FM(窄帶)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

可編輯版/課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱(chēng)__FM〔窄帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)___學(xué)院電子信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)通信工程班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師定稿日期：2017年01月13日目錄1課程設(shè)計(jì)題目22課程設(shè)計(jì)目的22.1課程設(shè)計(jì)的目的22.2課程設(shè)計(jì)的背景22.3課程設(shè)計(jì)的環(huán)境23課程設(shè)計(jì)時(shí)間34課程設(shè)計(jì)內(nèi)容34.1SystemView軟件簡(jiǎn)介34.2設(shè)計(jì)內(nèi)容分析3通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介34.2.2FM調(diào)制系統(tǒng)的建立44.3仿真模型的建立64.4仿真模型結(jié)果74.5模塊說(shuō)明及參數(shù)設(shè)置114.6仿真結(jié)果分析125課程設(shè)計(jì)體會(huì)13參考文獻(xiàn)131課程設(shè)計(jì)題目FM〔窄帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)2課程設(shè)計(jì)目的2.1課程設(shè)計(jì)的目的〔1學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能,學(xué)會(huì)利用仿真的手段對(duì)于實(shí)用通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證〔2學(xué)習(xí)現(xiàn)有流行通信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法,學(xué)會(huì)使用這些軟件解決實(shí)際系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題?！?通過(guò)系統(tǒng)仿真加深對(duì)通信課程理論的理解。2.2課程設(shè)計(jì)的背景調(diào)制與解調(diào)在整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)中起著很重要的作用。調(diào)制包含調(diào)節(jié)或調(diào)整的意義。調(diào)制的主要目的是使經(jīng)過(guò)編碼的信號(hào)特性與信道的特性相適應(yīng),使信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后能夠順利通過(guò)信道傳輸。通過(guò)調(diào)制,不僅可以進(jìn)行頻譜搬移,把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所需要的位置上,從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于傳播的已調(diào)信號(hào),而且它對(duì)系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制方式往往決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。調(diào)制方式分模擬調(diào)制系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。在模擬調(diào)制系統(tǒng)中又可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種,而這里將對(duì)非線性調(diào)制中的調(diào)頻調(diào)制,即FM中窄帶的調(diào)制解調(diào)做一個(gè)深入研究。FM在當(dāng)今通信系統(tǒng)中用途非常廣泛,可用于高保真音樂(lè)廣播、電視伴音信號(hào)的傳輸、衛(wèi)星通信和蜂窩電話系統(tǒng)等等方面。2.3課程設(shè)計(jì)的環(huán)境本次課程設(shè)計(jì)所采用的仿真環(huán)境為SystemView5.03課程設(shè)計(jì)時(shí)間一周4課程設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1SystemView軟件簡(jiǎn)介Elanix公司的SystemView是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和分析的可視化環(huán)境,主要用于電路和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真,是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具,能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層的設(shè)計(jì)、仿真要求。在SystemView環(huán)境下,可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種速率的系統(tǒng),可用于線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。SystemView包括基本庫(kù)和專(zhuān)業(yè)庫(kù)。SystemView可以實(shí)時(shí)仿真各種DSP結(jié)構(gòu),并進(jìn)行各種系統(tǒng)時(shí)域和頻域分析、譜分析,對(duì)各種邏輯電路、射頻/模擬電路<混合器、放大器、RLC電路和運(yùn)放電路>等進(jìn)行理論分析和失真分析。SystemView的各種專(zhuān)業(yè)庫(kù)特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和方案論證。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,通信系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,設(shè)計(jì)和仿真難度也隨之加大,利用SystemView可以十分方便地完成相應(yīng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。4.2設(shè)計(jì)內(nèi)容分析4.2.1通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介通信的目的是傳遞消息中包含的信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信息源發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)目的地。通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩種基本變換,即把要發(fā)送的信息變換成原始電信號(hào)和將原始電信號(hào)調(diào)制到較高的載頻上,使其頻帶適合信道的傳輸。數(shù)字通信系統(tǒng)有多種,如數(shù)字電話系統(tǒng)、高速計(jì)算機(jī)并行數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)等。其模型如下：信宿信源編碼信道解碼解調(diào)信道調(diào)制信道編碼信源信源編碼信宿信源編碼信道解碼解調(diào)信道調(diào)制信道編碼信源信源編碼同步噪聲同步噪聲發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端圖4.2.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型4.2.2FM調(diào)制系統(tǒng)的建立〔1FM調(diào)制原理FM為非線性調(diào)制。設(shè)一個(gè)載波可以表示為：<4.2.1>式中,為載波的瞬時(shí)相位,為載波的初始相位,為載波頻率?，F(xiàn)將被角度調(diào)制后的定義為瞬時(shí)頻率,即：<4.2.2>由公式4.2.2可寫(xiě)出：<4.2.3>若相位〔即隨調(diào)制信號(hào)m<t>以某種方式變化,則稱(chēng)之為角度調(diào)制。若使瞬時(shí)頻率直接隨調(diào)制信號(hào)線性地變化,則得到頻率調(diào)制,即調(diào)頻,此時(shí)有瞬時(shí)角頻率:<4.2.4>由公式4.2.2可得：<4.2.5>若調(diào)頻信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移保持在很小的范圍內(nèi),一般小于30°,即：<4.2.6>則稱(chēng)為窄帶調(diào)頻或窄帶調(diào)相。頻率調(diào)制〔FM即已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率偏移隨原始基帶信號(hào)線性變化,亦即：<4.2.7>其中為調(diào)頻靈敏度或有<4.2.8>調(diào)頻波的時(shí)間表達(dá)式：〔4.2.9其中,A是載波的振幅,EQEQ是角度調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位,而EQ是瞬時(shí)相位偏移;為信號(hào)的瞬時(shí)頻率,而稱(chēng)為瞬時(shí)頻率偏移,即相對(duì)于的瞬時(shí)頻率偏移。若為單余弦調(diào)制信號(hào)〔,則調(diào)頻波的時(shí)間表達(dá)式為：〔4.2.10上式中稱(chēng)為調(diào)頻指數(shù),為最大角頻率偏移。調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率偏移與調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系,而其瞬時(shí)相位偏移與調(diào)制信號(hào)的積分呈線性關(guān)系。從頻率調(diào)制的相位與頻率關(guān)系可以看出,調(diào)頻信號(hào)可通過(guò)直接調(diào)頻和間接調(diào)頻兩種方式得到。間接調(diào)頻就是先對(duì)調(diào)制信號(hào)積分再調(diào)相得到?！?FM解調(diào)原理a.非相干解調(diào)由于調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率正比于調(diào)制信號(hào)的幅度,因而調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)必須能產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓,由公式4.2.5可得當(dāng)已調(diào)信號(hào)表示式為公式4.2.9時(shí),解調(diào)器的輸出應(yīng)為:〔4.2.11最簡(jiǎn)單的解調(diào)器是鑒頻器。理想的鑒頻器可以看做是微分器與包絡(luò)檢波器的級(jí)聯(lián)。調(diào)頻器通過(guò)微分器得到調(diào)頻調(diào)幅信號(hào),如果只取其包絡(luò)信息,則正比于調(diào)制信號(hào)m<t>,然后濾掉之流分量后,包絡(luò)檢波器輸出〔4.2.12其中為鑒頻器的靈敏度b.相干解調(diào)非線性解調(diào)制信號(hào)的解調(diào)與線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)基本一樣,也分相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法。非相干解調(diào)的方法上面已經(jīng)介紹過(guò),而相干解調(diào)的方法適用于窄帶調(diào)制信號(hào)。相干解調(diào)的方框圖為：BPFLPFBPFLPFC<t>圖4.2.2NBFM相干解調(diào)由于窄帶調(diào)頻信號(hào)可分解成正交分量與同相分量之和,因而可以采用線性調(diào)制中的相干解調(diào)法來(lái)進(jìn)行解調(diào)。設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)為：〔4.2.13相干載波為,則乘法器輸出為:〔4.2.14經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量,得再經(jīng)微分,得輸出信號(hào):〔4.2.15可見(jiàn),相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào),這種解調(diào)方法與線性調(diào)制中的相干解調(diào)一樣,要求本地載波與調(diào)制載波同步,否則將使解調(diào)信號(hào)失真。4.3仿真模型的建立實(shí)驗(yàn)使用了間接調(diào)頻,即先對(duì)調(diào)制信號(hào)積分再調(diào)相。最后使用相干解調(diào)法還原信號(hào),即輸出解調(diào)信號(hào)。圖4.3.1窄帶調(diào)頻原理框圖圖4.3.2相干解調(diào)原理圖如上圖制作仿真模型,圖4.3.3左右分別為間接調(diào)頻和相干解調(diào)。圖4.3.3FM間接法調(diào)頻調(diào)制與解調(diào)的仿真模型在圖中,圖符1、2、3、4為調(diào)頻器,圖符0為幅度為1V,頻率為10Hz的正弦波信號(hào),圖符5為幅度為3V、頻率為100Hz的正弦波信號(hào),圖符8為幅度為1V,頻率為100Hz的正弦波信號(hào)。從圖符0到圖符6是對(duì)FM信號(hào)的調(diào)制階段,從圖符7到圖符12為解調(diào)階段。需注意圖符11為一切比雪夫?yàn)V波器,其作用是用作環(huán)路濾波。本仿真模型的流程如下：信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)對(duì)FM信號(hào)調(diào)制加入高斯白噪聲對(duì)FM信號(hào)解調(diào)還原加入白噪聲后的信號(hào)圖4.3.4FM調(diào)制解調(diào)流程4.4仿真模型結(jié)果仿真后的波形圖以及頻譜圖如下：圖4.4.1調(diào)制信號(hào)波形FM的輸入信號(hào)是正弦波圖4.4.2調(diào)制信號(hào)頻譜波形調(diào)制信號(hào)頻譜波形是在調(diào)制波形的基礎(chǔ)上進(jìn)行傅里葉變換后所得出的圖4.4.3已調(diào)信號(hào)波形調(diào)制后的波形,按照原理,FM角度調(diào)制出來(lái)的波形特征為：頻率周期性地稀疏變化,所以波形調(diào)制成功。圖4.4.4已調(diào)信號(hào)頻譜波形圖4.4.5解調(diào)信號(hào)波形解調(diào)后的波形圖4.4.6解調(diào)信號(hào)頻譜波形圖4.4.7載波信號(hào)波形圖4.4.8載波信號(hào)頻譜波形頻率調(diào)制〔FM,是指瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)m〔t成比例變化,則可得到調(diào)頻信號(hào)為4.5模塊說(shuō)明及參數(shù)設(shè)置模塊0：輸入信號(hào)Token0Parameters:Source:SinusoidAmp=1vFreq=10HzPhase=0degOutput1=CosineMaxRate<Port0>=2e+3Hz模塊1：FunctionLibrary說(shuō)明：積分器Token1Parameters:Operator:IntegratorZeroOrderInitialCondition=0v模塊2：Gain說(shuō)明：增益對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理Gain=3模塊3：Multiplier說(shuō)明：該模塊是一個(gè)乘法器,將輸入的信號(hào)相乘后輸出。Token3Parameters:Multiplier:NonParametricInputsfrom25Outputsto 4 模塊4：Negate說(shuō)明：取負(fù)數(shù)模塊5：載波信號(hào),載波在解調(diào)過(guò)程中作用是識(shí)別原來(lái)的信號(hào)Token6Parameters:Source:SinusoidAmp=3vFreq=100HzPhase=0degOutput0=Sinet3Output1=Cosinet6t14MaxRate<Port1>=2e+3Hz模塊6：加法器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加法操作模塊7：雙通濾波器LinerSysChebyshevBandpassIIR5PolesLowFc=80HzHiFc=120HzQuantBits=NoneInitCndtn=TransientDSPModeDisabled模塊8：SourceLibrarySource:SinusoidAmp=1vFreq=100HzPhase=0degMaxRate<Port1>=2e+3Hz模塊9：Negate說(shuō)明：取負(fù)數(shù)模塊11：OperatorLibrary說(shuō)明：該模塊是一個(gè)切比雪夫?yàn)V波器Token14Parameters:Operator:LinearSysChebyshevLowpassIIR5PolesFc=25HzQuantBits=NoneInitCndtn=TransientDSPModeDisabledMaxRate=2e+3Hz模塊15：該模塊是將信號(hào)微分,完成解調(diào)4.6仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析：鑒于鑒頻器不適于窄帶仿真,故本次設(shè)計(jì)采用了相干解調(diào)法對(duì)FM信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。從解調(diào)后的波形來(lái)看,與之前的輸入信號(hào)相比有輕微失真,可能原因分析如下：1、所選波形文件頻率與參數(shù)設(shè)置匹配沒(méi)有理論上理想,導(dǎo)致解調(diào)輪廓出現(xiàn)少量失真；2、該波形文件受高斯白噪聲的影響太大,以致解調(diào)輸出波形出現(xiàn)輕微失真。5課程設(shè)計(jì)體會(huì)本周的實(shí)訓(xùn)是關(guān)于通信原理調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)通信原理課程理論之后,開(kāi)設(shè)這類(lèi)的課程設(shè)計(jì),目的是讓我們更深刻的理解通信原理這門(mén)課,并且把所學(xué)的理論與實(shí)踐相聯(lián)系,同時(shí),這對(duì)于課程原理的掌握起到了深化的作用。這次課程設(shè)計(jì)做的是FM窄帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)。這次所用的軟件是SystemView5.0,拿到任務(wù),一開(kāi)始還真是沒(méi)概念,幸好老師發(fā)給我們的資料中有相關(guān)的例題,可以照著例題的思路進(jìn)行推究學(xué)習(xí),從中獲取一些經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)老師提供的資料以及反復(fù)的嘗試終于知道如何操作這個(gè)軟件以及各圖符的功能。而在這次的設(shè)計(jì)中,我對(duì)FM的調(diào)制解調(diào)有了一定的了解。常見(jiàn)的模擬調(diào)制包括角度調(diào)制<FM／PM>和幅度調(diào)制<AM／DSB>,與幅度調(diào)制不同的是角度調(diào)制是原調(diào)制信號(hào)頻譜的非線性搬移,并且產(chǎn)生了新的頻譜分量,所以又稱(chēng)為非線性調(diào)制。FM<調(diào)頻>在實(shí)際通信中的應(yīng)用非常廣泛,高保真音樂(lè)廣播、電視伴音信號(hào)傳輸、蜂窩電話以及衛(wèi)星通信等。與幅度調(diào)制相比,FM可以獲得較高的抗噪聲性能。調(diào)頻即使頻率直接隨