FM窄带调制解调系统仿真模型设计.docx

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FM窄带调制解调系统仿真模型设计

课程设计报告

课题名称__FM（窄带）调制解调系统的仿真模型设计___

学院电子信息学院

专业通信工程

班级

学号

姓名

指导教师

定稿日期：

2017年01月13日

1课程设计题目

FM（窄带）调制解调系统的仿真模型设计

2课程设计目的

2.1课程设计的目的

（1）学习使用计算机建立通信系统仿真模型的基本方法及基本技能，学会利用仿真的手段对于实用通信系统的基本理论、基本算法进行实际验证

（2）学习现有流行通信系统仿真软件的基本使用方法，学会使用这些软件解决实际系统出现的问题。

（3）通过系统仿真加深对通信课程理论的理解。

2.2课程设计的背景

调制与解调在整个数字通信系统中起着很重要的作用。

调制包含调节或调整的意义。

调制的主要目的是使经过编码的信号特性与信道的特性相适应，使信号经过调制后能够顺利通过信道传输。

通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所需要的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。

调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

调制方式分模拟调制系统和数字调制系统。

在模拟调制系统中又可分为线性调制和非线性调制两种，而这里将对非线性调制中的调频调制，即FM中窄带的调制解调做一个深入研究。

FM在当今通信系统中用途非常广泛，可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等方面。

2.3课程设计的环境

本次课程设计所采用的仿真环境为SystemView5.0

3课程设计时间

一周

4课程设计内容

4.1SystemView软件简介

Elanix公司的SystemView是一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化环境，主要用于电路和通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层的设计、仿真要求。

在SystemView环境下，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制系统的设计和仿真。

SystemView包括基本库和专业库。

SystemView可以实时仿真各种DSP结构，并进行各种系统时域和频域分析、谱分析，对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路和运放电路）等进行理论分析和失真分析。

SystemView的各种专业库特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。

随着通信技术的不断发展，通信系统越来越复杂，设计和仿真难度也随之加大，利用SystemView可以十分方便地完成相应的通信系统设计和仿真。

4.2设计内容分析

4.2.1通信系统简介

通信的目的是传递消息中包含的信息。

通信系统的作用就是将信息源发送到一个或多个目的地。

通信系统对信号进行两种基本变换，即把要发送的信息变换成原始电信号和将原始电信号调制到较高的载频上，使其频带适合信道的传输。

数字通信系统有多种，如数字电话系统、高速计算机并行数据处理传输系统等。

其模型如下：

图4.2.1数字通信系统模型

4.2.2FM调制系统的建立

（1）FM调制原理

FM为非线性调制。

设一个载波可以表示为：

（4.2.1）

式中，

为载波的瞬时相位，为载波的初始相位，为载波频率。

现将被角度调制后的定义为瞬时频率，即：

（4.2.2）

由公式4.2.2可写出：

（4.2.3）

若相位（即）随调制信号m（t）以某种方式变化，则称之为角度调制。

若使瞬时频率直接随调制信号线性地变化，则得到频率调制，即调频，此时有瞬时角频率:

（4.2.4）

由公式4.2.2可得：

（4.2.5）

若调频信号的最大瞬时相位偏移保持在很小的范围内，一般小于30°，即：

（4.2.6）

则称为窄带调频或窄带调相。

频率调制（FM）即已调信号的瞬时角频率偏移随原始基带信号线性变化，亦即：

（4.2.7）

其中为调频灵敏度

或有

（4.2.8）

调频波的时间表达式：

（4.2.9）

其中，A是载波的振幅，

是角度调制信号的瞬时相位，而

是瞬时相位偏移;为信号的瞬时频率，而称为瞬时频率偏移，即相对于的瞬时频率偏移。

若为单余弦调制信号（）,则调频波的时间表达式为：

（4.2.10）

上式中称为调频指数，为最大角频率偏移。

调频波的瞬时频率偏移与调制信号呈线性关系，而其瞬时相位偏移与调制信号的积分呈线性关系。

从频率调制的相位与频率关系可以看出，调频信号可通过直接调频和间接调频两种方式得到。

间接调频就是先对调制信号积分再调相得到。

（2）FM解调原理

a.非相干解调

由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度，因而调频信号的解调必须能产生正比于输入频率的输出电压，由公式4.2.5可得当已调信号表示式为公式4.2.9时，解调器的输出应为:

（4.2.11）

最简单的解调器是鉴频器。

理想的鉴频器可以看做是微分器与包络检波器的级联。

调频器通过微分器得到调频调幅信号，如果只取其包络信息，则正比于调制信号m（t），然后滤掉之流分量后，包络检波器输出

（4.2.12）

其中为鉴频器的灵敏度

b.相干解调

非线性解调制信号的解调与线性调制信号的解调基本一样，也分相干解调和非相干解调两种方法。

非相干解调的方法上面已经介绍过，而相干解调的方法适用于窄带调制信号。

相干解调的方框图为：

NBFMZ（t）

C（t）

图4.2.2NBFM相干解调

由于窄带调频信号可分解成正交分量与同相分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调。

设窄带调频信号为：

（4.2.13）

相干载波为，则乘法器输出为:

（4.2.14）

经低通滤波器滤除高频分量，得

再经微分，得输出信号:

（4.2.15）

可见，相干解调可以恢复原调制信号，这种解调方法与线性调制中的相干解调一样，要求本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。

4.3仿真模型的建立

实验使用了间接调频，即先对调制信号积分再调相。

最后使用相干解调法还原信号，即输出解调信号。

图4.3.1窄带调频原理框图

图4.3.2相干解调原理图

如上图制作仿真模型，图4.3.3左右分别为间接调频和相干解调。

图4.3.3FM间接法调频调制与解调的仿真模型

在图中，图符1、2、3、4为调频器，图符0为幅度为1V，频率为10Hz的正弦波信号，图符5为幅度为3V、频率为100Hz的正弦波信号，图符8为幅度为1V，频率为100Hz的正弦波信号。

从图符0到图符6是对FM信号的调制阶段，从图符7到图符12为解调阶段。

需注意图符11为一切比雪夫滤波器，其作用是用作环路滤波。

本仿真模型的流程如下：

图4.3.4FM调制解调流程

4.4仿真模型结果

仿真后的波形图以及频谱图如下：

图4.4.1调制信号波形

FM的输入信号是正弦波

图4.4.2调制信号频谱波形

调制信号频谱波形是在调制波形的基础上进行傅里叶变换后所得出的

图4.4.3已调信号波形

调制后的波形，按照原理，FM角度调制出来的波形特征为：

频率周期性地稀疏变化，所以波形调制成功。

图4.4.4已调信号频谱波形

图4.4.5解调信号波形

解调后的波形

图4.4.6解调信号频谱波形

图4.4.7载波信号波形

图4.4.8载波信号频谱波形

频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随调制信号m（t）成比例变化，则可得到调频信号为

4.5模块说明及参数设置

模块0：

输入信号

Token0Parameters:

Source:

Sinusoid

Amp=1v

Freq=10Hz

Phase=0deg

Output1=Cosine

MaxRate（Port0）=2e+3Hz

模块1：

FunctionLibrary

说明：

积分器

Token1Parameters:

Operator:

Integrator

ZeroOrder

InitialCondition=0v

模块2：

Gain

说明：

增益

对信号进行放大处理

Gain=3

模块3：

Multiplier

说明：

该模块是一个乘法器，将输入的信号相乘后输出。

Token3Parameters:

Multiplier:

NonParametric

Inputsfrom25

Outputsto4

模块4：

Negate

说明：

取负数

模块5：

载波信号，载波在解调过程中作用是识别原来的信号

Token6Parameters:

Source:

Sinusoid

Amp=3v

Freq=100Hz

Phase=0deg

Output0=Sinet3

Output1=Cosinet6t14

MaxRate（Port1）=2e+3Hz

模块6：

加法器

对输入信号进行加法操作

模块7：

双通滤波器

LinerSys

ChebyshevBandpassIIR

5Poles

LowFc=80Hz

HiFc=120Hz

QuantBits=None

InitCndtn=Transient

DSPModeDisabled

模块8：

SourceLibrary

Source:

Sinusoid

Amp=1v

Freq=100Hz

Phase=0deg

MaxRate（Port1）=2e+3Hz

模块9：

Negate

说明：

取负数

模块11：

OperatorLibrary

说明：

该模块是一个切比雪夫滤波器

Token14Parameters:

Operator:

LinearSys

ChebyshevLowpassIIR

5Poles

Fc=25Hz

QuantBits=None

InitCndtn=Transient

DSPModeDisabled

MaxRate=2e+3Hz

模块15：

该模块是将信号微分，完成解调

4.6仿真结果分析

仿真结果分析：

鉴于鉴频器不适于窄带仿真，故本次设计采用了相干解调法对FM信号进行调制解调。

从解调后的波形来看，与之前的输入信号相比有轻微失真，可能原因分析如下：

1、所选波形文件频率与参数设置匹配没有理论上理想，导致解调轮廓出现少量失真；2、该波形文件受高斯白噪声的影响太大，以致解调输出波形出现轻微失真。

5课程设计体会

本周的实训是关于通信原理调制解调系统的仿真模型设计。

在学习通信原理课程理论之后，开设这类的课程设计，目的是让我们更深刻的理解通信原理这门课，并且把所学的理论与实践相联系，同时，这对于课程原理的掌握起到了深化的作用。

这次课程设计做的是FM窄带调制解调系统的仿真模型设计。

这次所用的软件是SystemView5.0，拿到任务，一开始还真是没概念，幸好老师发给我们的资料中有相关的例题，可以照着例题的思路进行推究学习，从中获取一些经验。

通过老师提供的资料以及反复的尝试终于知道如何操作这个软件以及各图符的功能。

而在这次的设计中，我对FM的调制解调有了一定的了解。

常见的模拟调制包括角度调制（FM／PM）和幅度调制（AM／DSB），与幅度调制不同的是角度调制是原调制信号频谱的非线性搬移，并且产生了新的频谱分量，所以又称为非线性调制。

FM（调频）在实际通信中的应用非常广泛，高保真音乐广播、电视伴音信号传输、蜂窝电话以及卫星通信等。

与幅度调制相比，FM可以获得较高的抗噪声性能。

调频即使频率直接随调制信号线性变化，窄带调频可以由乘法器实现，因此必然可用相干解调的方法来回复原调制信号，NBFM信号在接收端首先经过带通滤波器滤除频带外信道加性噪声，然后经过乘法器与载波相乘，用低通滤波器滤除乘出来的高频分量，最后经微分器去掉外面的积分，在输出端恢复原调制信号f（t）。

而信号在信道中的传输会失真有可能是因为受到噪声影响，这时就需要用调制的方法去恢复信号，降低噪声对信号的干扰。

通过本次实训，我深刻体会到了通信原理设计是一门实践性很强的东西，不仅要学好书本知识，还必须随时把所学知识投入实际应用之中，只有这样，才能达到学习的目的。

这次实践中，我感觉到自己掌握的还是太匮乏了，当用到某个知识点时，经常是概念不清。

所以，我还是觉得必须很熟练的掌握专业知识，这样才能很顺畅的设计应用、提高效率，考虑问题也会更全面。

参考文献

【1】樊昌信，《通信原理教程》，电子工业出版社，2005

【2】WilliamR.Bennett,JamesR.Davey.DataTransmission.NewYork:

McGraw-HillBookCompany,1965,5

【3】傅祖芸，信息论基础，北京：

电子工业出版社，1989

【4】吴伯修等，信息论与编码，北京：

电子工业出版社，1987

【5】M.L.Doels,E.T.HealdandD.L.Martin.BinaryDataTranmissionTechniquesforLinerSystems.ProcIRE,1957.45（5）:

656~661