基于System View的FM系统设计.doc

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1、 第16页 共15页基于System View的FM系统设计摘 要 调频（Frequency Modulation，缩写：FM）是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调变方式。在模拟应用中，载波的频率跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。调频技术通常运用在高频段VHF无线电上的高保真无线电音乐和语音的传送。本课程设计主要是实现模拟信号的调频过程，同时对已调信号加以解调。设计通过System View软件实现系统的设计和仿真，最后仿真效果与理论分析一致。关键词 调频；解调；设计和仿真；System View1引言信号调制的本质是频谱的搬移，把携带基带信号的频谱搬移到较高的频带上，适于信道的传输。模

2、拟信号的调频（FM），即已调信号瞬时角频率受基带信号的控制而改变的调制过程，调频信号的瞬时频率与基带信号呈线性关系。已调信号频谱不会是原调制信号频谱的线性搬移，而会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。本课程设主要是设计一个模拟信号的调频以及相干解调系统的传输过程，同时运用System View加以实现和仿真。1.1 课程设计的目的首先要深入了解模拟信号调频以及解调的原理，同时掌握System View平台的使用，然后设计模拟系统的传输过程并仿真，观察调制信号与解调信号的波形，以及已调信号与调频信号的频谱变化，最后加入噪声，分析系统的抗噪声性能。1.2 课程设计的要求设计平台为

3、System View集成环境。在System View下构建调制解调电路，运行仿真后，观察解调信号与调制信号的波形并分析，要求解调后的波形与调制波形基本一致。同时观察调制前后的信号频谱变化并分析，要求符合调频信号的频谱非线性搬移特性。在调制解调电路上加入噪声源（高斯白噪声）后，观察解调信号的失真情况并加以分析，要求系统在一定范围内具有良好的抗噪声性能。独立完成所有的设计。2 设计原理2.1 调频信号的产生直接调频法信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源通信系统的一般模型调频就是用调制信号控制载波的频率变化1。所谓频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随限制信号吗m(t)成比例变化，即调频信号的瞬

4、时角频率可以表示为： 其中为载波角频率，为调制信号，为频偏常数（调制常数），表示调频器的调制灵敏度，此时调频信号的相位为：将上式代入得调频信号为：调频信号的产生这里主要介绍了直接调频法。直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。可以由外部电压控制振荡器频率的叫做压控振荡器（VCO）。每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即若用调制信号作控制电压信号，就能产生FM波，如图2.1：图2.1 调频器若被控制的振荡器是LC振荡器，则只需控制振荡回路的某个电抗元件（L或C），使其参数随调制信号变化。目前常用的电抗元件是变容二极管

5、。用变容二极管实现直接调频，由于电路简单，性能良好，已成为目前最广泛采用的调频电路之一。在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。这种方法的主要优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏；其主要缺点是频率稳定度不高。2.2调频信号的解调相干解调由于调频信号可以分解成同相分量与正交分量之和，因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调，如图2.2：图2.2 FM信号相干解调根据公式可以设调频信号并设相干载波则相乘器的输出为经过低通滤波器取出其低频分量再经微分器，即得解调输出可见，相干解调可以恢复原调制信号。这种解调方法需要本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。3设计步骤3.1 设计模

6、拟调频与解调系统利用System View的设计窗口，绘制出模拟信号调频与解调系统流程。由于System View系统是一个离散时间系统4。在每次系统运行之前，首先需要设定一个系统频率。仿真各种系统运行时，先对信号以系统频率进行采样，然后按照系统对信号的处理计算各个采样点的值，最后在输出时，在观察窗内，按要求画出各个点的值或拟合曲线。本次系统的时间设置为：起始时间（Start Time）0 s，停止时间（Stop Time）0.537075 s,时间间隔（Time Spacing）0.0005 s，样本数（No. of Sample）1024，具体在System View中实现如图3.1：图3

7、.1 时间设置设置系统时间之后，就利用设计窗口绘制模拟信号的调频与解调的System View模型，设计参数如下：图符0：调制信号，设置为正弦曲线，振幅为1v,，频率为10Hz，初始相位为0；图符1：调频器，振幅为1v，频率为100Hz，相位为0，增益为50Hz/v。System View中提供的调频器实现了系统的调频过程，相当于原理中直接调频法中的压控振荡器。图符2：带通滤波器，滤波器类型为切比雪夫带通滤波器，滤波器阶数为5，最低频率为80Hz，最高频率为120Hz。带通滤波器是为了让调制信号顺利通过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量。图标3：乘法器，将已调信号与相干载波相乘。图标4：相干载波

8、源，参数设置为幅度0.05v，频率为100Hz，相位为0。图标5：反相器，相干载波源提供信号，再通过反相器得到系统所需相干载波。图标6：低通滤波器，滤波器类型为切比雪夫，阶数为5，低通频率为25，通过低通滤波器，取出相乘器输出信号的低频分量。图标7：微分器，增益为1，信号的低频分量经过微分器，即可得到解调信号。图标8，9，10：信号接受器图标11：延时器，延时0.06s，对调制信号延时，主要是使仿真后的调制波形和解调波形吻合，即信号波形重合，起始端接近。上述所有参数如表3-1所示：表3-1 FM调制解调系统图符设置图符编号库、图符名称参数0Source：SinusoidAmp=1v，Freq=

9、10Hz，Phase=0deg1Function：FMAmp=1v，Freq=100Hz，Mod Gain=502Operator：Linear Sys FiltersChebyshev Bandpass，5Poles，Low Cuttoff=80，High Cuttoff=1203Multiplier4Source：SinusoidAmp=0.05v，Freq=100Hz，Phase=0deg5Negate6Operator：Linear SysFiltersChebyshev Lowpass IIR，5Poles，Low Cuttoff =25Hz7DerivativeGain=18Sin

10、k：Analysis9Sink：Analysis图符编号库、图符名称参数10Sink：Analysis11DelayDelay=0.06s 综上所述， 设计系统首先通过信号源（图标0），提供调制信号，然后信号通过调频器（图标1），对调制信号进行调频，得到调频信号。接下来，调频信号进入相干解调部分。 调频信号经过一个带通滤波器（图标2）滤除调频信号中的外带噪声和高次谐波分量，然后加入一个相干载波与调频信号相乘。相干载波由信号源（图标4）通过反相器（图标5）得到。相乘后的信号经过低通滤波器（图标6），取出低频分量，再经过微分器（图标7），即得到解调输出。 具体在System View中实现，如图3

11、.2所示：图3.2 模拟系统调频与解调的System View模型在设计系统模型中主要遇到了一下几个难点：1.带通滤波器和低通滤波器的参数设置遇到了障碍，最后通过分析调制信号以及调频器的参数，反复修改验证，得到了系统所需滤波器的参数。2.起初设计系统时没有考虑调制信号的延时问题，仿真后，解调信号和调制信号波形频率振幅相等，但是画到一起吻合效果不明显，如图3.3所示：图3.3 未加延时器是调制信号和解调波形加入延时器后，这一问题得到解决，具体效果可参照下一小节的调制波形与解调波形的分析比较。3.2调制信号、调频信号、解调信号的波形分析运行Systems View模拟信号调频与解调模型以后，可以得

12、到如图3.4 所示的调制信号与解调信号：图3.4 加了延时的调制信号与解调信号由图3.4的调制信号与解调信号效果图可以明显的看出调制信号与解调信号基本重叠，仅是起始端有些细微的差别，这是因为解调系统在此时还未能进入状态，还未能对信号进行正确的解调，从图中可以看出经过很短的时间，相干解调系统就实现了对信号的正确解调。因此可以证明系统的设计是成功的。同时比较图3.3和图3.4可以明显的看出系统对调制信号加入延时器后的效果，能够更加直观地看清调制信号与解调信号的关系，便于分析。 通过System View分析窗口中的“SinkCalcutor”也就是接受计算器可以计算出调制信号的频谱以及调频信号的频

13、谱，计算结果如图3.5和图3.6：图3.5 调制信号的频谱图3.6 调频信号的频谱比较调制信号与调频信号的频谱可以明显的看出调频信号相对于调制信号频谱扩展了，这可以充分证明调频是非线性调制，正如调频的原理所述，调制信号的频谱不是原调制信号的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率部分，故又称为非线性调制。同时从调频信号的时域波形（图3.7）可以明显的看出，调制信号的频率明显增高， 这完全符合引言中对于调制本质的描述，调制的本质就是把携带基带信号的频谱搬移到较高的频带上。图3.7 调制信号时域波形综上所述，本次设计的模拟调频与相干解调系统实现了信号的调制与解调的过程，仿真波

14、形与频谱也符合原理的描述。3.3 系统的抗噪声性能加入噪声后，系统的System View模型如图3.7所示：图3.7 加入噪声后的系统System View模型 由于加性噪声被认为只对已调信号的接受产生影响，因而通信系统的抗噪声性能可以通过解调系统的抗噪声性能来衡量。 设计中，在调制信号进入解调系统之前加入一个高斯白噪声，噪声由信号源（图符13）提供，通过加法器（图符12），加入系统中。系统加入噪声后的模型相对原系统增加了以下两个图符：图符12：加法器，将噪声加入调频信号图符13：噪声源，高斯白噪声，方差依次取值（1V、0.5V、0.2V、0.1V）上述参数如表3-2所示：表3-2 系统加入

15、噪声后的补充图符设置图符编号图符名称参数12Adder13Gauss NoiseSTD Deviation=（1、0.5、0.2、0.1）v再次运行系统可以得到解调波形，如图3.8所示：图3.8 高斯白噪声为1v时的解调波形由此解调波形可知，加入噪声后的解调波形严重失真， 为了解决失真严重的问题，可以尝试改变高斯白噪声的幅值，减小噪声。第一次将1v的方差降到了0.5v，从图3.9可以明显的看出解调信号的失真情况得到了缓解，虽然还不是很理想，但是可以证明减小噪声幅值，可以减小失真，因此可以继续尝试，得到理想的解调波形。第二次将幅值降到了0.2v，如图3.10，失真相对于0.5v的幅值又有了一定程

16、度的减小。第三次将幅值降到了0.1v，如图3.11，失真就比较小了。由上述过程可以看出系统在加入高斯白噪声的幅值小于0.2v时抗噪声性能良好。图3.9 高斯白噪声为0.5v时的解调波形图3.10 高斯白噪声为0.2v时的解调波形图3.11 高斯白噪声为0.1v时的解调波形4出现的问题及解决方法4.1设计中出现的问题（1）设计初，不熟悉本次设计的设计平台System View的使用。（2）设计初，对于FM的原理了解得不够深入。（3）设计系统传输过程时不知道应该选择非相干解调还是相干解调。（4）在运用System View设计系统模型时，运行出来的波形不是很理想。4.2解决方法（1）仔细研读老师法

17、给我们的辅助教材，上网查询并下载了电子版本的System View教程，同时请教班上已经对此软件熟悉的同学，最后基本能独立利用此软件设计实现设计系统。（2）深入理解通信原理课本，并研读一些通信原理方面的辅助材料，加深了对模拟信号调频原理的理解。并对FM调制有了更深一步的了解。（3）调频信号的解调有相干解调和非相干解调两种解调方式，由于相干解调的同步信号限制，故应用范围较小，实际中一般采用非相干解调，并且非相干解调的抗噪声性能较好。起初计划选择非相干解调，但是鉴频器的设计遇到了阻碍，微分器以及包络检波器的设计始终无法达到理想的要求，最后尝试了相干解调法，解调波形满足设计要求。（4）1.系统的解调

18、波形与调制信号不能很好的吻合，不能明显地看出解调效果，加入一个延迟器，解决了这一问题。 2.加入噪声后，解调波形失真比较严重，反复减小加入噪声的幅值，失真情况得到了缓解。 3最初打算用眼图来检验系统抗噪声性能，由于调节开始时间与时间宽度比较难，且FM不太适合用眼图检验，故采用调制波与解调波叠加比较，能清晰的看到抗噪声性能的好坏。5结束语经过一个多星期的准备与学习，直到今天论文的结束，我的感触颇深。从看到课程设计题目的第一天，脑袋里只有一些零碎的模拟调频概念，到上网查询，翻阅书籍，请教同学，请教老师，一步一步，我完成了自己的课题。 通过这次设计，我再一次深刻的体会到世上无难事，只怕有心人。刚刚看

19、到课题的那一刻，我真的找不到一点头绪，对于设计系统的原理只是一知半解，对于我们要使用的System View完全不熟悉。于是我一方面开始上网查询一些有于System View的资料，下了一些System View的实例教程，另一方面仔细研读了老师发给我们的仿真手册，请教班上已经先我一步熟悉System View平台的同学，并且一起钻研，慢慢的对软件平台有了一定的了解。系统原理的深入了解则是通过再次熟悉专业课（通信原理）中对FM的介绍以及查阅相关书籍。开始的疑问通过各种途径一一得到了解决。这使我明白了，只要下定决心，找准目标，有条不紊地准备，世上就无难事。完成整个设计的过程也让我体会到理论的得出

20、需要不断地去尝试，去摸索，这是一个繁琐的过程，但是在得到理想结果的那一刻之前的一切勤劳都显得那么有价值，只要坚持不懈，一定会有享受成果的那一天。 这次课程设计还让我认识到，我们无时无刻都能学习到我们想要了解的知识，课堂并不是我们唯一能获取知识的地方。我们还能通过各种渠道学习知识，增长见识。当今这个飞速发展的社会，需要的是就是能无时无刻升华自己的人才。这次设计在很大的程度上提高了我的自学能力，以后我还会不断地培养，提高自己这方面的能力。 在此，我还要感谢指导老师的耐心栽培，没有老师的一次次指导，我也不可能这么快的完成我的课题。参考文献1 樊昌信，曹丽娜. 通信原理.第6版. 北京：国防工业出版社，2008-32 孙屹，戴研峰. System View通信仿真开发手册. 国防工业出版社 2004-113 张辉，曹丽娜. 现代通信原理. 西安电子科技大学出版社 4 System View教程与实例.OpenHW网站. http:/www.openhw.org/bbs/index_Article_23977.html/ ：20055 罗伟雄，韩立，原东昌. 通信原理与电路. 北京：北京理工大学出版社，19996 CSDN上的System View教程