FM信号的MATLAB仿真设计

课程设计报告题目：FM信号的MATLAB仿真设计学生姓名：学生学号：0908030101系别：电气信息工程学院专业：电子信息工程届别：2013指导教师：成绩淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第1页FM信号的MATLAB仿真设计学生：鲍丽指导教师：张大雷电气信息工程学院电子与通信工程系1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务通过《FM信号的MATLAB仿真设计》的课程设计，掌握通信原理中模拟信号的调制和解调、数字基带信号的传输、数字信号的调制和解调，模拟信号的抽样、量化和编码与信号的最佳接收等原理。应用原理设计FM调制解调系统，并对其进行仿真。1.2课程设计的要求熟悉调制和解调的原理，调制的分类和解调的分类。熟悉并掌握调频信号的产生与解调。要求能够熟练应用MATLAB语言编写基本的通信系统的应用程序，进行模拟调制系统，数字基带信号的传输系统的建模、设计与仿真。所有的仿真用MATLAB程序实现，系统经过的信道都假设为高斯白噪声信道。模拟调制要求用程序画出调制信号，载波，已调信号、解调信号的波形，数字调制要求画出误码率随信噪比的变化曲线。1.3课程设计的研究基础FM在通信系统中的使用非常广泛。FM广泛应用于高保真音乐广播、电视伴音信号的传输、卫星通信和蜂窝电话系统等。本设计主要是利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现FM调制与解调过程，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Windows7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。2FM信号的MATLAB仿真设计方案制定淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第2页通信按照传统理解就是信息传输。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，且信息是多种多样的。通信系统对信号进行两种基本变换：第一、要把发送的消息要变换成原始电信号。第二、将原始电信号调制到频率较高的载频上，使其频带适合信道的输。解调后的信号称为基带信号，已调信号也称为频带信号。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。图1通信系统组成信息源（简称信源）的作用是把各种信息转换成原始信号。根据消息的种类不同信源分为模拟信源和数字信源。发送设备的作用产生适合传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗噪声的能力，并且具有足够的功率满足原距离传输的需求。信息源和发送设备统称为发送端。发送端将信息直接转换得到的较低频率的原始电信号称为基带信号。通常基带信号不宜直接在信道中传输。因此，在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内进行传输。这就是调制的过程。信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移（解调）到原来的频率范围，这就是解调的过程。信号在信道中传输的过程总会受到噪声的干扰，通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为加性噪声。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真。在本仿真的过程中我们假设信道为高斯白噪声信道。图2信号传输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淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第3页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。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。在本仿真的过程中我们选择用同步解调方法进行解调3FM信号的MATLAB仿真设计方案的设计3.1调制过程调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制。在无线通信中和其他大多数场合下，调制一词均指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数过程，是载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波为什么要进行载波调制呢？基带信号对载波的调制是为了实现下列一个或多个目标：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号波长想比拟。而基带信号包含的较低频率较长，致使天线过长而难以实现。第二，把多个基带信号分别搬移到不同的载波处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰，抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的作用和影响。采用什么样的调制方式将直接影响着通信系统的性能。信息源（简称信源）的作用是把各种信息转换成原始信号。信息源和发送设备统称为发送端。在通信系统的发送端将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内进行传输。调频的方法主要由两种：直接调频和间接调频，本设计使用直接调频。调频就是用调制信号控制载波的频率变化，直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。这种方法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏；主要缺点是频率稳定度不高。3.2解调过程淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第4页解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原基带信号。信号通过信道传输后，具有将信号放大和反变换功能的接收端将已调制的信号搬移（解调）到原来的频率范围。调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。相干解调也叫同步检波。解调与调制的实质一样，军事频谱搬移。调制是把基带信号的频谱搬到了载波位置，这一过程可以通过一个相乘器与载波相乘来实现。解调则是调制的反过程，即把在载频位置的已调信号的频谱搬回到原始基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘来实现。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需要同步信号，是FM系统的主要解调方式，本设计采用非相干解调。3.3噪声我们将信道中存在的不需要的电信号统称为噪声。通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号时通信系统中也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。噪声可以看成是信道中的一种干扰，也称为加性干扰，因为它是叠加在信号之上的。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真，是数字信号发生错码，并限制着信息的传输速率。按照来源分类，噪声可以分为人为噪声和自然噪声两大类。人为噪声是有人类的活动产生的，自然噪声是自然界中存在的各种电磁波辐射，此外还有一种很重要的自然噪声，即热噪声。热噪声来自一切电子型元器件中电子的热运动。由于在一般的通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样，所以热噪声又常称为白噪声。由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。在本仿真的过程中我们假设信道为高斯白噪声信道。4FM信号调制解调模型的建立与分析4.1调制模型的建立与分析4.1.1FM调制模型m(t)Sfm（t）图3FM调制模型FM调制器淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第5页其中，()mt为基带调制信号，设调制信号为cos2mmtAft设正弦载波为cos2cctft信号传输信道为高斯白噪声信道，其功率为2。4.1.2调制过程分析在调制时，调制信号的频率去控制载波的频率的变化，载波的瞬时频偏随调制信号()mt成正比例变化，即fdtKmtdt式中，fK为调频灵敏度（radsV）。这时相位偏移为ftKmd则可得到调频信号为()cosfSFMtAtKmd4.1.3调制程序%***********调制****************clearalldt=0.005;%设定步长t=0:dt:3;am=5;%调制信号幅度fm=5;%调制信号频率mt=am*cos(2*pi*fm*t);%生成调制信号j_mt(1)=0;fori=1:length(t)-1%对调制信号求积分淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第6页j_mt(i+1)=j_mt(i)+mt(i)*dt;endfc=40;ct=cos(2*pi*fc*t);%生成载波kf=10;%调频灵敏度sft=cos(2*pi*fc*t+kf*j_mt);%生成已调信号figure(1)%绘制图形subplot(3,1,1);plot(t,ct);xlabel('t');title('载波时域图');subplot(3,1,2);plot(t,mt);xlabel('t');title('调制信号时域图');subplot(3,1,3);plot(t,sft);xlabel('t');title('已调信号时域图');4.1.4调制图形图4调制信号图形4.2高斯白噪声热噪声来自一切电子型元器件中电子的热运动。由于在一般的通信系统的工作淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第7页频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样，所以热噪声又常称为白噪声。由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。4.2.1过程分析设正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为coscrtAtnt其中，白噪声()nt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randn。randn函数产生的随机序列服从均值为0m，方差21的高斯分布。正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为coscrtAtnt故其有用信号功率为22As噪声功率为2N信噪比SN满足公式1010logSBN则可得到公式2210210BA我们可以通过这个公式方便的设置高斯白噪声的方差。4.2.2程序%*********高斯白噪声****************sn=10;%设定信噪比db=am^2/(2*(10^(sn/10)));%计算高斯白噪声方差n=sqrt(db)*randn(size(t));%生成高斯白噪声淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第8页nsfm=n+sft;%含高斯白噪声已调信号figure(2)plot(t,nsfm);%绘制含高斯白噪声已调信号时域图xlabel('t');title('含高斯白噪声已调信号时域图');4.2.3含高斯白噪声的已调信号时域图图5含高斯白噪声的已调信号时域图4.3解调模型的建立与分析在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。4.3.1FM解调模型4.3.2解调过程分析输入调频信号为图6解调模型00costFMcfutUtkutdt设相干载波为淮南师范学院电气信息工程学院2013届电子信息工程专业课程设计报告第9页cos2ctpifct乘法器的作用是把调频信号变成有多种频率的波的混合，乘法器