基于MATLAB的FM信号的产生传输接受解调.docx
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基于MATLAB的FM信号的产生传输接受解调
电子科技大学
实
验
报
告
姓名学号：
王瑞琦27
朱闻一21
李虹杉22
课程名称：
通信原理
实验项目名称：
仿真FM信号产生与接收
指导教师：
傅志中
日期：
2013年11月
一、实验目的
通过《仿真FM信号的产生与接受》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，并对其进行防真。
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。
二、实验器材
2台PC，MATLAB软件，1根音频传输线
三、实验原理：
FM调制解调系统设计
通信的目的是传输信息。
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。
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。
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。
1、FM调制原理
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。
FM调制模型：
其中，
为基带调制信号，设调制信号为
设正弦载波为
可得到已调调频信号为
2、FM解调原理
调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种。
相干解调仅仅适用于窄带调频信号，且需同步信号，故应用范围受限；而非相干解调不需同步信号，且对于NBFM信号和WBFM信号均适用，因此是FM系统的主要解调方式。
在本仿真的过程中我们选择用非相干解调方法进行解调。
非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图5所示。
非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成，其方框图如图5所示。
限幅器输入为已调频信号和噪声，限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声，使调频信号顺利通过。
鉴频器中的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。
设输入调频信号为
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
包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。
包络检波器输出为
称为鉴频灵敏度（
），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
3、调频系统的抗噪声性能
从前面的分析可知，调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种。
相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式，所以这里仅仅讨论非相干解调系统的抗噪声性能
图中带通滤波器的作用是抑制信号带宽以外的噪声。
是均值为零，单边功率谱密度为
的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声
。
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
故其输入功率为
输入噪声功率为
因此输入信噪比为
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
上式中，
为载波的振幅，
为调频器灵敏度，
为调制信号
的最高频率，
为噪声单边功率谱密度。
我们如若考虑
为单一频率余弦波时的情况，可得到解调器的制度增益为
考虑在宽带调频时，信号带宽为
则可以得到
可以看出，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
，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善。
四、仿真程序
%FM调制
dt=1/22050;%定义时间间隔
Ac=0.5;%载波幅度
Km=200;%调幅指数
fc=500;%载波频率
t=0:
dt:
5;
m=cos（2*pi*20*t）;%调制信号
figure
（1）,subplot（2,1,1）;plot（t,m）;title（'调制信号时域图'）
subplot（2,1,2）;plot（abs（fft（m）））;title（'调制信号的频谱图'）
C=cos（2*pi*fc*t）;%载波信号
s=Ac*cos（2*pi*fc*t+2*pi*Km*dt*cumsum（m））;%已调信号
sound（s,22050）%播放（发送）调制好的信号
figure
（2）,subplot（2,1,1）;plot（s）;title（'已调信号时域图'）
subplot（2,1,2）;plot（abs（fft（s）））;title（'已调信号的频谱图'）
sound（s,22050）
%FM解调
AI=analoginput（'winsound'）;%建立设备对象
chan=addchannel（AI,1）;%创建信号通道，此处选择一个声道
%获取set设定的属性可通过以下方式:
%AI=analoginput（'winsound'）;
%set（AI）
set（AI,'SampleRate',8000）;%设置A\D采样率为8KHz
SR=get（AI,'SampleRate'）;%获得实际采样率
set（AI,'TriggerChannel',chan）;%设置触发通道
set（AI,'TriggerType','software'）;%设置触发类型
set（AI,'TriggerCondition','rising'）;%设置为上升型触发
set（AI,'TriggerConditionValue',0.001）;%设置出发电压值
set（AI,'TriggerDelay',0）;%设置触发时延
set（AI,'TriggerDelayUnits','seconds'）;%设置触发时延的单位
set（AI,'timeout',4）;%定义超时值
cleardata1;
%启动声卡采集
start（AI）
%通常条件下执行数据获取，若发生异常，则显示超时
try
%[data1,time]=getdata（AI）;
data1=getdata（AI,8000）;
catchdata1=0
disp（'Atimeouthappened!
'）;
end
T=[0:
1/length（data1）:
1];
T1=T（1:
（length（T）-1））;
figure
（1）,stem（T1,data1,'g'）;
title（'采集到的信号图'）;
xlabel（'time/second'）;
ylabel（'voltage/v'）;
%axis（[0,0.1,-1.5,1.5]）;
%解调采集到的离散数值
forkk=1:
（length（data1）-1）
R（kk）=（data1（kk+1）-data1（kk））/（1/（length（data1）））;
end
%包络滤波
Rt=abs（hilbert（R））;
%恢复基带调制信号
Rt1=（Rt-2*pi*400）/（2*pi*100）;
%绘制解调后的信号图
T2=T1（1:
（length（T1）-1））;
figure
（2）,plot（T2,Rt1,'g'）;
title（'解调后的信号图'）;
xlabel（'time/second'）;
ylabel（'voltage/v'）;
figure;plot（data1）
wavplay（Rt1,SR）;%播放解调后的音频信号
五、结果分析
调制端：
已知被调信号表达式m，根据表达式利用plot函数求出时域曲线，调用快速傅里叶变换求出频域表达式，再利用plot函数求出频域曲线
将调制信号频谱图局部放大
上图表示的是一个是频率为20Hz的余弦信号的调制信号，下部分是调制信号的频谱图。
对此信号调制，我们选择载波频率为fc=500。
调制的作用就是进行各种信号的频谱搬移，使其托附在不同频率的载波上。
下图是已调信号的时域图和频域图：
我们将其局部放大可以看到：
从上图可以看到，已调信号的时域图仍是余弦信号，但确是疏密不均匀的，这中现象和调制信号m和已调信号s的构成有关，调制信号m作用在余弦波的角度引起一条信号相量在圆周“晃动”，所以我们易知m信号的幅度越大的地方其相应的s信号就越密；如果调制信号为常数，则已调信号将会是标准的余弦信号。
从频谱图上看，其频谱集中在两个如图所示的频段，相对于调制信号的频谱只有少量的移动。
虽然调制信号m是单一频率，但由它产生的FM信号却包含了处在波分量以外的无穷多边频分量，及产生了许多的新的频率分量，这样的调制显然是非线性的。
解调端：
这是通过声卡采样接收到的信号，在时域图中，余弦信号的幅度有所下降，但七整体形状还是机会保持不变；而在频域图中，除了信号幅度之外，频谱也发生了移动，还可以看到多了许多新的分量，因为此信号实质是通过对已调信号的采样而得到的，当然，传输信道中存在的噪声也是另一个原因。
通过对FM信号微分，再经过包络检波解调的得到的解调信号基本上恢复了调制信号的模样（幅度会发生变化）。
该方法不用产生严格同步的本地参考载波，因此是非相干解调。
六、含高斯白噪声的仿真实现
通过函数awgn（s,dB）加入高斯白噪声，解调部分加入如下程序
figure（3）;
Hd = fiter;
output=filter（Hd,Rt1）;
plot（output）;
title（'滤波后的波形'）;
来滤除噪声。
带通滤波器的作用是让信号完全通过最大限度的抑制信号频带外的噪声。
大信噪比：
若所加噪声为40dB
将其局部放大我们可以看到：
此时所加噪声为40Db，能够正确的解调出原波形，此时适当增大调频指数
，可使调频系统的抗噪声性能迅速改善，但随着调频指数
的提高，传输带宽也提高了，系统的输入噪声功率也随之增大，结果输入信噪比降低，可能使系统出现门限效应。
小信噪比：
若所加噪声为20dB
将以上已调信号局部放大
从以上图形我们可以看到，到所加噪声20dB时，解调过后的波形有明显的失真存在，这是因为当系统输入信噪比小到门限以下后，会出现门限效应，此时已不可能将信号与噪声分开。
七、实验结论
1、虽然从理论上来说FM调制是属于模拟传输的内容，但在计算机中是用数字化方法处理的，因为计算机本身就只能处理离散的数据，因此该仿真系统中定义的fs尽量要大一些。
而且，当改变载波频率时，采样频率也要随着改变，而且必须至少要达到载波频率的3倍（而不是理论上的2倍），调制后的信号才能很好的恢复。
2、调制指数较大时，调制产生的FM信号与原信号有非常明显区别，频率变化较大，当调制指数较小时，调制产生失的FM信号与原信号的区别不是很大，即频率变化很小。
调制指数较大时，频谱的变化较大，信号的带宽增加，进行了搬移等。
采用包络检波都可以恢复原始信号但是必须经过放大。
3、载波信号必是一个周期信号，而由级数可知，任何周期函数都可写成三角级数的组合形式，则说明载波信号实质上还是许多正、余弦的叠加在发挥作用，故直接就取载波信号为余弦信号，这样既直接又方便。
4、本实验还涉及到将声卡作为对象处理采集语音信号，操作时首先要对声卡产生一个模拟输入对象（AI），给AI对象添加一个通道，设置采样率后，就可以启动设备对象，开始采集数据，采集完成后停止对象并删除对象。
但是对声卡本身而言，每部PC的声卡都存在一些小的差别，当使用它进行传播时，可能带有相当一部分噪声。
5、本实验还可以进一步该进,在此次中我们的调制信号为规则余弦信号，我们可以改为对现场真实的语音信号进行采样和调制，这样不仅增加了难度还增加了趣味性。
八、实验心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次通信原理课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
也许，有时候结果不一定是最重要的，过程往往更让人回味！
最后不一定非要有结果，只要经历过就会有收获。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
虽然最后的实验还是基达到了理想的效果，但我觉得还是学到了很多的东西。
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