1、電子科技大學實驗報告姓 名 學 號：王瑞琦 2011019050007 朱聞一 2011019050011 李虹杉 2011019050022課 程 名 稱：通 信 原 理實驗項目名稱：仿真FM信號產生與接收指導教師：傅 志 中日期：2013 年 11 月 一、實驗目的通過仿真FM信號的產生與接受的課程設計，掌握通信原理中模擬信號的調制和解調、數字基帶信號的傳輸、數字信號的調制和解調，模擬信號的抽樣、量化和編碼與信號的最佳接收等原理。應用原理設計FM調制解調系統，并對其進行防真。要求能夠熟練應用MATLAB語言編寫基本的通信系統的應用程序，進行模擬調制系統。二、實驗器材2臺PC，MATLAB軟

2、件，1根音頻傳輸線三、實驗原理：FM調制解調系統設計通信的目的是傳輸信息。通信系統的作用就是將信息從信息源發送到一個或多個目的地。對于任何一個通信系統，均可視為由發送端、信道和接收端三大部分組成。信息源發送設備信 道接受設備信息源噪聲源發送端接收端信道信息源（簡稱信源）的作用是把各種信息轉換成原始信號。根據消息的種類不同信源分為模擬信源和數字信源。發送設備的作用產生適合傳輸的信號，即使發送信號的特性和信道特性相匹配，具有抗噪聲的能力，并且具有足夠的功率滿足原距離傳輸的需求。信息源和發送設備統稱為發送端。發送端將信息直接轉換得到的較低頻率的原始電信號稱為基帶信號。通常基帶信號不宜直接在信道中傳輸

3、。因此，在通信系統的發送端需將基帶信號的頻譜搬移（調制）到適合信道傳輸的頻率范圍內進行傳輸。這就是調制的過程。信號通過信道傳輸后，具有將信號放大和反變換功能的接收端將已調制的信號搬移（解調）到原來的頻率范圍，這就是解調的過程。信號在信道中傳輸的過程總會受到噪聲的干擾，通信系統中沒有傳輸信號時也有噪聲，噪聲永遠存在于通信系統中。由于這樣的噪聲是疊加在信號上的，所以有時將其稱為加性噪聲。噪聲對于信號的傳輸是有害的，它能使模擬信號失真。在本仿真的過程中我們假設信道為高斯白噪聲信道。調制在通信系統中具有十分重要的作用。一方面，通過調制可以把基帶信號的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調制信號轉換成適合

4、于信道傳輸或便于信道多路復用的已調信號。另一方面，通過調制可以提高信號通過信道傳輸時的抗干擾能力，同時，它還和傳輸效率有關。具體地講，不同的調制方式產生的已調信號的帶寬不同，因此調制影響傳輸帶寬的利用率。可見，調制方式往往決定一個通信系統的性能。在本仿真的過程中我們選擇用調頻調制方法進行調制。調制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復出原始基帶信號。在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調方法進行解調。1、FM調制原理 調制在通信系統中具有十分重要的作用。一方面，通過調制可以把基帶信號的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將

5、調制信號轉換成適合于信道傳輸或便于信道多路復用的已調信號。另一方面，通過調制可以提高信號通過信道傳輸時的抗干擾能力，同時，它還和傳輸效率有關。具體地講，不同的調制方式產生的已調信號的帶寬不同，因此調制影響傳輸帶寬的利用率。可見，調制方式往往決定一個通信系統的性能。在本仿真的過程中我們選擇用調頻調制方法進行調制。調制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復出原始基帶信號。在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調方法進行解調。而頻率（FM）調制的名稱源于m(t)與已調信號的頻率呈線性關系。FM調制就是將調制信號的變化映射到已調

6、信號的頻率大小。FM調制模型：其中，為基帶調制信號，設調制信號為設正弦載波為可得到已調調頻信號為 2、FM解調原理調制信號的解調分為相干解調和非相干解調兩種。相干解調僅僅適用于窄帶調頻信號，且需同步信號，故應用范圍受限；而非相干解調不需同步信號，且對于NBFM信號和WBFM信號均適用，因此是FM系統的主要解調方式。在本仿真的過程中我們選擇用非相干解調方法進行解調。非相干解調器由限幅器、鑒頻器和低通濾波器等組成，其方框圖如圖5所示。非相干解調器由限幅器、鑒頻器和低通濾波器等組成，其方框圖如圖5所示。限幅器輸入為已調頻信號和噪聲，限幅器是為了消除接收信號在幅度上可能出現的畸變；帶通濾波器的作用是用

7、來限制帶外噪聲，使調頻信號順利通過。鑒頻器中的微分器把調頻信號變成調幅調頻波，然后由包絡檢波器檢出包絡，最后通過低通濾波器取出調制信號。設輸入調頻信號為微分器的作用是把調頻信號變成調幅調頻波。微分器輸出為包絡檢波的作用是從輸出信號的幅度變化中檢出調制信號。包絡檢波器輸出為稱為鑒頻靈敏度（），是已調信號單位頻偏對應的調制信號的幅度，經低通濾波器后加隔直流電容，隔除無用的直流，得3、調頻系統的抗噪聲性能從前面的分析可知，調頻信號的解調有相干解調和非相干解調兩種。相干解調僅適用于窄帶調頻信號，且需同步信號；而非相干解調適用于窄帶和寬帶調頻信號，而且不需同步信號，因而是FM系統的主要解調方式，所以這里

8、僅僅討論非相干解調系統的抗噪聲性能圖中帶通濾波器的作用是抑制信號帶寬以外的噪聲。是均值為零，單邊功率譜密度為的高斯白噪聲，經過帶通濾波器后變為窄帶高斯噪聲 。限幅器是為了消除接收信號在幅度上可能出現的畸變。設調頻信號為故其輸入功率為輸入噪聲功率為因此輸入信噪比為在大信噪比條件下，信號和噪聲的相互作用可以忽略，這時可以把信號和噪聲分開來算，這里，我們可以得到解調器的輸出信噪比 上式中，為載波的振幅，為調頻器靈敏度，為調制信號的最高頻率，為噪聲單邊功率譜密度。我們如若考慮為單一頻率余弦波時的情況，可得到解調器的制度增益為考慮在寬帶調頻時，信號帶寬為則可以得到可以看出，大信噪比時寬帶調頻系統的信噪比

9、增益是很高的，它與調頻指數的立方成正比。可見，加大調頻指數，可使調頻系統的抗噪聲性能迅速改善。四、仿真程序%FM調制dt=1/22050;%定義時間間隔Ac=0.5;%載波幅度Km=200;%調幅指數fc=500;%載波頻率t=0:dt:5;m=cos(2*pi*20*t);%調制信號figure(1),subplot(2,1,1);plot(t,m);title('調制信號時域圖')subplot(2,1,2);plot(abs(fft(m);title('調制信號的頻譜圖')C=cos(2*pi*fc*t);%載波信號s=Ac*cos(2*pi*fc*t+2

10、*pi*Km*dt*cumsum(m);%已調信號sound(s,22050)%播放(發送)調制好的信號figure(2),subplot(2,1,1);plot(s);title('已調信號時域圖')subplot(2,1,2);plot(abs(fft(s);title('已調信號的頻譜圖')sound（s,22050）%FM解調AI = analoginput('winsound'); %建立設備對象chan = addchannel(AI,1); %創建信號通道，此處選擇一個聲道%獲取set設定的屬性可通過以下方式:% AI = anal

11、oginput('winsound');% set(AI)set(AI,'SampleRate',8000); %設置AD采樣率為8KHzSR = get(AI,'SampleRate'); %獲得實際采樣率set(AI,'TriggerChannel',chan); %設置觸發通道set(AI,'TriggerType','software'); %設置觸發類型set(AI,'TriggerCondition','rising'); %設置為上升型觸發set(AI,

12、'TriggerConditionValue',0.001); %設置出發電壓值set(AI,'TriggerDelay',0); %設置觸發時延set(AI,'TriggerDelayUnits','seconds'); %設置觸發時延的單位set(AI,'timeout',4); %定義超時值clear data1;%啟動聲卡采集start(AI)%通常條件下執行數據獲取，若發生異常，則顯示超時try %data1,time = getdata(AI); data1 = getdata(AI,8000);cat

13、ch data1=0 disp('A timeout happened!');endT = 0:1/length(data1):1;T1 = T(1:(length(T)-1);figure(1),stem(T1,data1,'g');title('采集到的信號圖');xlabel('time/second');ylabel('voltage/v');%axis(0,0.1,-1.5,1.5);%解調采集到的離散數值for kk=1:(length(data1)-1) R(kk) = (data1(kk+1)-da

14、ta1(kk)/(1/(length(data1);end%包絡濾波Rt = abs(hilbert(R);%恢復基帶調制信號Rt1 = (Rt-2*pi*400)/(2*pi*100);%繪制解調后的信號圖T2 = T1(1:(length(T1)-1);figure(2),plot(T2,Rt1,'g');title('解調后的信號圖');xlabel('time/second');ylabel('voltage/v');figure;plot(data1)wavplay(Rt1,SR); %播放解調后的音頻信號五、結果分析調

15、 制 端：已知被調信號表達式m，根據表達式利用plot函數求出時域曲線，調用快速傅里葉變換求出頻域表達式，再利用plot函數求出頻域曲線將調制信號頻譜圖局部放大上圖表示的是一個是頻率為20Hz的余弦信號的調制信號，下部分是調制信號的頻譜圖。 對此信號調制，我們選擇載波頻率為fc=500。調制的作用就是進行各種信號的頻譜搬移，使其托附在不同頻率的載波上。下圖是已調信號的時域圖和頻域圖：我們將其局部放大可以看到：從上圖可以看到，已調信號的時域圖仍是余弦信號，但確是疏密不均勻的，這中現象和調制信號m和已調信號s的構成有關，調制信號m作用在余弦波的角度引起一條信號相量在圓周“晃動”，所以我們易知m信號

16、的幅度越大的地方其相應的s信號就越密；如果調制信號為常數，則已調信號將會是標準的余弦信號。從頻譜圖上看，其頻譜集中在兩個如圖所示的頻段，相對于調制信號的頻譜只有少量的移動。雖然調制信號m是單一頻率，但由它產生的FM信號卻包含了處在波分量以外的無窮多邊頻分量，及產生了許多的新的頻率分量，這樣的調制顯然是非線性的。解 調 端：這是通過聲卡采樣接收到的信號，在時域圖中，余弦信號的幅度有所下降，但七整體形狀還是機會保持不變；而在頻域圖中，除了信號幅度之外，頻譜也發生了移動，還可以看到多了許多新的分量，因為此信號實質是通過對已調信號的采樣而得到的，當然，傳輸信道中存在的噪聲也是另一個原因。 通過對FM信

17、號微分，再經過包絡檢波解調的得到的解調信號基本上恢復了調制信號的模樣（幅度會發生變化）。該方法不用產生嚴格同步的本地參考載波，因此是非相干解調。六、含高斯白噪聲的仿真實現通過函數awgn(s,dB)加入高斯白噪聲，解調部分加入如下程序figure(3); Hd = fiter;output=filter(Hd,Rt1);plot(output);title('濾波后的波形'); 來濾除噪聲。帶通濾波器的作用是讓信號完全通過最大限度的抑制信號頻帶外的噪聲。大信噪比：若所加噪聲為40dB將其局部放大我們可以看到：此時所加噪聲為40Db，能夠正確的解調出原波形，此

18、時適當增大調頻指數，可使調頻系統的抗噪聲性能迅速改善，但隨著調頻指數的提高，傳輸帶寬也提高了，系統的輸入噪聲功率也隨之增大，結果輸入信噪比降低，可能使系統出現門限效應。小信噪比：若所加噪聲為20dB 將以上已調信號局部放大從以上圖形我們可以看到，到所加噪聲20dB時，解調過后的波形有明顯的失真存在，這是因為當系統輸入信噪比小到門限以下后，會出現門限效應，此時已不可能將信號與噪聲分開。七、實驗結論1、雖然從理論上來說FM調制是屬于模擬傳輸的內容，但在計算機中是用數字化方法處理的，因為計算機本身就只能處理離散的數據，因此該仿真系統中定義的fs盡量要大一些。而且，當改變載波頻率時，采樣頻率也要隨著改

19、變，而且必須至少要達到載波頻率的3倍（而不是理論上的2倍），調制后的信號才能很好的恢復。2、調制指數較大時，調制產生的FM信號與原信號有非常明顯區別，頻率變化較大，當調制指數較小時，調制產生失的FM信號與原信號的區別不是很大，即頻率變化很小。調制指數較大時，頻譜的變化較大，信號的帶寬增加，進行了搬移等。采用包絡檢波都可以恢復原始信號但是必須經過放大。3、載波信號必是一個周期信號，而由級數可知，任何周期函數都可寫成三角級數的組合形式，則說明載波信號實質上還是許多正、余弦的疊加在發揮作用，故直接就取載波信號為余弦信號，這樣既直接又方便。4、本實驗還涉及到將聲卡作為對象處理采集語音信號，操作時首先要對聲卡產生一個模擬輸入對象（AI），給AI對象添加一個通道，設置采樣率后，就可以啟動設備對象