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基于System ViewFM系统设计

学生姓名： 指导老师：

摘 要 调频（Frequency Modulation，缩写：FM）是一个以载波瞬时频率改变来表示信息调变方法。在模拟应用中，载波频率跟随输入信号幅度直接成等百分比改变。调频技术通常利用在高频段VHF无线电上高保真无线电音乐和语音传送。本课程设计关键是实现模拟信号调频过程，同时对已调信号加以解调。设计经过System View软件实现系统设计和仿真，最终仿真效果和理论分析一致。

关键词 调频；解调；设计和仿真；System View

1引言
信号调制本质是频谱搬移，把携带基带信号频谱搬移到较高频带上，适于信道传输。模拟信号调频（FM），即已调信号瞬时角频率受基带信号控制而改变调制过程，调频信号瞬时频率和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线性搬移，而会产生和频谱搬移不一样新频率成份，故又称为非线性调制。本课程设关键是设计一个模拟信号调频和相干解调系统传输过程，同时利用System View加以实现和仿真。

1.1 课程设计目标
首先要深入了解模拟信号调频和解调原理，同时掌握System View平台使用，然后设计模拟系统传输过程并仿真，观察调制信号和解调信号波形，和已调信号和调频信号频谱改变，最终加入噪声，分析系统抗噪声性能。
1.2 课程设计要求
设计平台为System View集成环境。
在System View下构建调制解调电路，运行仿真后，观察解调信号和调制信号波形并分析，要求解调后波形和调制波形基础一致。同时观察调制前后信号频谱改变并分析，要求符合调频信号频谱非线性搬移特征。
在调制解调电路上加入噪声源（高斯白噪声）后，观察解调信号失真情况并加以分析，要求系统在一定范围内含有良好抗噪声性能。
独立完成全部设计。

2 设计原理

2.1 调频信号产生——直接调频法

信息源

发送设备

信道

接收设备

受信者

噪声源
通信系统通常模型

调频就是用调制信号控制载波频率改变[1]。
所谓频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随限制信号吗m(t)成百分比改变，即

调频信号瞬时角频率能够表示为：
①
其中为载波角频率，为调制信号，为频偏常数（调制常数），表示调频器调制灵敏度，此时调频信号相位为：

将上式代入①得调频信号为：

调频信号产生这里关键介绍了直接调频法。
直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器频率，使其按调制信号规律线性地改变。
能够由外部电压控制振荡器频率叫做压控振荡器（VCO）。每个压控振荡器本身就是一个FM调制器，因为它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，图2.1：

图2.1 调频器

若被控制振荡器是LC振荡器，则只需控制振荡回路某个电抗元件（L或C），使其参数随调制信号改变。现在常见电抗元件是变容二极管。用变容二极管实现直接调频，因为电路简单，性能良好，已成为现在最广泛采取调频电路之一。
在直接调频法中，振荡器和调制器合二为一。这种方法关键优点是在实现线性调频要求下，能够取得较大频偏；其关键缺点是频率稳定度不高。
2.2调频信号解调——相干解调
因为调频信号能够分解成同相分量和正交分量之和，所以能够采取线性调制中相干解调法来进行解调，图2.2：

图2.2 FM信号相干解调

依据公式能够设调频信号

并设相干载波

则相乘器输出为

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，相干解调能够恢复原调制信号。这种解调方法需要当地载波和调制载波同时，不然将使解调信号失真。

3设计步骤

3.1 设计模拟调频和解调系统
利用System View设计窗口，绘制出模拟信号调频和解调系统步骤。因为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。仿真多种系统运行时，先对信号以系统频率进行采样，然后根据系统对信号处理计算各个采样点值，最终在输出时，在观察窗内，按要求画出各个点值或拟合曲线。
此次系统时间设置为：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中实现图3.1：

图3.1 时间设置
设置系统时间以后，就利用设计窗口绘制模拟信号调频和解调System View模型，设计参数以下：
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中提供调频器实现了系统调频过程，相当于原理中直接调频法中压控振荡器。
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经过，同时滤除带外噪声及高次谐波分量。
图标3：乘法器，将已调信号和相干载波相乘。
图标4：相干载波源，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，再经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，经过低通滤波器，取出相乘器输出信号低频分量。
图标7：微分器，增益为1，信号低频分量经过微分器，即可得到解调信号。
图标8，9，10：信号接收器
图标11：延时器，延时0.06s，对调制信号延时，关键是使仿真后调制波形和解调波形吻合，即信号波形重合，起始端靠近。
上述全部参数如表3-1所表示：
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
0
Source：Sinusoid
Amp=1v，Freq=10Hz，Phase=0deg
1
Function：FM
Amp=1v，Freq=100Hz，Mod Gain=50
2
Operator：Linear Sys Filters
Chebyshev Bandpass，5Poles，Low Cuttoff=80，High Cuttoff=120
3
Multiplier

4
Source：Sinusoid
Amp=0.05v，Freq=100Hz，Phase=0deg
5
Negate

6
Operator：Linear Sys
Filters
Chebyshev Lowpass IIR，5Poles，
Low Cuttoff =25Hz
7
Derivative
Gain=1
8
Sink：Analysis

9
Sink：Analysis

图符编号
库、图符名称
参数
10
Sink：Analysis

11
Delay
Delay=0.06s
总而言之， 设计系统首先经过信号源（图标0），提供调制信号，然后信号经过调频器（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）滤除调频信号中外带噪声和高次谐波分量，然后加入一个相干载波和调频信号相乘。相干载波由信号源（图标4）经过反相器（图标5）得到。相乘后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，图3.2所表示：

图3.2 模拟系统调频和解调System View模型

在设计系统模型中关键碰到了一下多个难点：
1.带通滤波器和低通滤波器参数设置碰到了障碍，最终经过分析调制信号和调频器参数，反复修改验证，得到了系统所需滤波器参数。
2.起初设计系统时没有考虑调制信号延时问题，仿真后，解调信号和调制信号波形频率振幅相等，不过画到一起吻合效果不显著，图3.3所表示：

图3.3 未加延时器是调制信号和解调波形
加入延时器后，这一问题得四处理，具体效果可参考下一小节调制波形和解调波形分析比较。

3.2调制信号、调频信号、解调信号波形分析
运行Systems View模拟信号调频和解调模型以后，能够得到图3.4 所表示调制信号和解调信号：

图3.4 加了延时调制信号和解调信号

由图3.4调制信号和解调信号效果图能够显著看出调制信号和解调信号基础重合，仅是起始端有些细微差异，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解调，从图中能够看出经过很短时间，相干解调系统就实现了对信号正确解调。所以能够证实系统设计是成功。
同时比较图3.3和图3.4能够显著看出系统对调制信号加入延时器后效果，能够愈加直观地看清调制信号和解调信号关系，便于分析。
经过System View分析窗口中“Sink　Calcutor”也就是接收计算器能够计算出调制信号频谱和调频信号频谱，计算结果图3.5和图3.6：

图3.5 调制信号频谱

图3.6 调频信号频谱

比较调制信号和调频信号频谱能够显著看出调频信号相对于调制信号频谱扩展了，这能够充足证实调频是非线性调制，正如调频原理所述，调制信号频谱不是原调制信号线性搬移，而是频谱非线性变换，会产生和频谱搬移不一样新频率部分，故又称为非线性调制。
同时从调频信号时域波形（图3.7）能够显著看出，调制信号频率显著增高， 这完全符合引言中对于调制本质描述，调制本质就是把携带基带信号频谱搬移到较高频带上。

图3.7 调制信号时域波形

总而言之，此次设计模拟调频和相干解调系统实现了信号调制和解调过程，仿真波形和频谱也符合原理描述。
3.3 系统抗噪声性能
加入噪声后，系统System View模型图3.7所表示：

图3.7 加入噪声后系统System View模型
因为加性噪声被认为只对已调信号接收产生影响，所以通信系统抗噪声性能能够经过解调系统抗噪声性能来衡量。
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，经过加法器（图符12），加入系统中。
系统加入噪声后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所表示：
表3-2 系统加入噪声后补充图符设置
图符编号
图符名称
参数
12
Adder

13
Gauss Noise
STD Deviation=（1、0.5、0.2、0.1）v

再次运行系统能够得到解调波形，图3.8所表示：

图3.8 高斯白噪声为1v时解调波形

由此解调波形可知，加入噪声后解调波形严重失真， 为了处理失真严重问题，能够尝试改变高斯白噪声幅值，减小噪声。
第一次将1v方差降到了0.5v，从图3.9能够显著看出解调信号失真情况得到了缓解，即使还不是很理想，不过能够证实减小噪声幅值，能够减小失真，所以能够继续尝试，得到理想解调波形。
第二次将幅值降到了0.2v，图3.10，失真相对于0.5v幅值又有了一定程度减小。
第三次将幅值降到了0.1v，图3.11，失真就比较小了。
由上述过程能够看出系统在加入高斯白噪声幅值小于0.2v时抗噪声性能良好。

图3.9 高斯白噪声为0.5v时解调波形

图3.10 高斯白噪声为0.2v时解调波形

图3.11 高斯白噪声为0.1v时解调波形

4出现问题及处理方法

4.1设计中出现问题
（1）设计初，不熟悉此次设计设计平台System View使用。
（2）设计初，对于FM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）在利用System View设计系统模型时，运行出来波形不是很理想。
4.2处理方法
（1）仔细研读老师法给我们辅助教材，上网查询并下载了电子版本System View教程，同时请教班上已经对此软件熟悉同学，最终基础能独立利用此软件设计实现设计系统。
（2）深入了解通信原理书本，并研读部分通信原理方面辅助材料，加深了对模拟信号调频原理了解。并对FM调制有了更深一步了解。
（3）调频信号解调有相干解调和非相干解调两种解调方法，因为相干解调同时信号限制，故应用范围较小，实际中通常采取非相干解调，而且非相干解调抗噪声性能很好。起初计划选择非相干解调，不过鉴频器设计碰到了阻碍，微分器和包络检波器设计一直无法达成理想要求，最终尝试了相干解调法，解调波形满足设计要求。
（4）1.系统解调波形和调制信号不能很好吻合，不能显著地看出解调效果，加入一个延迟器，处理了这一问题。
2.加入噪声后，解调波形失真比较严重，反复减小加入噪声幅值，失真情况得到了缓解。
3．最初计划用眼图来检验系统抗噪声性能，因为调整开始时间和时间宽度比较难，且FM不太适适用眼图检验，故采取调制波和解调波叠加比较，能清楚看到抗噪声性能好坏。

5结束语

经过一个多星期准备和学习，直到今天论文结束，我感慨颇深。
从看到课程设计题目标第一天，脑袋里只有部分零碎模拟调频概念，到上网查询，翻阅书籍，请教同学，请教老师，一步一步，我完成了自己课题。
经过这次设计，我再一次深刻体会到‘世上无难事，只怕有心人’。刚刚看到课题那一刻，我真找不到一点头绪，对于设计系统原理只是一知半解，对于我们要使用System View完全不熟悉。于是我首先开始上网查询部分有于System View资料，下了部分System View实例教程，其次仔细研读了老师发给我们仿真手册，请教班上已经先我一步熟悉System View平台同学，而且一起钻研，慢慢对软件平台有了一定了解。系统原理深入了解则是经过再次熟悉专业课（通信原理）中对FM介绍和查阅相关书籍。开始疑问经过多种路径一一得到了处理。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。
完成整个设计过程也让我体会到理论得出需要不停地去尝试，去探索，这是一个繁琐过程，不过在得到理想结果那一刻之前一切勤劳全部显得那么有价值，只要坚持不懈，一定会有享受结果那一天。
这次课程设计还让我认识到，我们无时无刻全部能学习到我们想要了解知识，课堂并不是我们唯一能获取知识地方。我们还能经过多种渠道学习知识，增加见识。当今这个飞速发展社会，需要是就是能无时无刻升华自己人才。这次设计在很大程度上提升了我自学能力，以后我还会不停地培养，提升自己这方面能力。
在此，我还要感谢指导老师耐心栽培，没有老师一次次指导，我也不可能这么快完成我课题。

参考文件
[1] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理.第6版. 北京：国防工业出版社，-3
[2] 孙屹，戴研峰. System View通信仿真开发手册. 国防工业出版社 -11
[3] 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教程和实例.OpenHW网站. // ：
[5] 罗伟雄，韩立，原东昌. 通信原理和电路. 北京：北京理工大学出版社，1999
[6] CSDN上System View教程