和掌握操作方法；2、加深对FM信号调制及解调原理的理解；3、了解FM调制、解调基本结论、规律；4、增加自己在通信原理方面的动手能力；5、通过查资料等提高自学能力，对通信原理在最后有更深入的了解。二、设计原理1、FM调制原理如果幅度不变，起始相位为0，而瞬时角频率是调制信号的线性函数，则这种调制方式称为频率调制。调频信号可表达为])(cos[)(dttfKtwAtSFMcFM（1）调制信号为单余弦时twAtfmmcos)(（2）当对载波进行频率调制时，可得调频信号表达式为]coscos[)(tdtwAKtwAtSmmFMcFM（3）]sincos[twtwAmFMc（4）上式中mmFMFMwAK/称为调频指数，也可记作]sincos[)(maxt（5）()()FMmtFMSt图1()()()FMmtdtPMSt图2图1为直接调频，图2为间接调频。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合于相位偏移和频率偏移不大的窄调制情形，而直接调频则常用于宽带调制情形。根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可以将角频率分为宽带与窄带两种。宽带与窄带调制的区分并无严格的界限，但通常认为由调频所引起的最大瞬时相位偏移远小于30°时，即（6）称为窄带调频。否则，称为宽带调频。为方便起见，假设正弦载波的振幅A＝1，则由式（1）调频信号的一般表达式，有()cos[()]tFMcFSttKmtd=coscos[()]sinsin[()]ttcFcFtKmdKmd（7）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)]()([)(ccccFccNBFM（8）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。NBFM信号频谱有两类产生调频信号的方法：直接法和倍频法、在直接法中采用压控振荡器作为产生调频信号的调制器，压控振荡器的输出频率正比于所加的控制电压。直接调频法的优点是可以得到很大的频偏，其主要缺点是载频会发生飘移，因而需要附加的稳频电路。在倍频法中吗，首先用类似于线性调制的的方法产生窄带调频信号，然后用倍频的方法变换为宽带调频信号。2、FM解调原理（1）非相干解调由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压，也就是当输入调频信号为])(cos[)(dttfKtwAtSFMci（9）则解调输出应为：()()dfytKKmt（10）)(tSi)(tSo调频信号的非相干解调限幅器及带通微分器包络检波低通滤波器最简单的解调器是鉴频器，理想鉴频器可看成由微分器和包络检波器的级联，限幅器的作用是消除信道中的噪声和其他原因引起的调频波的幅度起伏，带通滤波器（BPF）是让调频信号顺利通过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量。微分器的作用是把幅度恒定的调频波变成幅度和频率都随原始信号()mt变化的调幅调频dst，即sindcfcfstAKmttKmd（11）微分器的输出是一个调幅调频信号，如果只取其包络信息，则正比于调制信号)(tf，因而滤去直流后，包络检波器的输出为)()(tfKKtSFMdo(12)上述解调方法称为包络检波，其缺点之一是包络检波器对于由信道中噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应，因而在使用中常在微分器之前加一个限幅器和带通滤波器。（2）相干解调)(tSi)(tSp)(tSNBFM)(tSo)(tC窄带调频信号的相干解调由于窄带调频信号可分解成同相分量和正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。图中带通滤波器用来限制信道所引入的噪声，但调频信号应能正常通过。图中所示相干解调器的输出正比于调制信号f(t)，相干解调法只适用于窄带调频。3、模拟通信系统简介传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。通信系统由信息源和收信者、发送设备、传输媒介、接收设备几部分组成。通信系统的一般模型如下图所示：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。角调制属于模拟通信。带通相乘器微分低通信息源传输设备传输媒介接收设备收信者干扰信源是模拟信号，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下图所示：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。4、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()cos()()crtAtnt（13）其中，白噪声()nt的取值的概率分布服从高斯分布。调用MATLAB本身自带的标准高斯白噪声函数awgn，再加上调频信号就可得到加有噪声的信号。在实验中选择10db和30db两种不同信噪比的高斯白噪声进行比较。三、详细设计步骤在程序设计时，采用直接调频的调制方法，利用matlab中的函数modulate，直接得到调频信号表达式。要求出调制信号()mt的时域和频域曲线，可以根据表达式()mt利用plot函数画出时域波形，再将()mt进行傅里叶变换得到()Mf，根据表达式()Mf利用plot函数画出频域波形。要求出调频信号sfm的时域和频域曲线。根据调频信号的一般表达式()cos[()]FMcfstAtKmd（14）可知，要想求出调频信号sfm的表达式，须得先求出()mt的积分，然后再求出调频信号的表达式，根据求出的表达式sfm利用plot函数画出时域波形，再将sfm进行傅里叶变换，再利用plot函数画出频域波形。要求出解调信号diff_sfm的时域和频域曲线。由于非相干解调对NBFM信号和WBFM信号均适用，而相干解调只适用于NBFM信号，根据题目要求，采用非相干解调方法。此时解调器的输出应为：()()dfytKKmt。根据表达式()yt利用plot函数画出时域波形，再将()yt进行傅里叶变换，再利用plot函数画出频域波形。1、求已调信号（无噪声条件下）的时域图如下：2、求无噪声条件下解调信号的时域曲线由于非相干解调对NBFM信号及WBFM信号均适用，所以采用非相干的解调方法。3、加入小信噪比高斯白噪声之后的调频、解调时域图4、加入大信噪比高斯白噪声之后的调频、解调时域图5、求原调制信号、调频信号、解调信号的频谱图对FM调制前后的时域波形用FFT函数进行傅利叶变换，进行傅立叶变化便分别得到调制信号与调制之后的FM信号以及解调信号的频谱图。利用plot函数画出频域波形。如下图所示：6、求原调制信号、加入小信噪比高斯白噪声后的调频信号、解调信号的频谱图7、求原调制信号、加入大信噪比高斯白噪声后的调频信号、解调信号的频谱图四、设计结果及分析从调频信号的时域波形图可以看出，调频信号的频率随调制信号而变化，产生频偏，成为疏密波形。调制信号电平最高处对应的瞬时正频偏最大，波形最密，而在调制信号电平最低处对应的瞬时频偏最小，波形最疏。在无噪声干扰的情况下，解调出的波形和原调制信号波形一样，只是幅度有点不同。当加入小信噪比高斯白噪声之后，调频信号不是很光滑，有很多毛刺，解调出的信号波形也出现失真，有毛刺；当加入大信噪比高斯白噪声后，噪声干扰相对较小，所以调频信号波形还是比较光滑，解调出的波形虽然存在一定的失真，但是波形还是和原调制信号波形差不多。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。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。因此，加大调频指数fm，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。从它们的频谱图可以看出，调频信号的频谱是由载频和无穷多组上、下边频组成，调频信号是一种非线性频率变换的过程，其解调也是一种非线性频率变换过程。理论上调频信号的频带应为无限宽，但是从频谱图可以看出，其具有较大振幅的频率分量还是集中在载频附近，且上下边频在振幅上是对称的。FM调制与幅度调制相比，最突出的优势在于其较高的抗噪声性能，但获得这种优势的代价是角度调制占用比幅度调制信号更宽的带宽。调频是幅度恒定的已调信号，发射时，可采用高效率的丙类谐振功率放大器将它放大到所需的发射功率，而在接收这些已调信号时将呈现出很强的抗干扰能力。FM波的幅度恒定不变，这使得它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应。这些特点使得NBFM对微波中继系统颇具吸引力。WBFM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换，因而WBFM广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、短波电台等。WBFM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱、干扰大的情况下宜采用NBFM，这就是小型通信机常采用NBFM的原因。五、体会在做课程设计时，由于对FM和MATLAB学得不是很好，也没有更深入的了解过FM，所以刚开始时遇到了很多问题。由于我对MATLAB也不是很了解，使得我的编程过程更加艰难，之后通过借来的书籍及老师的辅导后，自己逐步对该课题有了一定的了解，逐步完成了课程设计。还有就是在编程时，由于对MATLAB中函数的理解不够，而造成我在利用modulate这个函数时不知如何运用，之后通过MATLAB中的帮助选项后，再通过自己不断调试逐步学会了这个函数的运用。解调时，本来想调用matlab里的解调函数的，但是用了之后解调出来的图形不对，修改了好几次都不对，所以后来就在网上搜了一个用于解调的函数，完成了解调这一过程。在做时域到频域的变化步骤时，由于要利用傅立叶函数进行变化，刚开始完全不知该如何用代码来表示傅立叶变换。最后查资料发现可以直接用matlab函数里的fft实现。通过这次课程设计，我了解了很多相关专业的知识，之前在学数字信号处理的时候也有用到matlab，但那时没有认真学过这个软件，在做课程设计时，查了很多关于matlab的资料，发现这个软件真的很强大，应该好好研究下这个软件。虽然在课程设计开始时遇到许多难题，但通过自己努力以及与同学一起探讨，逐步加深了理解，在老师的辅导下逐步完成了此次的课程设计。六、参考文献【1】现代通信原理，曹志刚、钱亚生编著，清华大学出版社【2】MATLAB程序设计，聂祥飞、王海宝、谭泽富主编，西南交通大学出版社【3】数字信号处理教程，程佩青编著，清华