【超外差式調(diào)頻接收機(jī)的MATLAB仿真研究10000字（論文）】

超外差式調(diào)頻接收機(jī)的MATLAB仿真研究目錄TOC\o"1-3"\h\u32353摘要 4102前言 629091第一章緒論 732754第1.1節(jié)研究背景與意義 78159第1.2節(jié)研究現(xiàn)狀 719644第1.3節(jié)選題意義 86314第二章基礎(chǔ)理論 95118第2.1節(jié)MATLAB及超外差的簡(jiǎn)介 916537第2.2節(jié)FM的調(diào)制解調(diào)原理 10274462.2.1工作原理 10300792.2.2FM調(diào)制原理 1097162.2.3FM解調(diào)原理 1275702.2.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能 1430450第三章調(diào)頻的仿真實(shí)現(xiàn)與分析 1722680第3.1節(jié)仿真實(shí)現(xiàn) 1779433.1.1FM調(diào)制的實(shí)現(xiàn) 17111463.1.2FM解調(diào)的實(shí)現(xiàn) 1816575第3.2節(jié)結(jié)果分析 24600第四章總結(jié)與展望 2526007第4.1節(jié)總結(jié) 25170第4.2節(jié)課題展望 2527182參考文獻(xiàn) 26摘要在無(wú)線通信系統(tǒng)中，從消息轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的某個(gè)原始信號(hào)所需要占據(jù)的有效頻帶通常都是具有相當(dāng)于頻率比較低的信號(hào)頻譜，若將這個(gè)原始信號(hào)直接在某些信道上進(jìn)行傳輸可能會(huì)嚴(yán)重影響該信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴Ｒ虼藢?duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理后再傳輸是通信系統(tǒng)的重要組成部分REF_Ref2012\r\h[1]。本畢業(yè)設(shè)計(jì)研究了利用MATLAB軟件模擬超外差式接收機(jī)的主要工作流程，即包括對(duì)振蕩、混頻、中周期選頻放大、帶通濾波和包絡(luò)檢波等各個(gè)過(guò)程都進(jìn)行了仿真。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的仿真環(huán)境中，參數(shù)主要為：抽樣頻率：8000Hz,載波頻率：1000Hz，時(shí)間t=125；調(diào)制信號(hào)幅度：am=5dB,信號(hào)頻率：=5Hz；在這樣的設(shè)定環(huán)境下，對(duì)一個(gè)經(jīng)過(guò)混頻的高頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，分析其在混入噪聲環(huán)境下的波形，以及FM（頻率調(diào)制：FrequencyModulation）的抗噪聲性能。仿真結(jié)果證明，超外差式接收機(jī)具有靈敏度較高，且工作穩(wěn)定，選擇性好和失真度小的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：MATLAB,超外差放大，混頻器，調(diào)頻前言通信的概念按照我們傳統(tǒng)的思想理解，它就是信息的傳遞。在當(dāng)今這個(gè)高度發(fā)達(dá)和信息化的時(shí)代，信息，特別是無(wú)線通信已經(jīng)逐漸成為了現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)和生存命脈REF_Ref3847\r\h[2]。信息作為一種資源，可以通過(guò)各種途徑進(jìn)行廣泛傳播與交流，并產(chǎn)生一定的利用價(jià)值，從而促進(jìn)社會(huì)各個(gè)成員之間的合作，也促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，最終為其創(chuàng)造出巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。而通信作為傳遞信息的手段或方式，與傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)成為了21世紀(jì)國(guó)際社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。由此可以預(yù)見，未來(lái)的通信將對(duì)人們的生活方式和社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生更加顯著和深遠(yuǎn)的影響REF_Ref2874\r\h[3]。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要目的，就是通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的信息通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬設(shè)計(jì)，對(duì)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和通信系統(tǒng)基礎(chǔ)理論進(jìn)行驗(yàn)證和分析。其中主要的工作內(nèi)容是以MATLAB為基礎(chǔ)平臺(tái)，使其得到一個(gè)仿真結(jié)果。這其中還包括介紹了調(diào)制解調(diào)和超外差調(diào)制的基本原理，以及調(diào)制解調(diào)的仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)調(diào)制，不僅可以對(duì)頻譜進(jìn)行搬移，還可以把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到設(shè)計(jì)要求所期望的位置上，從而使被調(diào)制的信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換為一種適合于該信道的傳輸或者是便于該信道的多路復(fù)用的信號(hào)，除此之外，它對(duì)于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸有效性和可靠性都有著很大的影響REF_Ref3344\r\h[6]。本文的章節(jié)內(nèi)容如下：第一章是緒論；主要介紹了該課題的研究背景與意義、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等。第二章是原理部分；主要闡述了調(diào)制、解調(diào)和超外差式的調(diào)制解調(diào)的基本原理。第三章是仿真結(jié)果和分析部分；主要是完成仿真部分及仿真結(jié)果的一個(gè)分析。第四章的主要內(nèi)容是對(duì)全文的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，提出了本課題尚有待進(jìn)一步深化研究的方向和對(duì)下一步的工作目標(biāo)。緒論第1.1節(jié)研究背景與意義人類自從發(fā)現(xiàn)能利用電波傳遞信息以來(lái)，就不斷地研究設(shè)計(jì)制造和推出不同的通信手段和通信方式來(lái)增加通信的安全可靠性和通信距離。通信設(shè)備的功能微型化、省電化和輕巧化等也是人們一直研發(fā)和設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)方向REF_Ref4210\r\h[4]。一般通過(guò)無(wú)線電波接收語(yǔ)音信息所需要使用的設(shè)備是無(wú)線接收器，俗稱為無(wú)線收音機(jī)。目前的這種無(wú)線接收機(jī)不單僅僅進(jìn)行一種聲音信號(hào)接收，還逐步發(fā)展成為了可以接收影像的電視機(jī)和數(shù)字信息的電報(bào)機(jī)等。隨著廣播技術(shù)的發(fā)展，收音機(jī)也在不斷更新?lián)Q代REF_Ref4210\r\h[4]。自1920年開發(fā)了無(wú)線電廣播的半個(gè)多世紀(jì)中，收音機(jī)經(jīng)歷了電子管收音機(jī)、晶體管收音機(jī)和集成電路收音機(jī)的三代變化，收音機(jī)功能也慢慢增多，質(zhì)量也逐漸提高。20世紀(jì)80年代開始，收音機(jī)又朝著電路集成化、顯示數(shù)字化、聲音立體化、功能電腦化和結(jié)構(gòu)小型化等方向發(fā)展。然而也會(huì)遇到一些問(wèn)題，如：直接放大式收音機(jī)所遇到的主要問(wèn)題是，一個(gè)高頻放大器很難適應(yīng)各種不同的工作頻率，如果能想辦法使高頻放大器的工作頻率保持不變，那么許多問(wèn)題就很容易解決了REF_Ref5255\r\h[5]。超外差收音機(jī)就是根據(jù)這個(gè)指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)的。在通信系統(tǒng)的發(fā)射端通常需要有調(diào)制過(guò)程，將調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，使之轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)；而在接收端則需要有解調(diào)過(guò)程，以恢復(fù)原來(lái)有用的信號(hào)。調(diào)制解調(diào)方式常常決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。隨著數(shù)字化波形測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以使用數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)過(guò)程REF_Ref3344\r\h[6]。第1.2節(jié)研究現(xiàn)狀我們通常用FM（頻率調(diào)制：FrequencyModulation）來(lái)指一般的無(wú)線調(diào)頻廣播（在目前階段我國(guó)的頻率為87.5-108MHz）,事實(shí)上它也是一種短波調(diào)制的調(diào)頻方式，即便在一個(gè)短波頻率范圍內(nèi)的27-30MHz之間，作為業(yè)余民用廣播電臺(tái)、太空和其他各類人造衛(wèi)星通訊中應(yīng)用的波段，也都會(huì)盡量選擇這種調(diào)頻方式REF_Ref5477\r\h[7]REF_Ref5487\r\h[8]。最基本的是在FM載波系統(tǒng)中包括了兩個(gè)載波正弦不同頻率的可調(diào)曲線載波振蕩器，其中一個(gè)就是頻率穩(wěn)定不變的可調(diào)載波頻率振蕩器；另一個(gè)就是可以調(diào)節(jié)載波頻率的曲線振蕩器。目前，各種低音調(diào)頻俗稱是音頻調(diào)幅式的收音機(jī)，一般的正常情況下，我們都會(huì)考慮選擇超外差式接收機(jī)，它在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有音頻靈敏度高、工作穩(wěn)定、選擇性好及失真度小等一系列的重要優(yōu)點(diǎn)。使控制載波的信號(hào)頻率按照經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)頻率進(jìn)行相應(yīng)改變的調(diào)制調(diào)頻過(guò)程叫做控制調(diào)頻；已調(diào)波頻率變化的大小是由調(diào)制信號(hào)的大小所決定的，變化的周期由調(diào)制信號(hào)的頻率決定，已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻收音機(jī)是通過(guò)采用調(diào)頻載波方式傳播無(wú)線電信號(hào)的收音機(jī)，由于采用的波長(zhǎng)相對(duì)較短，因此傳輸?shù)男盘?hào)要比采用調(diào)幅方式傳輸信號(hào)的收音機(jī)要好很多，但因?yàn)槭嵌滩?，因此傳播的距離就比較短REF_Ref5487\r\h[8]。在超外差式接收機(jī)中，一般需要使用固定信號(hào)頻率下的中頻放大器。由于中頻是相對(duì)較低的固定頻率，對(duì)于調(diào)頻器件的性能要求低，容易實(shí)現(xiàn)達(dá)到較高的信號(hào)增益，選頻性的特點(diǎn)也比較優(yōu)越，從而不僅可以大大提高調(diào)頻收音機(jī)的信號(hào)靈敏度與好的選頻性。除此之外，需要一個(gè)電路將接收到的各個(gè)頻段范圍內(nèi)的高頻調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)固定頻率的中頻已調(diào)信號(hào)，能夠完成這種功能的電路就叫做變頻電路。為了產(chǎn)生變頻作用，變頻器中必須包含一個(gè)能產(chǎn)生本機(jī)振蕩的電路和一個(gè)能將接收信號(hào)與本機(jī)振蕩信號(hào)混頻的電路REF_Ref3344\r\h[6]。一般的簡(jiǎn)易收音機(jī)，產(chǎn)生本機(jī)振蕩和混頻的兩個(gè)任務(wù)，都由一個(gè)三極管完成。第1.3節(jié)選題意義超外差濾波接收器混頻是一種使用本地信號(hào)產(chǎn)生的射頻振蕩器與輸入信號(hào)混合并將輸入信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換成由余弦確定的頻率的方法。超外差的原理最早是由阿姆斯特朗于1918年提出的。這種接收方式主要目的是為了能適應(yīng)當(dāng)前傳統(tǒng)遠(yuǎn)程射頻通信對(duì)于高頻、弱頻等信號(hào)所需。外差方法是將一個(gè)音頻輸入信號(hào)按其頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換后成為一個(gè)新的音頻，超外差的方法是將另一個(gè)音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的超音頻，所以稱之為超外差REF_Ref5888\r\h[9]?；诔獠钤碓O(shè)計(jì)超外差接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是這種接收方式的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于高頻放大接收方式，因此可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程信號(hào)的接收，并使其擴(kuò)展到測(cè)量技術(shù)等方面?；A(chǔ)理論第2.1節(jié)MATLAB及超外差的簡(jiǎn)介2.1.1MATLABMATLAB語(yǔ)言是一種可以解釋式的執(zhí)行程序編寫語(yǔ)言，具備了強(qiáng)大的計(jì)算、仿真和繪圖等特點(diǎn)。MATLAB由一系列工具和軟件所組成，其中包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。MATLAB是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包括控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)REF_Ref2874\r\h[3]。2.1.2超外差超外差技術(shù)就是在目前傳統(tǒng)上的超外差音頻技術(shù)基礎(chǔ)上逐步創(chuàng)新發(fā)展壯大起來(lái)的，其目的主要是為了充分滿足遠(yuǎn)程音頻通信對(duì)于高頻，弱小的音頻信號(hào)圖像采集和音頻接收器的需要REF_Ref6097\r\h[10]。外差接收機(jī)與超外差接收機(jī)的區(qū)別在于：外差接收機(jī)是通過(guò)使用調(diào)諧器的射頻信號(hào)的方式直接應(yīng)用于前端射頻信號(hào)的后續(xù)處理，而超外差接收機(jī)主要是通過(guò)使用一系列集成技術(shù)，即一個(gè)混頻器電路，一個(gè)穩(wěn)定的本地振蕩器（LO：LocalOscillator）和一種具有一個(gè)固定濾波頻率的高帶寬增益和低通放大器來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的后續(xù)信號(hào)。整個(gè)設(shè)計(jì)模塊如圖2.1所示：圖2.1超外差設(shè)計(jì)模塊所謂超外差，是指所要接收到的信號(hào)在調(diào)諧信號(hào)里已經(jīng)調(diào)好以后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)信號(hào)自身的調(diào)諧作用，從而轉(zhuǎn)換成另外一個(gè)預(yù)先設(shè)置并確定好的信號(hào)頻率，最后再對(duì)其進(jìn)行一個(gè)超外差放大和檢波（在該設(shè)計(jì)中用到的是包絡(luò)檢波）。此外，這個(gè)頻率是由一個(gè)差頻所產(chǎn)生的。在超外差式調(diào)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)將其劃分為高頻放大、混頻、中頻放大、檢波、低頻放大五個(gè)組成部分，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須全面考慮，并處理一些相互牽制的矛盾，這樣才能使接收機(jī)有較好的指標(biāo)REF_Ref5888\r\h[9]。（在該設(shè)計(jì)中，我采用的是一個(gè)經(jīng)過(guò)混頻的高頻信號(hào)，因此在程序設(shè)計(jì)中就不再使其進(jìn)行混頻調(diào)制這一步驟）第2.2節(jié)FM的調(diào)制解調(diào)原理2.2.1工作原理如圖2.1（超外差設(shè)計(jì)模塊）所示，信號(hào)接收到一個(gè)高頻信號(hào)，經(jīng)輸入回路選頻為f1，經(jīng)過(guò)高頻放大后被轉(zhuǎn)換成混頻器，本地振蕩輸出另一高頻f2，之后轉(zhuǎn)化成混頻?；祛l器的輸出為含有f1,f2,(f1+f2),(f2-f1)等多個(gè)頻率分量的信號(hào)。經(jīng)過(guò)中頻放大后可以獲得足夠高的增益，然后通過(guò)檢波器檢出低頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)后，由低頻功放級(jí)放大REF_Ref3344\r\h[6]。由于信號(hào)在接收時(shí)會(huì)將信號(hào)中的高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻后轉(zhuǎn)換成為一個(gè)固定的中頻，再對(duì)其進(jìn)行放大，因此該接收機(jī)的靈敏度相對(duì)較高，選擇性相對(duì)較好，性能也比較穩(wěn)定。2.2.2FM調(diào)制原理頻率調(diào)制主要是通過(guò)利用載波的頻率變化去傳遞一個(gè)模擬信息，而幅度則保持一定的不變。也就是說(shuō)，載波信號(hào)的頻率隨著基帶調(diào)制器信號(hào)的頻率和幅度發(fā)生改變。當(dāng)一個(gè)調(diào)制器的信號(hào)在一定幅度內(nèi)增大或者減小時(shí)，載波的工作頻率也會(huì)隨之增大或者減小REF_Ref3344\r\h[6]。在FM中，F(xiàn)M信號(hào)的瞬時(shí)頻偏與調(diào)制信號(hào)m(t)的頻率成正比。因此FM的信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式定義為REF_Ref3344\r\h[6]：（2-1）表達(dá)式2-1中：A為載波的恒定振幅；為信號(hào)的瞬時(shí)相位，記作；為相對(duì)于載波相位的瞬時(shí)相位偏移；是信號(hào)的瞬時(shí)角頻率，記作；則稱為相對(duì)于載頻的瞬時(shí)頻偏。頻率調(diào)制，是指瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)成比例變化，即表達(dá)式為：（2-2）表達(dá)式2-2中：為調(diào)頻靈敏度（rad/(s.V）)。這時(shí)的相位偏移表達(dá)式為REF_Ref3344\r\h[6]：（2-3）因此，可由式2-3改寫成：（2-4）如果幅度頻率保持恒定不變，起始時(shí)的信號(hào)相位不變?yōu)?，而瞬時(shí)角頻率函數(shù)就是一個(gè)不變的調(diào)制信號(hào)的一個(gè)線性頻率函數(shù)，則這種調(diào)制方式就叫做頻率調(diào)制。即調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式如下REF_Ref3344\r\h[6]：（2-5）調(diào)頻信號(hào)為單余弦時(shí)，表達(dá)式如下：（2-6）當(dāng)對(duì)一個(gè)模擬載波調(diào)頻信號(hào)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)頻率模擬調(diào)制時(shí)，可以直接計(jì)算得到一個(gè)模擬調(diào)頻載波信號(hào)的調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式REF_Ref5888\r\h[9]，即（2-7）（2-8）上式中稱為調(diào)頻指數(shù)，即可記作（2-9）m(t)→FM→(2-10)m(t)→→PM→(2-11)(2-10)為直接調(diào)頻，（2-11）為間接調(diào)頻。按照高頻調(diào)制后的載波瞬時(shí)頻率相位偏移的最小幅值和頻率大小，可以把角頻率分為寬帶與窄帶兩種。寬帶與窄帶的區(qū)分并無(wú)嚴(yán)格的界限，但通常認(rèn)為調(diào)頻所引起的最大瞬時(shí)相位偏移遠(yuǎn)小于時(shí)REF_Ref6097\r\h[10]，即（2-12）稱為窄帶調(diào)頻。否則，稱為寬帶調(diào)頻。假設(shè)正弦載波的振幅A=1，則調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式為：（2-13）調(diào)制主要是把一種信號(hào)的形式變換成一種適合在各個(gè)信道中進(jìn)行傳輸?shù)囊环N信息過(guò)程，調(diào)制主要可以分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也被稱為載波調(diào)制），調(diào)制在通信系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位。一方面，通過(guò)調(diào)制技術(shù)可以把基帶信號(hào)的頻譜遷移到我們所期望的位置上去，從而使被調(diào)制的信號(hào)變化成一種適合于該信道的傳輸或便于信道進(jìn)行多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)。另一方面，通過(guò)這種調(diào)制技術(shù)可以大幅度地增強(qiáng)信號(hào)經(jīng)由信道進(jìn)行傳輸時(shí)的抗御干擾能力，同時(shí)，它還與其傳輸?shù)男视嘘P(guān)REF_Ref7920\r\h[11]。具體來(lái)講，不同的調(diào)制模式所產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)的帶寬各不相同，因此調(diào)制會(huì)直接影響傳輸帶寬的利用率。由此可見，調(diào)制的方式常常會(huì)決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能。大多數(shù)待傳輸?shù)男盘?hào)具有較低的頻率成分，即為基帶信號(hào)。若將一段位于基帶的射頻信號(hào)直接向上進(jìn)行信號(hào)傳輸，即為一段基帶的信號(hào)傳輸。但是，很多放在基帶上的信道信號(hào)并非特別適合在基帶信號(hào)中進(jìn)行傳輸，又或者說(shuō)，如果一個(gè)新的基帶信號(hào)在該信道中傳輸，便很有可能會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)信號(hào)產(chǎn)生很大的頻率衰減和信號(hào)失真。因此，需要把一個(gè)新的基帶載波信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)載波信道進(jìn)行調(diào)制，變換后生成一個(gè)適合于信道傳輸?shù)男问?。調(diào)制是讓基帶信號(hào)m（t）去控制載波的某些參數(shù)，使該參數(shù)按照信號(hào)m（t）的規(guī)律變化的過(guò)程REF_Ref7998\r\h[12]。載波可以是一個(gè)正弦波，也可以是一個(gè)脈沖序列，以一個(gè)稱為正弦波的信號(hào)作為載波的脈沖調(diào)制方式叫連續(xù)波（CW:ContinuousWave）脈沖調(diào)制。2.2.3FM解調(diào)原理調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)也可以分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)（即，包絡(luò)檢波）。相干解調(diào)只能廣泛適用于處理NBFM（窄帶調(diào)頻：NarrowBandFrequencyModulation）信號(hào)，而非相干解調(diào)對(duì)NBFM信號(hào)和WBFM（寬帶調(diào)頻：WideBandFrequencyModulation）信號(hào)均適用REF_Ref8093\r\h[13]。在該設(shè)計(jì)過(guò)程中，我所需要采用的解調(diào)方式為非相干解調(diào)，也就是包絡(luò)檢波。包絡(luò)檢波器通常由一個(gè)半波或者一個(gè)全波整流器和低通濾波器兩個(gè)部分組成，它屬于非相干解調(diào)，因此不必再考慮需要一個(gè)相干的解調(diào)載波。在無(wú)線廣播接收機(jī)中會(huì)多次采用此方法。（1）非相干解調(diào)最簡(jiǎn)單的解調(diào)器是鑒頻器，理想的鑒頻器可以被看成是由一個(gè)微分器和一個(gè)低通包絡(luò)檢波器直接組成的一個(gè)級(jí)聯(lián)，帶通濾波器的作用是為了能夠讓調(diào)頻信號(hào)順利地進(jìn)行通過(guò)，同時(shí)我們還要注意濾除一些用于帶外的調(diào)頻噪聲和一些用于高次調(diào)頻諧波的噪聲分量。由于調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率與調(diào)制信號(hào)的幅度呈正比，因而調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)器必須能產(chǎn)生正比于輸入頻率的輸出電壓，設(shè)輸入調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式如下REF_Ref5888\r\h[9]：（2-14）圖2.2調(diào)頻信號(hào)的非相干解調(diào)微分器的作用就是將一個(gè)幅度恒定的調(diào)頻波轉(zhuǎn)換成一個(gè)幅度和頻率均可以隨著原始信號(hào)m（t）而發(fā)生變化的調(diào)幅調(diào)頻。即微分器的輸出為REF_Ref3344\r\h[6]：（2-15）微分器的輸出是一個(gè)調(diào)幅調(diào)頻的信號(hào)，如果只取其中一個(gè)包絡(luò)信息，則與調(diào)制信號(hào)f（t）呈正比，除去濾波后，包絡(luò)檢波的輸出表達(dá)式為REF_Ref3344\r\h[6]：（2-16）稱為鑒頻靈敏度（V/Hz），是已調(diào)信號(hào)單位頻偏對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)的幅度，經(jīng)低通濾波器后加隔直流電容，割除了無(wú)用的直流，從而該表達(dá)式為：（2-17）上述的解調(diào)方式就稱為包絡(luò)檢波，不過(guò)還有一個(gè)缺點(diǎn)是：包絡(luò)檢波器對(duì)于信道中產(chǎn)生的噪聲和其他原因?qū)е乱鸬念l率幅度發(fā)生起伏也會(huì)對(duì)此有所響應(yīng)，因此我們?cè)陂_始使用微分器之前需要添加一個(gè)限幅器或者一個(gè)帶通濾波器。由此可以看出，包絡(luò)檢波器就是直接從已調(diào)波的幅度中提取原調(diào)制信號(hào)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且解調(diào)輸出是相干解調(diào)輸出的兩倍REF_Ref3344\r\h[6]。相干解調(diào)圖2.3窄帶調(diào)頻信號(hào)的相干解調(diào)由于窄帶信號(hào)可分解為同相分量和正交分量之和，從而我們就完全可以直接通過(guò)采取線性調(diào)制中的相干解調(diào)的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行相干解調(diào)。圖3中帶通濾波器用來(lái)限制信道所引入的噪聲，但調(diào)制信號(hào)應(yīng)該能正常通過(guò)。圖中所示的相干解調(diào)器的輸出與調(diào)制信號(hào)f（t）呈正比,相干解調(diào)法僅在高頻窄帶信號(hào)調(diào)頻中廣泛使用REF_Ref3344\r\h[6]。2.2.4調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能（1）高斯白噪聲信道特性設(shè)一個(gè)正弦波經(jīng)過(guò)高斯白噪聲信道后的一個(gè)信號(hào)表達(dá)式為：（2-18）其中，白噪聲n(t)的取值的概率分布服從高斯分布。采用了MATLAB本身所使用自帶的一個(gè)專用標(biāo)準(zhǔn)高斯白噪聲函數(shù)為awgn，再加上調(diào)頻信號(hào)就可以得到加噪聲的信號(hào)。正弦波通過(guò)加性高斯白噪聲信道后的信號(hào)的表達(dá)式為REF_Ref5888\r\h[9]：（2-19）有用信號(hào)功率的表達(dá)式為REF_Ref3344\r\h[6]：（2-20）噪聲功率的表達(dá)式為：（2-21）信噪比S/N滿足其公式為：（2-22）上式中：A為載波的振幅，為調(diào)頻信號(hào)的帶寬，即帶通濾波器（BPF：Band-passFilter）的帶寬。（2）調(diào)頻系統(tǒng)抗噪聲性能調(diào)頻系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型如下圖所示：圖2.4調(diào)頻系統(tǒng)抗噪聲性能分析模型上圖中，帶通濾波器的主要作用是用來(lái)抑制帶寬信號(hào)以外的噪聲，n(t)指的是一個(gè)頻率均值為0，即單邊功率譜密度為的的高斯白噪聲，經(jīng)過(guò)帶通濾波器之后變成一個(gè)窄帶的高斯白噪聲即(t)。而限幅器的作用是為了消除接收信號(hào)在幅度上可能會(huì)出現(xiàn)的畸變REF_Ref9379\r\h[14]。在一個(gè)較大頻率信噪比的高頻條件下，信號(hào)和系統(tǒng)噪聲之間的頻率交換和相互作用這個(gè)問(wèn)題我們完全可以忽略不計(jì)，我們就是通過(guò)將高頻信號(hào)和系統(tǒng)噪聲之間分開來(lái)計(jì)算。因此我們可以通過(guò)調(diào)制解調(diào)器中輸入端的信號(hào)給調(diào)制解調(diào)器信號(hào)輸出一個(gè)信噪比，其表達(dá)式為：（2-23）其中：A為載波的振幅，為調(diào)頻器靈敏度，為調(diào)制信號(hào)m(t)的最高頻率，為噪聲單邊功率譜密度。解調(diào)器的制度增益表達(dá)式為：（2-24）信號(hào)帶寬表達(dá)式為：（2-25）即可以得到：（2-26）從以上表達(dá)式中我們可知，大信噪比時(shí)的帶寬調(diào)頻系統(tǒng)的信噪比增益是比較高的，它與調(diào)頻指數(shù)的立方呈一個(gè)正比的關(guān)系。由此可以看出，只要我們加大調(diào)頻指數(shù)，就可以讓調(diào)頻器和控制單元的抗噪聲性能得到改善。調(diào)頻的仿真實(shí)現(xiàn)與分析第3.1節(jié)仿真實(shí)現(xiàn)3.1.1FM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)調(diào)頻主要可以分兩種工作方式：直接調(diào)頻或者間接調(diào)頻。調(diào)頻是用調(diào)制信號(hào)控制載波的頻率變化。直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)直接去控制載波振蕩器的頻率，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性的變化。振蕩頻率可由外部電壓控制的振蕩器叫做壓控振蕩器。每個(gè)壓控振蕩器本身就是一個(gè)調(diào)頻調(diào)制器，因?yàn)樗恼袷庮l率與輸入控制電壓呈正比，即表達(dá)式為REF_Ref5888\r\h[9]：（3-1）在該程序設(shè)計(jì)中，采用了直接調(diào)頻的方法來(lái)控制調(diào)諧器，利用MATLAB直接獲取調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式。并要求繪出調(diào)制信號(hào)m(t)的時(shí)域和頻域的波形曲線，從而我們就可以根據(jù)表達(dá)式m(t)利用函數(shù)畫出時(shí)域波形，再將m(t)進(jìn)行傅立葉變換得到M(f)，根據(jù)表達(dá)式M(f)利用這個(gè)函數(shù)畫出頻域波形。要求我們得到一個(gè)調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域和頻域的波形曲線。我們根據(jù)調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式REF_Ref3344\r\h[6]：（3-2）由綜上所訴可知，想要求出調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式，我們必須要先求出(t)的積分，然后再求出調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式。之后再根據(jù)調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式利用plot函數(shù)畫出它的時(shí)域波形，最后再將調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行一個(gè)傅里葉變換，然后利用plot函數(shù)畫出一個(gè)頻率波形。參數(shù)設(shè)置：=8000；=1000；是對(duì)信號(hào)頻率參數(shù)的基本設(shè)置，采樣頻率為8000Hz，載波頻率為1000Hz，通常在此參數(shù)設(shè)置中遵循一個(gè)規(guī)律，即≥，而8000Hz與1000Hz的選擇也正是遵循了此規(guī)律。已調(diào)信號(hào)（無(wú)噪聲條件下）的時(shí)域圖如圖3.1所示：圖3.1已調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形圖原始信號(hào)的輸入：X=sin(2*pi*1000*t);此語(yǔ)句是對(duì)原始信號(hào)的一個(gè)設(shè)定，在該表達(dá)式中可以看出信號(hào)是一個(gè)頻率為1000Hz的正弦信號(hào)；橫坐標(biāo)為t(s),縱坐標(biāo)為x。用語(yǔ)句title(‘調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖’)設(shè)置標(biāo)題為調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖；語(yǔ)句axis([-infinf-55])；設(shè)置橫縱坐標(biāo)的取值范圍分別為[01.5][-55]。3.1.2FM解調(diào)的實(shí)現(xiàn)解調(diào)主要由兩種方式：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（即包絡(luò)檢波）。在此次設(shè)計(jì)中，我用到的是非相干解調(diào)。在該設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求畫出一個(gè)解調(diào)信號(hào)在時(shí)域及頻域上的曲線。由于非相干解調(diào)均可以適用于NBFM（窄帶調(diào)頻：NarrowBandFrequencyModulation）信號(hào)和WBFMWBFM（寬帶調(diào)頻：WideBandFrequencyModulation）信號(hào)，但相干解調(diào)只能用于NBFM信號(hào)，根據(jù)設(shè)計(jì)所需求，我采用的是非相干解調(diào)方法。解調(diào)器的輸出表達(dá)式為：。根據(jù)輸出表達(dá)式y(tǒng)(t)可以利用plot函數(shù)畫出時(shí)域波形，再將y(t)也進(jìn)行一個(gè)傅里葉變換，最后再次利用plot函數(shù)畫出它的頻域波形。（1）無(wú)噪聲條件下解調(diào)信號(hào)的時(shí)域曲線由于非相干解調(diào)對(duì)NBFM信號(hào)和WBFM信號(hào)均可以適用，所以我采用非相干解調(diào)的方法。即時(shí)域仿真圖如圖3.2所示：圖3.2無(wú)噪聲解調(diào)時(shí)域波形圖圖3.3無(wú)噪聲解調(diào)時(shí)域波形圖在該步驟中，我采用了demod函數(shù)進(jìn)行了一個(gè)解調(diào)，其作用是為了與公式解調(diào)出的波形有一個(gè)對(duì)比，即波形如圖3.3所示。橫坐標(biāo)為t(s),縱坐標(biāo)為x。用語(yǔ)句title(‘調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖’)設(shè)置標(biāo)題為調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖；語(yǔ)句axis([-infinf-55])；設(shè)置橫縱坐標(biāo)的取值范圍分別為[01.5][-55]。（2）在輸入信噪比的情況下，解調(diào)器輸入的信號(hào)為：（3-3）及信噪比為：（3-4）上式中，B為噪聲帶寬，為單邊帶功率譜密度。FM（調(diào)頻）信號(hào)解調(diào)器增益：（3-5）在該過(guò)程用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行噪聲疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)加入噪聲，除此之外也可以改變其信噪比，從而實(shí)現(xiàn)大小噪聲的變換，最后進(jìn)行大噪聲和小噪聲對(duì)解調(diào)的不同影響的一個(gè)分析。由于噪聲對(duì)相位有影響，又經(jīng)過(guò)鑒頻器的非線性作用，因此只考慮兩種情況，即大信噪比和小信噪比的輸入和調(diào)制增益。圖3.2無(wú)噪聲解調(diào)時(shí)域波形圖從調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形中可以看出，調(diào)頻信號(hào)的頻率隨著調(diào)制信號(hào)所變化而變化，從而產(chǎn)生頻偏，成為一個(gè)疏密波形。調(diào)制信號(hào)電平最高處對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)正頻偏最大，也使得波形最密；在調(diào)制信號(hào)電平最低處對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻偏最小時(shí)，波形卻是最疏；因此，我們可以得知瞬時(shí)正頻偏與波形疏密呈一個(gè)反比的關(guān)系。除此之外，在沒(méi)有任何噪聲干擾的情況下，解調(diào)得到的波形與原調(diào)制信號(hào)波形一樣，只是幅度有所區(qū)別。（3）用y=modulate(x,,,’’),語(yǔ)句對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后加入500dB的小信噪比高斯白噪聲之后的調(diào)頻、解調(diào)時(shí)域仿真圖如圖3.4所示：圖3.4小信噪比解調(diào)時(shí)域波形圖加入1500dB的大信噪比高斯白噪聲之后的調(diào)頻、解調(diào)時(shí)域仿真圖如圖3.5所示：圖3.5大信噪比解調(diào)時(shí)域波形圖圖3.2（無(wú)噪聲解調(diào)時(shí)域波形圖）和圖3.4（小信噪比解調(diào)時(shí)域波形圖）、圖3.5（大信噪比解調(diào)時(shí)域波形圖）相比較，可以看出，加入噪聲的波形失真更嚴(yán)重，由此說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)的解調(diào)有影響。盡管波形失真，但波形和頻譜圖大致和原始波形相差不大。所以可以得出，F(xiàn)M具有很強(qiáng)的抗噪能力。即，越大，調(diào)制增益G就越大，占用帶寬也就越寬，從而表示調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪聲性能越好。原調(diào)制信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)、解調(diào)信號(hào)的頻譜圖在該過(guò)程中，對(duì)FM調(diào)制前后的各個(gè)時(shí)域波形采用FFT函數(shù)對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，再通過(guò)利用傅里葉變換分別計(jì)算得到調(diào)制信號(hào)調(diào)制之后的FM信號(hào)以及解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真圖，最后再通過(guò)利用plot函數(shù)畫出我們所需要的各個(gè)波形。頻譜仿真圖如圖3.6所示：圖3.6調(diào)制信號(hào)的頻譜圖刪除原有的模擬調(diào)制信號(hào)，加入500dB小信噪比高斯白噪聲后的調(diào)頻、解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真圖如圖3.7所示：圖3.7小信噪比解調(diào)頻譜圖加入1500dB大信噪比高斯白噪聲的調(diào)頻、解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真圖如圖3.8所示：圖3.8大信噪比解調(diào)頻譜圖從上述的頻譜圖中可以看出，調(diào)頻信號(hào)的頻譜主要是有載頻和很多的上下變頻兩部分組成，這個(gè)過(guò)程就是一個(gè)非線性頻率變換的過(guò)程。但從這個(gè)頻譜圖中可以清楚的看出還是具有較大振幅的頻率分量存在于載頻附近，而且使得上下變頻在振幅上是對(duì)稱的。第3.2節(jié)結(jié)果分析在加入噪聲之后，出現(xiàn)了以下的情況：（1）當(dāng)在調(diào)頻信號(hào)中加入小信噪比高斯噪聲之后，調(diào)頻信號(hào)并不是很光滑，解調(diào)后輸出的信號(hào)波形也就出現(xiàn)了低噪聲或失真的情況；（2）當(dāng)加入大信噪比高斯白噪聲后，噪聲干擾相對(duì)比較小，調(diào)頻信號(hào)波形比較光滑，但也會(huì)發(fā)生一定的失真，不過(guò)這個(gè)波形和原來(lái)的調(diào)制信噪比波形差不多，因此大信噪比時(shí)的寬帶信噪比增益是比較高的，而且還和調(diào)頻指數(shù)的立方呈一個(gè)正比的關(guān)系。FM（調(diào)頻）調(diào)制與幅度調(diào)制相比較，最大的優(yōu)勢(shì)在于FM（調(diào)頻）調(diào)制具有更好的的抗噪聲和穩(wěn)定性能，但在獲得這種優(yōu)勢(shì)的前提下是角度調(diào)制要比幅度調(diào)制所占用的帶寬要更寬。FM（調(diào)頻）波的幅度恒定不變，這就使得它對(duì)非線性器件不太敏感，從而給FM（調(diào)頻）波帶來(lái)了抗快衰落的能力，但也可以利用自動(dòng)增益和帶通限幅消除快衰落造成的幅度變化效應(yīng)?？偨Y(jié)與展望第4.1節(jié)總結(jié)在本次論文設(shè)計(jì)中，我做的課題是超外差式調(diào)頻接收機(jī)仿真系統(tǒng)。由于自身對(duì)FM（調(diào)頻）和MATLAB編程學(xué)的不是很好，也沒(méi)有深入的了解過(guò)FM，所以對(duì)于我來(lái)說(shuō)，從一開始是比較困難的，也使得我在編程過(guò)程中更加艱難。在老師和同學(xué)的幫助下，我自己逐步對(duì)課題有了一定的了解，最后并完成了該課題設(shè)計(jì)。在這次論文設(shè)計(jì)中，我使用MATLAB對(duì)FM（頻率調(diào)制：FrequencyModulation）系統(tǒng)進(jìn)行了仿真及分析，使我對(duì)模擬調(diào)制有了更進(jìn)一步的認(rèn)知，也對(duì)MATLAB有了一定的了解，熟悉了它的一些操作。通過(guò)理論分析，從仿真波形中可以看出，在FM調(diào)制系統(tǒng)中存在一定的噪聲干擾，并會(huì)影響調(diào)制系統(tǒng)的性能，即存在一定的失真。由此可知，波形失真與信噪比相關(guān)，當(dāng)信噪比提高時(shí)，性能就越好。另外一點(diǎn)就是我在進(jìn)行軟件編程時(shí)，由于我自己對(duì)MATLAB中的函數(shù)基本理解不到位，從而造成我在利用demod函數(shù)時(shí)不知道如何運(yùn)用，在通過(guò)自己不斷的調(diào)試并逐步學(xué)會(huì)了怎么去運(yùn)用。在進(jìn)行公式解調(diào)時(shí)，因?yàn)椴惶煜ず土私夤浇庹{(diào)，所以一直做不出仿真結(jié)果，修改了好幾次都不對(duì)；在我能夠做到從時(shí)域變換為頻域變化步驟時(shí)，不知道該如何運(yùn)用代碼來(lái)表示傅里葉變換，最后都是在老師的指導(dǎo)下順利的完成了課題。第4.2節(jié)課題展望接收機(jī)的輸入信號(hào)往往十分微弱，而檢波器需要有足夠大的輸入信號(hào)才能工作，因此需要足夠大的高頻增益才能把輸入信號(hào)放大。即，超外差電路比較復(fù)雜，同時(shí)也會(huì)存在一些干擾。例如，像頻干擾或者中頻干擾，從而導(dǎo)致此次波形有失真現(xiàn)象。由于此次我所采用的是一個(gè)經(jīng)過(guò)混頻之后的信號(hào)來(lái)進(jìn)行仿真，從而使我在課題中缺失了自己所做的混頻這一步驟；同樣，在帶通濾波的過(guò)程中，我運(yùn)用了包絡(luò)檢波，所以依然沒(méi)有自己運(yùn)用濾波器做出一個(gè)仿真結(jié)果。在之后，如果還能再做一次類似的課題設(shè)計(jì)，我一定要自己做出混頻和濾波的步驟，從而進(jìn)行一個(gè)完整的仿真。參考文獻(xiàn)張輝,曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2002.李進(jìn)良.移動(dòng)通信100年.移動(dòng)通信（在線期刊），移動(dòng)通信國(guó)