FM調(diào)制解調(diào)要點

1、 通信原理實驗實驗名稱：基于FM信號調(diào)制解調(diào)的matlab仿真實驗地點：KA116姓名：汪輝 /胥譯涵摘要：FM在通信系統(tǒng)中的使用非常廣泛。FM廣泛應(yīng)用于高保真音樂廣播、電視伴音信號的傳輸、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)等。本設(shè)計主要是利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實現(xiàn)FM調(diào)制與解調(diào)過程，并分別繪制出基帶信號、載波信號、已調(diào)信號的時域波形，再進一步分別繪制出對已調(diào)信號疊加噪聲后信號。相干解調(diào)后信號和解調(diào)基帶信號的時域波形。最后繪出FM基帶信號通過上述信道和調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)后的誤碼率與信噪比的關(guān)系，并通過與理論結(jié)果波形對比來分析該仿真調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的正確性及噪聲對信號解調(diào)的影響。在課程設(shè)計

2、中，系統(tǒng)開發(fā)平臺為Windows 7使用工具軟件為MATLAB 7.0。在該平臺運行程序完成了對FM調(diào)制和解調(diào)以及對疊加噪聲后解調(diào)結(jié)果的觀察。通過該課程設(shè)計，達到了實現(xiàn)FM信號通過噪聲信道，調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的仿真目的。一、實驗?zāi)康耐ㄟ^FM信號的MATLAB仿真設(shè)計的課程設(shè)計，掌握通信原理中模擬信號的調(diào)制和解調(diào)、數(shù)字基帶信號的傳輸、數(shù)字信號的調(diào)制和解調(diào)，模擬信號的抽樣、量化和編碼與信號的最佳接收等原理。應(yīng)用原理設(shè)計FM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并對其進行仿真。二、實驗要求1、熟悉調(diào)制和解調(diào)的原理，調(diào)制的分類和解調(diào)的分類。熟悉并掌握調(diào)頻信號的產(chǎn)生與解調(diào)。要求能夠熟練應(yīng)用MATLAB語言編寫基本的通信系統(tǒng)的應(yīng)用程

3、序，進行模擬調(diào)制系統(tǒng)，數(shù)字基帶信號的傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計與仿真。所有的仿真用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)過的信道都假設(shè)為高斯白噪聲信道。模擬調(diào)制要求用程序畫出調(diào)制信號，載波，已調(diào)信號、解調(diào)信號的波形，數(shù)字調(diào)制要求畫出誤碼率隨信噪比的變化曲線。簡述理論原理；Matlab程序，要點旁注（可手寫）；圖示波形，說明合理性；其他重要數(shù)據(jù)、嘗試與思考說明，兩人一組,兩機器互連,解調(diào)三、實驗原理： 1、 通信按照傳統(tǒng)理解就是信息傳輸。通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信息源發(fā)送到一個或多個目的地，且信息是多種多樣的。通信系統(tǒng)對信號進行兩種基本變換：第一、要把發(fā)送的消息要變換成原始電信號。第二、將原始電信號調(diào)制到頻率

4、較高的載頻上，使其頻帶適合信道的輸。解調(diào)后的信號稱為基帶信號，已調(diào)信號也稱為頻帶信號。對于任何一個通信系統(tǒng)，均可視為由發(fā)送端、信道和接收端三大部分組成。 信息源發(fā)送設(shè)備信 道接受設(shè)備信息源噪聲源發(fā)送端接收端信道圖1通信系統(tǒng)組成信息源（簡稱信源）的作用是把各種信息轉(zhuǎn)換成原始信號。根據(jù)消息的種類不同信源分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備的作用產(chǎn)生適合傳輸?shù)男盘?，即使發(fā)送信號的特性和信道特性相匹配，具有抗噪聲的能力，并且具有足夠的功率滿足原距離傳輸?shù)男枨蟆?信息源和發(fā)送設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)送端。 發(fā)送端將信息直接轉(zhuǎn)換得到的較低頻率的原始電信號稱為基帶信號。通?；鶐盘柌灰酥苯釉谛诺乐袀鬏?。因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)

5、送端需將基帶信號的頻譜搬移（調(diào)制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)進行傳輸。這就是調(diào)制的過程。 信號通過信道傳輸后，具有將信號放大和反變換功能的接收端將已調(diào)制的信號搬移（解調(diào)）到原來的頻率范圍，這就是解調(diào)的過程。 信號在信道中傳輸?shù)倪^程總會受到噪聲的干擾，通信系統(tǒng)中沒有傳輸信號時也有噪聲，噪聲永遠存在于通信系統(tǒng)中。由于這樣的噪聲是疊加在信號上的，所以有時將其稱為加性噪聲。噪聲對于信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真。在本仿真的過程中我們假設(shè)信道為高斯白噪聲信道。圖2信號傳輸調(diào)制在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用。一方面，通過調(diào)制可以把基帶信號的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于信道

6、傳輸或便于信道多路復用的已調(diào)信號。另一方面，通過調(diào)制可以提高信號通過信道傳輸時的抗干擾能力，同時，它還和傳輸效率有關(guān)。不同的調(diào)制方式產(chǎn)生的已調(diào)信號的帶寬不同，因此調(diào)制影響傳輸帶寬的利用率。可見，調(diào)制方式往往決定一個通信系統(tǒng)的性能。在本仿真的過程中我們選擇用調(diào)頻調(diào)制方法進行調(diào)制。在本仿真的過程中我們選擇用同步解調(diào)方法進行解調(diào)2、調(diào)制過程調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制。在無線通信中和其他大多數(shù)場合下，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)過程，是載波的某一個或某幾個參數(shù)按照調(diào)制信號

7、的規(guī)律而變化。調(diào)制信號是指來自信源的消息信號，這些信號可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未受調(diào)制的周期性振蕩信號稱為載波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波為什么要進行載波調(diào)制呢？基帶信號對載波的調(diào)制是為了實現(xiàn)下列一個或多個目標：第一，在無線傳輸中，信號是以電磁波的形式通過天線輻射到空間的。為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸必須與發(fā)射信號波長想比擬。而基帶信號包含的較低頻率較長，致使天線過長而難以實現(xiàn)。第二，把多個基帶信號分別搬移到不同的載波處，以實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道利用率。第三，擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾，抗衰落能力，還可實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。因此，調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠

8、性有著很大的作用和影響。采用什么樣的調(diào)制方式將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。信息源（簡稱信源）的作用是把各種信息轉(zhuǎn)換成原始信號。信息源和發(fā)送設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)送端。在通信系統(tǒng)的發(fā)送端將基帶信號的頻譜搬移（調(diào)制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)進行傳輸。調(diào)頻的方法主要由兩種：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻，本設(shè)計使用直接調(diào)頻。調(diào)頻就是用調(diào)制信號控制載波的頻率變化，直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號的規(guī)律線性地變化。這種方法的主要優(yōu)點是在實現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏；主要缺點是頻率穩(wěn)定度不高。3、解調(diào)過程解調(diào)是調(diào)制的逆過程，其作用是從接收的已調(diào)信號中恢復原基帶信號。信號通過信道傳輸后

9、，具有將信號放大和反變換功能的接收端將已調(diào)制的信號搬移（解調(diào)）到原來的頻率范圍。調(diào)頻信號的解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實質(zhì)一樣，軍事頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號的頻譜搬到了載波位置，這一過程可以通過一個相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把在載頻位置的已調(diào)信號的頻譜搬回到原始基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號，且需同步信號，故應(yīng)用范圍受限；而非相干解調(diào)不需要同步信號，是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式，本設(shè)計采用非相干解調(diào)。4、噪聲我們將信道中存在的不需要的電信號統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號上的，沒有傳

10、輸信號時通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲永遠存在于通信系統(tǒng)中。噪聲可以看成是信道中的一種干擾，也稱為加性干擾，因為它是疊加在信號之上的。噪聲對于信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真，是數(shù)字信號發(fā)生錯碼，并限制著信息的傳輸速率。按照來源分類，噪聲可以分為人為噪聲和自然噪聲兩大類。人為噪聲是有人類的活動產(chǎn)生的，自然噪聲是自然界中存在的各種電磁波輻射，此外還有一種很重要的自然噪聲，即熱噪聲。熱噪聲來自一切電子型元器件中電子的熱運動。由于在一般的通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，好像白光的頻譜在可見光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布那樣，所以熱噪聲又常稱為白噪聲。由于熱噪聲是由大量自由電子的運動產(chǎn)生的，

11、其統(tǒng)計特性服從高斯分布，故常將熱噪聲稱為高斯白噪聲。在本仿真的過程中我們假設(shè)信道為高斯白噪聲信道。四、FM信號調(diào)制解調(diào)模型的建立與分析1、 FM調(diào)制模型 m(t) Sfm（t）FM調(diào)制器 圖3 FM調(diào)制模型其中，為基帶調(diào)制信號，設(shè)調(diào)制信號為設(shè)正弦載波為信號傳輸信道為高斯白噪聲信道，其功率為。2、調(diào)制過程分析在調(diào)制時，調(diào)制信號的頻率去控制載波的頻率的變化，載波的瞬時頻偏隨調(diào)制信號成正比例變化，即式中，為調(diào)頻靈敏度（）。這時相位偏移為則可得到調(diào)頻信號為3、FM解調(diào)模型在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調(diào)方法進行解調(diào)。4.3.2 解調(diào)過程分析輸入調(diào)頻信號為圖6解調(diào)模型 設(shè)相干載波為乘法器的作用是把調(diào)

12、頻信號變成有多種頻率的波的混合，乘法器輸出為經(jīng)低通濾波器后取出器低頻分量為在經(jīng)過微分器，即得出解調(diào)出的基帶信號：相干解調(diào)可以恢復出原來的基帶信號，而且要求本地載波與調(diào)制載波同步，否則會使解調(diào)信號失真。1、調(diào)制程序：%產(chǎn)生調(diào)制信號function myfun()dt=1/44100;%采樣間隔，即采樣頻率取為44100HZt=0:dt:1;am=input('模擬信號的幅度= ');fm=input('模擬信號的頻率= ');mt=am*cos(2*pi*fm*t);%模擬信號生成fc=input('模擬信號的載波頻率=');ct=cos(2*pi

13、*fc*t);%載波生成subplot(1,2,1);plot(t,mt);%畫圖xlabel('t');ylabel('模擬信號m(t)');Kfm=input('頻偏常數(shù)=');Sfm=am*cos(2*pi*fc*t+am*sin(2*pi*fm*t)*Kfm/fm);%產(chǎn)生已調(diào)信號subplot(1,2,2);plot(0.01*t,Sfm);xlabel('t');ylabel('調(diào)制信號Sfm(t)');sound(Sfm,44100);%通過身卡發(fā)送聲音信號Smt2、在沒音頻線傳輸時，模擬信道噪聲程序

14、（若用音頻線傳輸則此步驟應(yīng)略去）：SNR=30;%模擬信道的信噪比(可根據(jù)設(shè)計的需要更改進行測試)y1=awgn(Sfm,SNR);%加入模擬信道的高斯白噪聲3、解調(diào)程序（先通過在工作窗口調(diào)用函數(shù)fdatool設(shè)計濾波器BPF和LPF）：%解調(diào)接收到的信號function myfun()y2=wavrecord(44101,44100);%接收聲音信號Sfm=conv(y2,BPF);%讓收到的信號通過已經(jīng)設(shè)計好的帶通濾波器for i=1:length(t)-1 diff_Sfm(i)=(Sfm(i+1)-Sfm(i)./dt;%讓信號通過微分器endS=conv(Sfm,LPF);%讓收到的

15、信號通過已經(jīng)設(shè)計好的低通濾波器S=abs(hilbert(S);%用希爾伯特變換實現(xiàn)包絡(luò)檢波plot(S);%畫圖xlabel('t');ylabel('解調(diào)后的信號S（t）');結(jié)果：圖1：帶通濾波器的設(shè)計圖圖2：帶通濾波器的時域圖圖3：低通濾波器的設(shè)計圖圖4：低通濾波器的時域圖圖5:模擬信號m（t）和已調(diào)信號Sfm（t）圖:圖6：模擬信號m（t）、理想情況下接收方的解調(diào)信號S1（t）和實際解調(diào)信號S2（t）其中理想解調(diào)信號通過直接調(diào)用一下程序獲得:Function myfun()S1=demod(y2,1700,44100,fm)plot(S1);%畫圖xl

16、abel('t');ylabel('解調(diào)后的信號S1（t）');圖形分析：由于實驗中不可避免的有干擾和噪聲，而手動設(shè)計濾波器是，對截止頻率可能會存在偏差（即使在計算后），難免會讓解調(diào)后的波形和用matlab自帶的解調(diào)函數(shù)demod解調(diào)出來的波形之間存在差異，也就是失真，但若在我們的允許范圍內(nèi)，還是可以接受的。當然也可以不用解調(diào)函數(shù)，完全和計算的理論值比較。但用demod函數(shù)較為方便。分工：實驗前分析：汪輝 胥譯涵做實驗：汪輝 胥譯涵寫實驗報告及體會：汪輝 胥譯涵 實驗心得體會 在做實驗前，我們認真的問過老師，并很好的分析了實驗的原理，制定了實驗的執(zhí)行步驟和詳細的

17、實驗過程，在做好模型和查閱相關(guān)步驟的matlab程序?qū)崿F(xiàn)之后，自我感覺良好。但開始做實驗的時候，出現(xiàn)了很多之前沒有預計到的問題，使得剛開始始終停留在某一步驟，進展不是很大，在加上沒有音頻線，只用matlab的awgn（y,SNR）模擬傳輸始終和真實的音頻線不一樣，而且我們只考慮了理想信道下的FM調(diào)制解調(diào)過程，在無噪聲的情況下，過程比較簡單，當然在轉(zhuǎn)化成MATLAB語言的時候，我們也遇到了很多小問題，特別是在做處理的時候X的點數(shù)和Y點的點數(shù)不同的時候畫圖會出問題，所以會有點數(shù)的轉(zhuǎn)化問題。還有就是在進行采樣的時候，因為信號的頻率是給定的，載波的信號也是給定的，所以就涉及到采樣頻率的問題。剛開始的時

18、候，我們在對已調(diào)信號取點的時候，忽略了這個問題，導致信號的失真。當然，對于我們實驗的最大的問題還是傳輸?shù)膯栴}，剛開始我們沒有音頻線，我們以為可以傳輸成功，至少會有采樣點，但是沒有，一方面，是我們的接收函數(shù)出現(xiàn)問題了，我們用錯了函數(shù)（應(yīng)該用wavrecord，我們用成了sound，可能是因為MATLAB型號的原因吧）。另一方面，我們分析就是沒有音頻線，無線的環(huán)境太復雜，相比有線環(huán)境的噪聲更大，所以我們不會成功接收到信號的。后來在調(diào)整了函數(shù)和用上音頻線后，我們接收到了帶有噪聲的信號。聽聲音聽起來是一樣的，但是分析頻譜來看，解調(diào)后的信號混有很多高頻噪聲，這是由于我們考慮的情況是理想的情況。在整個過程中，聲卡和音頻線都會有噪聲，當信號通過這個系統(tǒng)后，我們接收到的信號必然會失真。而我們聽到的聲音差不多