2022年通信系统建模与仿真 .pdf

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1、电子信息系统仿真课程设计级 电子信息工程专业班级题目 FM 调制解调系统设计与仿真姓名学号指导教师胡 娟二一年月日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 24 页 -2 内 容 摘 要频率调制(FM)通常应用通信系统中。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。FM调制解调系统设计是对模拟通信系统主要原理和技术进行研究，理解 FM系统调制解调的基本过程和相关知识，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，非相干

2、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 Windows XP，使用工具软件为 7.0。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。了解 FM调制解调系统的优点和缺点，对以后实际需要有很好的理论基础。关 键 词FM；解调；调制；M ATL AB仿真；抗噪性名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共

3、24 页 -3 一、M ATLAB 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。其特点是：(1)可扩展性：Matlab 最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M 文件。对于一个从事特定领域的工程

4、师来说，不仅可利用Matlab 所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。从而大大扩展了其应用范围。当前支持Matlab 的商用 Toolbox(工具箱)有数百种之多。而由个人开发的Toolbox 则不可计数。(2)易学易用性：Matlab 不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。(3)高效性：Matlab 语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。如fft 语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C 语言语句的功能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。据 MathWorks 公司声称，Matlab 软件中所包含的

5、Matlab源代码相当于 70 万行 C 代码。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 24 页 -4 二、理论分析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。图 2.1 通信系统一般模型2.2 频率调制（FM）原理频率（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。图 2.2 FM 调制原理图其中，()m t为基带调制信号，设调制信号为()cos(2)mmtAf t设正弦载波为信息

6、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 24 页 -5()cos(2)cc tf t可得到已调调频信号为dttmktfAtsFMccFM)(22cos)(信号传输信道为高斯白噪声信道，其功率为2。2.3 调制过程分析产生调频信号有直接调频法和间接调频法。1、直接调频法图 2.3 FM 直接调频法模型2、间接调频法图 2.4 FM 窄带与宽带角调信号产生框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 24 页 -6 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()m t成正比例

7、变化，即tmdttdKfm2式中：Kfm 调频灵敏度（rad/sv）相位偏移为dmtKfm2得到调频信号为dmtAtKfsfmcfm2cos调制信号产生的 M 文件：dt=0.001;%设定时间步长t=0:dt:1.5;%产生时间向量am=15;%设定调制信号幅度可更改fm=20;%设定调制信号频率可更改mt=am*cos(2*pi*fm*t);%生成调制信号fc=50;%设定载波频率可更改ct=cos(2*pi*fc*t);%生成载波kf=10;%设定调频指数int_mt(1)=0;%对 mt 进行积分for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(

8、i)*dt;end sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt);%调制，产生已调信号名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 24 页 -7 图 2.5 FM 调制时域波形图图 2.6 FM 调制频域波形图2.4 FM 解调模型的建立调频信号通常采用非相干解调方式来接收。00.511.5-10010时 间 t调 制 信 号 的 时 域 图00.511.5-101时 间 t载 波 的 时 域 图00.511.5-10010时 间 t已 调 信 号 的 时 域 图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 24 页 -8 图 2.

9、7 FM 非相干解调原理图其中，限幅器及带通滤波器的作用是让信号完全通过而最大限度地抑制噪声。FM 信号应该是一个等幅振荡信号，所以其幅度上的波动是外来的，可用限幅器将其抑制，而 BPF 抑制信号频带外的噪声。由微分器和包络检波器级联的核心单元称为鉴频器。微分器把调频信号变成调幅调频波，然后由包络检波器检出包络，最后通过低通滤波器取出调制信号。此外，调频解调还有调频负反馈解调方案和利用锁相环作调频解调器。2.5 解调过程分析设输入调频信号为tSdmtAtKfsfmcfm2cos调频到调幅的变换1：微分微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。微分器输出为tfmcfmcddmttmAtKfKfS2

10、2sin22调频到调幅的变换2：使用调谐电路的上升频率特性(线性区)平衡鉴频器：展宽频率特性的线性范围名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 24 页 -9 图 2.8 平衡鉴频器及相应的频响图检波器输出为tmtKfKSfmcdo22dK称为鉴频灵敏度（VHz），是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度，经低通滤波器后加隔直流电容，隔除无用的直流，得()()odfmtK K m t微分器通过程序实现，代码如下：for i=1:length(t)-1%接受信号通过微分器处理diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;end diff_nsfmn=a

11、bs(hilbert(diff_nsfm);%hilbert 变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检波）通过 M文件绘制出两种不同信噪比解调的输出波形如下：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 24 页 -10 图 2.9 FM 在理想信道的解调原理图2.6 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()()cr tAtn t其中，白噪声()n t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()c o s

12、()(cr tAtn t故其有用信号功率为22AS噪声功率为2N00.511.5-505时 间 t调 制 信 号 的 时 域 图00.511.5-505时 间 t无 噪 声 条 件 下 已 调 信 号 的 时 域 图00.511.5-505时 间 t无 噪 声 条 件 下 解 调 信 号 的 时 域 图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 24 页 -11 信噪比SN满足公式1010log()SBN则可得到公式2210210BA通过这个公式可以方便的设置高斯白噪声的方差。我们选择了10db 和 30db 两种不同信噪比以示区别，其时域图如图2.7 和图 2.8。图 2

13、.10 含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图00.511.5-505时 间 t调 制 信 号 的 时 域 图050010001500-500005000时 间 t含 小 信 噪 比 高 斯 白 噪 声 已 调 信 号 的 时 域 图00.511.5-20020时 间 t含 小 信 噪 比 高 斯 白 噪 声 解 调 信 号 的 时 域 图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 24 页 -12 图 2.11 含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图2.7 调频系统的抗噪声性能分析讨论非相干解调系统的抗噪声性能，其分析模型如图9 所示。图 2.12 调频系统抗噪声性能分析模型

14、图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。()n t是均值为零，单边功率谱密度为0n的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声()in t。限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变。设调频信号为dmtAtKfsfmcfm2cos00.511.5-505时 间 t调 制 信 号 的 时 域 图050010001500-500005000时 间 t含 大 信 噪 比 高 斯 白 噪 声 已 调 信 号 的 时 域 图00.511.5-505时 间 t含 大 信 噪 比 高 斯 白 噪 声 解 调 信 号 的 时 域 图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 2

15、4 页 -13 故其输入功率为22iAS输入噪声功率为ioFMNn B因此输入信噪比为22iiFMSANB在大信噪比条件下，信号和噪声的相互作用可以忽略，这时可以把信号和噪声分开来算，这里，我们可以得到解调器的输出信噪比222233()8ofoomA KmtSNn f上式中，A为载波的振幅，fK为调频器灵敏度，mf为调制信号()m t的最高频率，on为噪声单边功率谱密度。我们如若考虑()m t为单一频率余弦波时的情况，可得到解调器的制度增益为22232AooFMfio miSNGmSn fN考虑在宽带调频时，信号带宽为BFMBFM）（12则可以得到GFM2max22)(/t3mtmFM）（可以

16、看出，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。可见，加大调频指数FM，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。但加大调频指数FM，又会增大信号占用带宽BFM，所以说 FM 调制的大信噪比是用带宽来换取的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 24 页 -14 低信噪比下，解调输出信号与噪声相混合，无法区分，造成输出信噪比急剧恶化门限效应。在调频解调中，解调输出有一抛物线噪声谱AfNPfn2200Wf解调输出噪声功率在-W,W频率范围内的噪声功率Pn0这意味着在调频输出中，基带信号的高频分量比低频分量受到噪声的干扰更严重，为此，在实际系统中，采用

17、预加重和去加重技术，以减小此抛物线噪声谱的影响，使系统总的输出信噪比得以改善。设计一系统，使它对于基带信号低频段呈现为一对调频器及解调器，对于基带信号高频段呈现为一对调相及解调器。图 2.13 具有预加重和去加重滤波的调频系统即在发端将一高通滤波器与一调频器级联，该高通滤波器在低频有意恒定增益的频率特性，在高频有一近似于fk的微分器的频率特性。收端的解调器是由普通鉴频器与一低通滤波器相级联组成。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 24 页 -15 三仿真实现FM 调制程序添加高斯白噪声程序FM 解调程序绘制频谱图程序显示程序初始化程序图 3.1 程序流程图模型3.1

18、 仿真结果图 3.2 原调制信号、载波信号和已调信号的曲线图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 24 页 -16 图 3.3 原调制信号和已调信号在频域内的图图 3.4 原调制信号、无噪声条件下已调信号和解调信号的曲线图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 24 页 -17 图 3.5 调制信号、小信噪比高斯白噪声下已调信号和解调信号的曲线图图 3.6 调制信号、大信噪比高斯白噪声下已调信号和解调信号的曲线图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 24 页 -18 3.2 MATLAB 源代码%FM 调制解调系统.m

19、%频率调制与解调的Matlab 演示源程序%可以任意改原调制信号函数m(t)%*%*初始化*echo off close all clear all clc%*%*%*FM调制*dt=0.001;t=0:dt:2.0;ac=5;%设定调制信号幅度fm1=5;%设定调制信号频率mt=ac*cos(2*pi*fm1*t);%生成调制信号fc=50;%设定载波频率ct=cos(2*pi*fc*t);kf=10;%设定调频指数int_mt(1)=0;for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt;%求信号 m(t)的积分end%调制，产生已调信号s

20、fm=ac*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt);%调制信号%*%*%*添加高斯白噪声*sn1=10;%设信躁比(小信噪比)sn2=30;%设信躁比(大信噪比)sn=0;%设信躁比(无信噪比)db=ac2/(2*(10(sn/10);%计算对应的高斯白躁声的方差n=sqrt(db)*randn(size(t);%生成高斯白躁声nsfm=n+sfm;%生成含高斯白躁声的已调信号（信号通%过信道传输）%*%*%*FM解调*for i=1:length(t)-1%接收信号通过微分器处理diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;名师资料总结-精品资料

21、欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 24 页 -19 end diff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm);%hilbert 变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;%*%*%*时域到频域转换*ts=0.001;%抽样间隔fs=1/ts;%抽样频率df=0.25;%所需的频率分辨率，用在求傅里叶变换%时，它表示 FFT 的最小频率间隔%*对调制信号 m(t)求傅里叶变换*m=ac*cos(2*pi*fm1*t);%原调信号fs=1/t

22、s;if nargin=2 n1=0;else n1=fs/df;end n2=length(m);n=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2);M=fft(m,n);m=m,zeros(1,n-n2);df1=fs/n;%以上程序是对调制后的信号u 求傅里变换M=M/fs;%缩放，便于在频谱图上整体观察f=0:df1:df1*(length(m)-1)-fs/2;%时间向量对应的频率向量%*对已调信号 u 求傅里变换*fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;else n1=fs/df;end n2=length(sfm);n=2(max(nextpow2(n1

23、),nextpow2(n2);U=fft(sfm,n);u=sfm,zeros(1,n-n2);df1=fs/n;%以上是对已调信号u 求傅里变换名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 24 页 -20 U=U/fs;%缩放%*%*%*%*显示程序*disp(按任意键可以看到原调制信号、载波信号和已调信号的曲线)pause%*figure(1)*figure(1)subplot(3,1,1);plot(t,mt);%绘制调制信号的时域图xlabel(时间 t);title(调制信号的时域图);subplot(3,1,2);plot(t,ct);%绘制载波的时域图xlab

24、el(时间 t);title(载波的时域图);subplot(3,1,3);plot(t,sfm);%绘制已调信号的时域图xlabel(时间 t);title(已调信号的时域图);%*disp(按任意键可以看到原调制信号和已调信号在频域内的图形)pause%*figure(2)*figure(2)subplot(2,1,1)plot(f,abs(fftshift(M)%fftshift:将 FFT 中的 DC分量移到频谱中心xlabel(频率 f)title(原调制信号的频谱图)subplot(2,1,2)plot(f,abs(fftshift(U)xlabel(频率 f)title(已调信号

25、的频谱图)%*disp(按任意键可以看到原调制信号、无噪声条件下已调信号和解调信号的曲线)pause%*figure(3)*figure(3)subplot(3,1,1);plot(t,mt);%绘制调制信号的时域图xlabel(时间 t);title(调制信号的时域图);subplot(3,1,2);plot(t,sfm);%绘制已调信号的时域图xlabel(时间 t);title(无噪声条件下已调信号的时域图);名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 24 页 -21 nsfm=sfm;for i=1:length(t)-1%接受信号通过微分器处理diff_nsfm

26、(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i)./dt;end diff_nsfmn=abs(hilbert(diff_nsfm);%hilbert 变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero;subplot(3,1,3);%绘制无噪声条件下解调信号的时域图plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间 t);title(无噪声条件下解调信号的时域图);%*disp(按任意键可以看到原调制信

27、号、小信噪比高斯白噪声条件下已调信号和解调信号已调信号的曲线)pause%*figure(4)*figure(4)subplot(3,1,1);plot(t,mt);%绘制调制信号的时域图xlabel(时间 t);title(调制信号的时域图);db1=ac2/(2*(10(sn1/10);%计算对应的小信噪比高斯白躁声的方差n1=sqrt(db1)*randn(size(t);%生成高斯白躁声nsfm1=n1+sfm;%生成含高斯白躁声的已调信号（信号通%过信道传输）for i=1:length(t)-1%接受信号通过微分器处理diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(

28、i)./dt;end diff_nsfmn1=abs(hilbert(diff_nsfm1);%hilbert 变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2);plot(1:length(diff_nsfm),diff_nsfm);%绘制含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图xlabel(时间 t);title(含小信噪比高斯白噪声已调信号的时域图);subplot(3,1,3);%绘制含小信噪比高斯白噪声解调信号的时域图plot(1:le

29、ngth(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间 t);名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 24 页 -22 title(含小信噪比高斯白噪声解调信号的时域图);%*disp(按任意键可以看到原调制信号、大信噪比高斯白噪声条件下已调信号和解调信号已调信号的曲线)pause%*figure(5)*figure(5)subplot(3,1,1);plot(t,mt);%绘制调制信号的时域图xlabel(时间 t);title(调制信号的时域图);db1=ac2/(2*(10(sn2/10);%计算对应的大信噪比高

30、斯白躁声的方差n1=sqrt(db1)*randn(size(t);%生成高斯白躁声nsfm1=n1+sfm;%生成含高斯白躁声的已调信号（信号通过信道传输）for i=1:length(t)-1%接受信号通过微分器处理diff_nsfm1(i)=(nsfm1(i+1)-nsfm1(i)./dt;end diff_nsfmn1=abs(hilbert(diff_nsfm1);%hilbert 变换，求绝对值得到瞬时幅度（包%络检波）zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn)/2;diff_nsfmn1=diff_nsfmn1-zero;subplot(3,1,2

31、);plot(1:length(diff_nsfm1),diff_nsfm1);%绘制含大信噪比高斯白噪声已调信号%的时域图xlabel(时间 t);title(含大信噪比高斯白噪声已调信号的时域图);subplot(3,1,3);%绘制含大信噪比高斯白噪声解调信号%的时域图plot(1:length(diff_nsfmn1)./1000,diff_nsfmn1./400,r);xlabel(时间 t);title(含大信噪比高斯白噪声解调信号的时域图);%*结 束*名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 24 页 -23 四心得与体会五参考文献1通信原理李晓峰等。北京：清华大学出版社。2通信原理周炯磐等。北京：北京邮电大学出版社。3MATLAB 编程（第 4 版）Stephen J.Chapman 著。北京：科学出版社。4MATLAB 在通信与电子中的应用徐明远 著。西安电子科技大学出版社。5通信系统课程设计与实验教程雷菁主编。科学出版社。6MATLAB7.0在数字信号处理中的应用罗军辉编。机械工业出版社。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 24 页 -24 指导教师评语：课程设计成绩：指导教师签名：年月日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 24 页 -