FM调制及解调系统仿真

第1页摘要：频率调制（FM）在常应用通信系统中。FM广泛应用于电视信号的传输、卫星和电话系统等。FM调制解调系统设计主要是通过对模拟通信系统主要原理和技术进行研究，理解FM调制原理和FM系统调制解调的基本过程，学会建立FM调制模型并利用集成环境下的M文件，对FM调制解调系统进行设计和仿真，并分别绘制出基带信号，载波信号，已调信号的时域波形；再进一步分别绘制出对已调信号叠加噪声后信号，相干解调后信号和解调基带信号的时域波形；最后绘出FM基带信号通过上述信道和调制和解调系统后的误码率与信噪比的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响。在课程设计中，系统开发平台为WindowsXP，使用工具软件为MATLAB7.0。在该平台运行程序完成了对FM调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察。通过该课程设计，达到了实现FM信号通过噪声信道，调制和解调系统的仿真目的。从而了解FM调制解调系统的优点和缺点，有利于以后设计应用。关键词：调制，解调，系统，仿真第1页目录1.系统设计……………………………………………………………………………………21.1课题的目的………………………………………………………………………………21.2课程设计报告要求………………………………………………………………………21.3课题任务………………………………………………………………………………22.整体设计………………………………………………………………………………………42.1一般通信系统……………………………………………………………………………42.2设计方案论证……………………………………………………………………………42.3原理分析…………………………………………………………………………………52.4主要内容设计……………………………………………………………………………63.软件说明………………………………………………………………………………………83.1MATLAB软件简介……………………………………………………………………83.2Simulink…………………………………………………………………………………84.模块设计……………………………………………………………………………………104.1FM调制模型的建立……………………………………………………………………104.2调制过程分析…………………………………………………………………………104.3FM解调模型的建立……………………………………………………………………124.4解调过程分析…………………………………………………………………………124.5高斯白噪声信道特性…………………………………………………………………144.6调频系统的抗噪声性能分析…………………………………………………………155.仿真实现……………………………………………………………………………………185.1FM和PM的调制…………………………………………………………………………185.2FM和PM的解调…………………………………………………………………………256.心得体会……………………………………………………………………………………327.参考文献……………………………………………………………………………………33第2页1.系统设计1.1课题的目的本课程设计课题主要研究FM调制与解调模拟系统的理论设计和软件仿真方法。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：1)掌握模拟系统FM调制与解调的原理。2)掌握模拟系统FM调制与解调的设计方法；3)掌握应用MATLAB分析系统时域、频域特性的方法，进一步锻炼应用Matlab进行编程仿真的能力；4)熟悉基于Simulink的动态建模和仿真的步骤和过程；5)了解基于LabVIEW虚拟仪器的特点和使用方法，熟悉采用LabVIEW进行仿真的方法。1.2课程设计报告要求(1)设计报告书包括内容：课程设计题目，设计目的和意义，设计方案，详细设计步骤，设计结果（原理图等），测试和仿真结果（图形或数据）及其分析，结论，参考文献等。(2)提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料（电路图、程序、结果等）的电子版。1.3课题任务设计FM调制与解调模拟系统，仿真实现相关功能。包括:可实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统设计及仿真，要求给出系统的设计框图、源程序代码及仿真结果，并要求给出程序的具体解释说明，记录系统的各个输出点的波形和频谱图。具体内容为：(1）设计FM调制与解调、PM调制与解调的模拟系统，给出系统的原理框图,对系统的主要参数进行设计说明。(2）采用Matlab语言设计相关程序,实现系统的功能，要求采用两种方式进行仿真，即直接采用Matlab语言编程的静态仿真方式、采用Simulink进行动态建模和仿真的方式。要求采用两种以上调制信号源进行仿真，并记录系统的各个输出点的波形和频谱图。(3)采用LabVIEW进行仿真设计,实现系统的功能,要求给出系统的前面板和框第3页图，采用两种以上调制信号源进行仿真，并记录仿真结果。(4)要求对系统的时域、频域特性进行分析，并与理论设计结果进行比较分析。(5)对系统功能进行综合测试，整理数据，撰写设计报告。第4页2.整体设计2.1一般通信系统通信的目的是传输信息。一般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）。图2.1通信系统一般模型2.2设计方案论证调频（FM）：载波信号的频率按调制信号的规律变化；调相（PM）：载波信号的相位按调制信号的规律变化；两种调制方式均表现为载波信号的瞬时相位收到调变。在设计调频（FM）和调相（PM）系统时，由于调频（FM）可以看成是相位按调制信号的时间积分值规律变化的的调相信号，故可以都借助调相系统，只是调频时，需先将调制信号积分以后再通过调相系统。设计调相系统时，在确定载波幅度和频率、调制信号幅度和频率、调频或调相比例常数后，将调制信号与比例常数的乘积（调相时）或调制信号积分以后与比例常数的乘积（调频时），即可完成调相功能。由于等幅调频波通过延时网络以后，在限制错误!未找到引用源。(错误!未找到引用源。为调制信号的角频率，错误!未找到引用源。为延时量)的条件下，输出调频波与输入时相比会产生附加相移，该附加相移反映了输入调频波的瞬时频率变化，即输出为调频-调相波，再将其通过鉴相器即可完成鉴频。此即相位鉴频器的理论设计模型。假设调相波和载波之间的相位差为错误!未找到引用源。，使调相波产生错误!未找到引用信息源发送设备信道接受设备信息源噪声源发送端接收端信道第5页源。固定相移后，和载波一起通过相乘器，再通过低通滤波器后，输出波在限制错误!未找到引用源。的条件下，幅度反映了输入调相波的瞬时相位变化，即完成了鉴相功能。此即乘积型鉴相器的理论设计模型。故在设计鉴频（FM）和鉴相（PM）系统时，只需在确定系统参数的情况下，按上述原理完成相位鉴频器和乘积型鉴相器的功能即可完成相应的解调功能。在MATLAB静态编程仿真部分，将上述原理转换成相应的数学关系，即可完成编程；在Simulink动态建模仿真部分，根据上述原理选择合适的模型，并做合适的参数设置，即可完成系统方框图的设计；在Labview仿真部分，根据上述原理选择合适的函数和控件，并做合适的参数设置，即可完成前面板和程序框图的设计；在GUI图形用户界面设计部分，在了解设计方法的基础上，根据上述原理给添加的按钮或文本框添加对应的代码，即可实现图形用户界面。2.3原理分析2.3.1FM调制与解调的原理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，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。而频率（FM）调制的名称源于m(t)与已调信号的频率呈线性关系。FM调制就是将调制信号的变化映射到已调信号的频率大小。设调制信号为m(t)，调频信号的数学表达式为第6页])(22cos[)(dttmktfAtsFMccFM例如：m（t）的时域波形为m（t）100.51t-1图2.2FM调频波如下：图2.3FM信号调频波的频谱包含无穷多个分量。由于调频波的频谱包含分量有无穷多个，因此，理论上调频波的频带宽度为无限宽。然而实际上边频幅度随着n的增大而逐渐减小，因此，只要取适合的n值，使边频分量小到可以忽略，调频信号可近似认为具有有限频谱。所以，根据这个原则，调频波的带宽为B=2（β+1）W。2.3.2FM信号的频谱特点：（1）以载频cf为中心，由无穷多对以调制信号频率F为间隔的边频分量组成，各分量幅值取决于Bessel函数，且以cf对称分布；（2）载波分量并不总是最大，有时为零；（3）FM信号的功率大部分集中在载频附近；（4）频谱结构与F密切相关；第7页2.4主要内容设计2.4.1必选部分(1)设计实现FM与解调的模拟系统，给出系统的原理框图,对系统的主要参数进行设计说明,具体参数包括：载波频率、调制信号频率、载波大小、调制信号大小、调制系数等参数。并对所设计的系统进行理论分析计算。(2)根据所设计的FM调制与解调的模拟系统，进行基于Matlab语言的静态仿真设计。实现单音调制的FM调制及解调的系统仿真设计，要求给出系统的Matlab编程仿真程序及结果，并要求写出程序的具体解释说明，记录系统的各个输出点的波形和频谱图。要求调制信号分别采用不同类型的信号进行仿真，至少给出两种以上调制信号源，具体参数自定。载波信号频率根据设计情况设定。(3)根据所设计的FM与解调的模拟系统，采用Simulink进行动态建模仿真设计。分别实现单音调制的FM调制及解调、PM调制及解调的系统动态仿真设计，要求包括调制和解调的部分，并给出采用Simulink进行动态建模仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。要求采用两种以上调制信号源进行仿真，具体参数自定。载波信号频率根据设计情况设定。(4)根据仿真结果,对系统的时域、频域特性进行分析，并与理论设计结果进行比较分析。2.4.2拓展部分(1)根据所设计的FM调制与解调的模拟系统，说明具体的参数，进行基于LabVIEW环境的仿真，分别实现单音调制的FM调制及解调的系统仿真设计，要求包括调制和解调的部分，给出系统的前面板和框图，并记录仿真结果。(2)要求调制信号采用不同类型的信号源，进行进一步的仿真，给出系统的前面板和框图，并记录仿真结果，观察分析频谱的变化情况。(3)比较分析采用以上两种软件环境：Matlab与LabVIEW，进行仿真的各自的特点，分析说明不同语言环境的各自优势。第8页3.软件说明3.1MATLAB软件简介MATLAB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。它以矩阵为基本数据单位，在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可