课程设计报告：AM、FM、PM实现及性能比较

课程设计说明书学生姓名:学号：学院:信息工程学院班级:通信081题目:AM、FM、PM实现及性能比较指导教师：职称:教2011年7月10日一、设计目的：①分别设计AM，FM，PM调制与解调通信系统，分别在理信道和非理想信道中运行，并得出仿真结果，分析比较三种不同的调制方式所存在的不同。②熟悉MATLAB文件中M文件的使用方法，包括函数、原理和方法的应用。③增强在通信原理仿真方面的动手能力与自学能力。二、设计内容和实验要求④系统建模⑤确定仿真算法⑥建立仿真模型⑦设计仿真程序⑧运行仿真程序⑨输出仿真结果并进行分析三、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。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。3.1AM，FM,PM调制原理3.1.1AM调制原理幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型如图2.1所示。图2.1幅度调制模型在图2-1中，若假设滤波器为全通网络（＝1），调制信号tm叠加直流0A后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带（AM）调幅.AM调制器模型如图2-2所示图2.2AM调制模型AM信号波形的包络与输入基带信号tm成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足max0tmA，否则将出现过调幅现象而带来失真。AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽信号带宽的两倍。3.2.2FM调制原理频率调制的一般表达式[1]为：()cos[()]tFMcFstAtKmd（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。()()FMmtFMSt图2-3()()()FMmtdtPMSt图2-4图（2-3）所示的产生调频信号的方法称为直接调频法，图（2-4）所示的产生调频信号的方法称为间接调频法[4]。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。根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。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，（2-2）称为窄带调频。否则，称为宽带调频。为方便起见，无妨假设正弦载波的振幅A＝1，则由式（2-1）调频信号的一般表达式，得()cos[()]tFMcFSttKmtd=coscos[()]sinsin[()]ttcFcFtKmdKmd（2-3）通过化解，利用傅立叶变化公式可得NBFM信号的频域表达式：（2-4）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2-5NBFM信号频谱3.2.3PM调制原理在模拟调制中，一个连续波有三个参数可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：Sm(t)=Acos[ωCt+φ(t)]式中，A是载波的恒定振幅；[ωCt+φ(t)]是信号的瞬时相位，而φ(t)称为瞬时相位偏移；d[ωCt+φ(t)]/dt为信号的瞬时频率，而dφ(t)/dt称为瞬时频率偏移，即相对于ωC的瞬时频率偏移。设高频载波为uc=Ucmcosωct，调制信号为UΩ(t)，则调相信号的瞬时相位φ(t)=ωct+KpUΩ(t)瞬时角频率ω(t)=dt(t)dφ=ωc+Kpdt)t(duΩ调相信号uPM=Ucmcos［ωct+KpuΩ(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：SPM(t)=Acos[ωCt+KPMf(t)+φ0]这里KPM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：ω=dttd)(φ=ωC+KPMf(t)φ(t)=dtωωCt+KPMdtt)(f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，此方法称为间接调相，与此相对应，上述方法称为直接调相。调相信号的产生如图2-6所示：图2-6PM调相信号的产生实现相位调制的基本原理是使角频率为ωc的高频载波uc(t)通过一个可控相移网络,此网络产生的相移Δφ受调制电压uΩ(t)控制,满足Δφ=KpuΩ(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：图2-7可控相移网络调相原理图四、几种调制方式间的比较4.1PM与FM的比较FM(1)瞬时频率：)()(tuktFo(2)瞬时相位：otFodttuktt0)()((3)最大频偏：UktukFFmmax|)(|(4)最大相位：max0|)(|tFmfdttukmUkF⑸表达式：)(cos)(tUtuFM])(cos[0otfodttuktU]sincos[ofotUktU]sincos[ofotmtUPMdttduktpo)()(opotuktt)()(Ukdttdukppmmax|)(|max|)(|tukmpmpUkp)(cos)(tUtuPM])(cos[opotuktU]coscos[opotUktU]coscos[opotmtU4.2几种不同的模拟调制方式假定所有调制系统在接收机输入端具有相等的信号功率，且加性噪声都是均值为0、双边功率谱密度为/2的高斯白噪声，基带信号带宽为，在所有系统都满足例如，为正弦型信号。综合前面的分析，可总结各种模拟调制方式的信号带宽、制度增益、输出信噪比、设备（调制与解调）复杂程度、主要应用等如下表所示。表中还进一步假设了AM为100%调制。4.3几种模拟调制的性能比较就抗噪性能而言，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM接近。图3-33示出了各种模拟调制系统的性能曲线，图中的圆点表示门限点。门限点以下，曲线迅速下跌；门限点以上，DSB、SSB的信噪比比AM高4.7dB以上，而FM（＝6）的信噪比比AM高22dB。就频带利用率而言，SSB最好，VSB与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。4.4几种模拟调制的特点及应用AM调制的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，信号带宽较宽，频带利用率不高。因此，AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，频带利用率不高，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。SSB调制的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。VSB调制性能与SSB相当，原则上也需要同步解调，但在某些VSB系统中，附加一个足够大的载波，形成（VSB+C）合成信号，就可以用包络检波法进行解调。这种（VSB+C）方式综合了AM、SSB和DSB三者的优点。所以VSB在数据传输、商用电视广播等领域得到广泛使用。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、matlab生成图像AMFMPM程序清单：AM：fm=100;fc=500;fs=5000;Am=1;A=2;N=512;K=N-1;n=0:N-1;t=(0:1/fs:K/fs);yt=Am*cos(2*pi*fm*t);figure(1)subplot(1,1,1),plot(t,yt),title('频率为3000的调制信号f1的时时域波');y0=A+yt;y2=y0.*cos(2*pi*fc*n/fs);y3=fft(y2,N);%fft变换q1=(0:N/2-1)*fs/N;mx1=abs(y3(1:N/2));figure(2)subplot(2,1,1);plot(t,y2);title('已调信号的时时域波');subplot(2,1,2);plot(q1,mx1);title('f1已调信号的频谱');%绘图yc=cos(2*pi*fc*t);figure(3)subplot(2,1,1),plot(t,yc),title('载波fc时域波形')N=512;n=0:N-1;yc1=Am*cos(2*pi*fc*n/fs);y3=fft(yc1,N);q=(0:N/2-1)*fs/N;mx=abs(y3(1:N/2));figure(3)subplot(2,1,2),plot(q,mx),title('载波fc频谱')y4=0.01*randn(1,length(t));%用RANDN产生高斯分布序列w=y4.^2;%噪声功率figure(4)subplot(2,1,1);plot(t,y4);title('高斯白噪声时域波形')y5=fft(y4,N);q2=(0:N/2-1)*fs/N;mx2=abs(y5(1:N/2));subplot(2,1,2),plot(q2,mx2),title('高斯白噪声频域波形')y6=y2+y4;figure(5)subplot(2,1,1),plot(t,y6),title('叠加后的调制信号时域波形')q3=q1;mx3=mx1+mx2;subplot(2,1,2),plot(q3,mx3),title('叠加后的调制信号频谱波形')%调制yv=y6.*yc;%乘以载波进行解调Ws=yv.^2;p1=fc-fm;[k,Wn,beta,ftype]=kaiserord([p1fc],[10],[0.050.01],fs);%Fir数字低通滤波window=kaiser(k+1,beta);%使用kaiser窗函数b=fir1(k,Wn,ftype,window,'noscale');%使用标准频率响应的加窗设计函数yt=filter(b,1,yv);yssdb=yt.*2-2;figure(6)subplot(2,1,1),plot(t,yssdb),title('经过低通已调信号的时域波形采样')y9=fft(yssdb,N);q=(0:N/2-1)*fs/N;mx=abs(y9(1:N/2));subplot(2,1,2),plot(q,mx