1、调频波的调制与解调
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频率调制解调实验李祖明 131180016一、实验目的1.熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统; 2.掌握用变容二极管调频振荡器实现FM 的方法; 3.理解静态调制特性、动态调制特性概念和测试方法。
4.了解调频波产生和解调的全过程以及整机调试方法,建立起调频系统的初步概念; 5.了解斜率鉴频与相位鉴频器的工作原理;6.熟悉初、次级回路电容、耦合电容对于电容耦合回路相位鉴频器工作的影响。
二.实验内容1.用示波器观察调频器输出波形,考察各种因素对于调频器输出波形的影响; 2.变容二极管调频器静态调制特性测量; 3.变容二极管调频器动态调制特性测量。
4.调频-鉴频过程观察:用示波器观测调频器输入、输出波形,鉴频器输入、输出波形; 5.观察初级回路电容、次级回路电容、耦合电容变化对FM 波解调的影响。
三.实验原理频率调制工作原理: (1)调频及其数学表达式设调制信号为()cos m c u t U t ωΩΩ=Ω,载波信号为()cos c m c u t U t ω=。
调频时,载波高频振荡的瞬时频率随调制信号()u t Ω呈线性变化,其比例系数为f K ,即()()()c f c t K u t t ωωωωΩ=+=+∆,式中,c ω是载波角频率,也是调频信号的中心角频率。
()t ω∆是由调制信号()u t Ω所引起的角频率偏移,称频偏或频移。
()t ω∆与()u t Ω成正比,()()f t K u t ωΩ∆=。
()t ω∆的最大值称为最大频偏,用ω∆表示:max max ()()f t K u t ωωΩ∆=∆=单音频调制时,对于调频信号,它的()t ω为()cos cos c f m c t K U t t ωωωωΩ=+Ω=+∆Ω由此就得到调频信号的数学表达式,即有()cos (cos )cos(sin )m c m c u t U t dt U t t ωωωϕωϕ∆⎡⎤=+∆Ω+=+Ω+⎣⎦Ω⎰假定初相角0ϕ=,则得()cos(sin )m c u t U t t ωω∆=+ΩΩ式中,ω∆Ω叫调频波的调制指数,以符号f m 表示,即 f m ω∆=Ω它是最大频偏ω∆与调制信号角频率Ω之比。
通信系统中的调制与解调技术通信系统是现代社会中不可或缺的一部分,而调制与解调技术则是通信系统中至关重要的环节。
调制(Modulation)是将要传送的信号通过改变载波的某些特性来进行编码的过程,而解调(Demodulation)则是在接收端将调制后的信号还原为原始信号的过程。
本文将对通信系统中的调制与解调技术进行详细的探讨。
一、调制技术调制技术是将信息信号转换为与其调制的载波相适应的信号,以便在信道中传输。
常见的调制技术有以下几种:1.1. 幅度调制(AM)幅度调制是将信息信号的幅度变化与载波的幅度相对应的调制方式。
在幅度调制中,信号的幅度变化被编码到载波的振幅中,调制后的信号传输到接收端进行解调。
幅度调制简单、成本较低,广泛应用在AM广播和语音通信等领域。
1.2. 频率调制(FM)频率调制是将信息信号的频率变化与载波的频率相对应的调制方式。
在频率调制中,信号的频率变化被编码到载波的频率中,调制后的信号传输到接收端进行解调。
频率调制具有良好的抗干扰能力,广泛应用在调频广播和音频传输等领域。
1.3. 相位调制(PM)相位调制是将信息信号的相位变化与载波的相位相对应的调制方式。
在相位调制中,信号的相位变化被编码到载波的相位中,调制后的信号传输到接收端进行解调。
相位调制在数字通信和调制解调器等领域有着广泛的应用。
二、解调技术解调技术是在接收端将调制后的信号还原为原始信号的过程。
常见的解调技术有以下几种:2.1. 匹配滤波解调匹配滤波解调(Matched Filter Demodulation)是一种常见的解调技术,特点是在接收端使用滤波器来提取所需的信号。
该技术通过与已知信号进行相关,将输入信号与理想信号进行比较,从而识别和还原原始信息。
匹配滤波解调具有较好的信号还原能力和抗干扰能力。
2.2. 直接解调直接解调(Direct Demodulation)是一种简单直接的解调技术,适用于一些简单的调制方式。
调制与解调的概念1. 调制的概念调制是指将信息信号载体(如电磁波、光波等)的某种属性(如频率、振幅、相位等)随时间变化,使其携带上特定的信息。
调制技术是通信系统中广泛使用的一种技术,通过调制技术可以将原始信号转变成能够在传输介质中传输的信号,从而完成信息传输的过程。
在实际应用中,调制技术主要是指模拟调制和数字调制两种方式。
模拟调制是将模拟信号转化为模拟调制信号,如调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)等调制方式;数字调制是将数字信号转化为数字调制信号,如PSK调制、ASK调制、FSK调制、QAM调制等。
2. 解调的概念解调是指将调制信号中所携带的信息信号进行还原的过程,解调可以分为模拟解调和数字解调两种方式。
模拟解调是指将模拟调制信号还原成模拟信号的过程,例如将FM调制信号解调成音频信号;数字解调则是指将数字调制信号还原为数字信号的过程,例如将QPSK信号解调为二进制数字信号。
为了实现可靠的信息传输,解调技术对于通信系统来说是至关重要的一环。
很多解调技术都是针对特定调制方式的,例如对于相移键控调制(PSK)而言,其中的信息可以通过对相位的解调来还原成二进制数字信号。
3. 调制解调在通信中的应用调制解调技术是通信领域非常重要的一部分,目前在无线通信、有线通信、卫星通信、电视广播等领域广泛应用。
在无线通信中,调制技术主要用来将原始信号转化成高频信号,通过传输介质(如空气)的传输将信息传至接收端,而接收端需要经过解调过程,将这些高频信号还原成原始信号。
例如手机通信就是将人声音频信号转化为射频信号传输,再通过接收端将信号解调为原始语音信号。
在数字通信领域,调制解调技术也是广泛应用的。
例如在ADSL中,通过将数字信号调制成高频信号,然后通过电话线传输至接收端,最终将数字信号还原成原数据信号。
类似的,数字调制技术也被广泛运用在数字电视、卫星通信领域等。
总之,调制解调技术是通信领域中不可或缺的重要技术。
通过调制和解调技术,我们可以将信息信号转化成能够在传输介质中传输的信号,并且在接收端将其还原成原始信号,从而实现可靠的信息传输。
实验一、调频波的调制与解调一、实验内容1.调频波的调制2.调频波的解调二、实验目的和要求1.熟悉MATLAB系统的基本使用方法2.掌握调制原理和调频波的调制方法3.掌握解调原理和调频波的解调方法三、预习要求1.熟悉有关调频的调制和解调原理2.熟悉鉴频器解调的方法并了解锁相环解调四、实验设备(软、硬件)1.MATLAB软件通信工具箱,SIMULINK2.电脑五、实验注意事项通信仿真的过程可以分为仿真建模、实验和分析三个步骤。
应该注意的是,通信系统仿真是循环往复的发展过程。
也就是说,其中的三个步骤需要往复的执行几次之后,以仿真结果的成功与否判断仿真的结束。
六、实验原理1调频波的调制方法1.1 调制信号的产生产生调频信号有两种方法,直接调频法和间接调频法。
间接调频法就是可以通过调相间接实现调频的方法。
但电路较复杂,频移小,且寄生调幅较大,通常需多次倍频使频移增加。
对调频器的基本要求是调频频移大,调频特性好,寄生调幅小。
所以本实验中所用的方法为直接调频法。
通过一振荡器,使它的振荡f的正弦波;频率随输入电压变化。
当输入电压为零时,振荡器产生一频率为当输入基带信号的电压变化时,该振荡频率也作相应的变化。
1.2 调频波的调制原理与表达式此振荡器可通过VCO(压控振荡器)来实现。
压控振荡器是一个电压——频率转化装置,振荡频率随输入控制电压线性变化。
在实际应用中有限的线性控制范围体现了压控的控制特性。
同时,压控振荡器的输出反馈在鉴相器上,而鉴相器反应的是相位不是频率,而这是压控相位和角频率积分关系固有的,所以需要压控的积分作用,压控输出信号的频率随输入信号幅度的变化而变化,确切的说输出信号频率域输入信号幅度成正比,若输入信号幅度大于零,输出信号频率高于中心频率;若小于零,则输出信号频率低于中心频率。
从而产生所需的调频信号。
利用压控振荡器作为调频器产生调频信号,模型框图如图1所示:图1 利用压控振荡器作为调制器在本章的调频仿真中,用到的调制信号为单音正弦波信号。
因此,这里讨论调制信号为单频余弦波的情况。
在连续波的调制中,调制载波的表达式为()cos()C C t A t ωφ=+ (1)如果幅度不变,起始相位为零时,而瞬时角频率时调制信号的线性函数,则这种调制方式为频率调制。
此时瞬时角频率偏移为()FM K f t ω∆= (2)瞬时角频率为()C FM K f t ωω=+ (3)其中()f t 为调制信号,FM K 为频偏常数。
由于瞬时角频率与瞬时相位之间互为微分或积分关系,即()()C FM d t K f t dtφωω==+ ...........................(4) ()()C FM t dt t K f t dt φωω==+⎰⎰ (5)故调频信号可表达为()cos[()]FM C FM S t A t K f t dt ω=+⎰ (6)在本章的调频仿真中,用到的调制信号为单音正弦波信号。
因此,这里讨论调制信号为单频余弦波的情况。
调制信号为()cos m m f t A t ω= (7)如果进行频率调制,则由公式(6)可得调频信号表达式为(8)调制指数………………………………(9) 其中、取具体数值:采样频率fs=10000Hz振荡器的振荡频率(即调频波的调制信号的频率)实验要求800Hz ——17KHz初始相位信号灵敏度Kc=0.12 调频波的解调原理和解调方法解调主要方法:调频收音机的核心部件是调频解调器,其中调频解调器有三种:普通鉴频器、调频负反馈解调器和利用锁相环的调频解调器。
2.1普通鉴频器的原理图2 普通鉴频器原理框图 普通鉴频器是先将调频信号变换为调幅调频信号,使该调幅调频信号幅度与调频信号的瞬时频率成比例,然后再利用调幅解调器提取其包络,恢复出原基带信号。
2.2调频负反馈解调器原理]sin cos[)(S ϕωω++=t A K t A t m m FM c FM c fmK 2K π=c f πω2c =0=ϕ图3 调频负反馈解调框图在调频解调器中引入负反馈,使得加于鉴频器输入端的调频信号的调制指数很小,这样使得鉴频器前的带通滤波器的带宽是窄的,它对抑制鉴频前的加性噪声有益处。
带通滤波器输出的调频信号,其调制指数远远小于接收输入调频信号的调制指数,因此带通滤波器输出的调频信号是窄带调频信号,所以调频负反馈接收机的带通滤波器及鉴频器的带宽均是窄带,低通滤波器的限制于基带信号的带宽,输出即是所需的原基带信号。
调频负反馈解调器可降低门限信噪比大约3dB。
2.3利用锁相环作调频解调器原理图4 利用锁相环作调频解调器锁相环解调器一种低门限的解调电路,与调频负反馈不同之处在于该锁相环在锁定时,VCO输出的调频信号与接收输入的调频信号是同频且几乎是同相的,两者的相位差甚小。
环路滤波器频率相应的带宽与基带信号的带宽相同,因而对在环路滤波器输出端的噪声也进行了限带,而VCO的输出是宽带调频信号,它的瞬时频率跟随接收频率信号的瞬时频率而变。
2.4 利用锁相环解调器解调调频信号原理:在锁相环中,PFD鉴相器检测参考信号与反馈信号之间的误差信号,是一个具有抽样性质的电路。
当PFD(鉴相器)检测到两个信号均有一次下降沿是,PFD(鉴相器)输出一次相位误差,随后相位误差被送到低通滤波器,低通滤波器滤除其中的高频信号,计算出控制信号送入压控震荡器,压控根据控制信号输出合成信号,在反馈给PFD (鉴相器),与参考信号比较相位误差。
相位误差输出一次,锁相环状态改变一次,同理不输出相位误差,则锁相环信号均不改变。
其中调频负反馈以及锁相环解调器与普通鉴频器相比,它们的主要优点是可以扩展门限、降低门限信噪比,是低门限解调电路。
所以首选调频负反馈以及锁相环解调器作为普通鉴频器的升级版。
就本实验而言以锁相环解调器为核心器件。
非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器等组成,其方框图如图2-3所示。
限幅器输入为已调频信号和噪声,限幅器是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变;带通滤波器的作用是用来限制带外噪声,使调频信号顺利通过。
鉴频器中的微分器把调频信号变成调幅调频波,然后由包络检波器检出包络,最后通过低通滤波器取出调制信号。
设输入调频信号为:。
(10)(一)微分器的作用是把调频信号变成调幅调频波。
微分器输出为.。
(11) (二)包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。
包络检波器输出为: 。
(12)K d 称为鉴频灵敏度(V/Hz ),是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度,经低通滤波器后加隔直流电容,隔除无用的直流,得:。
(13)连续傅里叶变换是一个特殊的把一组函数映射为另一组函数的线性算子。
傅里叶变换就是把一个函数分解为组成该函数的连续频率谱。
在数学分析中,))(cos()()(S ττωd m K t A t S t tf c FM t ⎰∞-+==dt t dS dt t dS t FM i d )()()(S ==))(sin()]([ττωωd m K t t K tf c fm c ⎰∞-++-=)()]([)(S t K K K t K K t fm d c d fm c d o +=+=ωω)()(m 0t K K t fm d =信号f(t)的傅里叶变换被认为是处在频域中的信号。
离散傅里叶变换的一种快速算法,简称FFT。
为了节省电脑的计算时间,实现数字信号的实时处理,减少离散傅里叶变换(DFT)的计算量。
七、实验步骤1 调频波调制Matlab仿真模拟第一步,设计原理框图:图5调频系统——间接调频法原理框图第二步,本实验采用间接调频,实验的主要方法是:首先需要对调制信号进行积分,然后将积分过后的信号对载频信号进行调相,输出得到调频信号。
第三步,具体操作:(1)通过sine wave模块(正弦信号源)输入幅度为5,角频率为200*pi rad/s,周期为200Hz,初始相位为90度以满足输出为单频余弦信号;(2)后跟着积分器integrator模块;作为调相的输入。
(3)同时在两侧高频载波由正弦与余弦cos(2*pi*u),sin(2*pi*u)产生,然后乘上高频载波,得到了两路载波,相乘后利用积化和差原理得到调频信号。
第四步,SIMULINK模型的连接及参数配置图6调频系统——调频波调制模块图第四步,具体参数设置如下:图7 Sine wave单频余弦信号源的参数图8 Sine wave1单频余弦信号源的参数配置图9 Sine wave2单频正弦信号源的参数配置2、解调设计的步骤与参数要求第一步,设计原理框图图10 调频系统——非相干解调器原理框图非相干解调器有限幅器、鉴频器和低通滤波器组成,(1)原信号的幅度为5,所以限幅器saturation模块参数设置上下限为5,是为了消除接受信号在幅度上可能出现的畸变;(2)带通滤波器Analog Filter Design模块截止频率为语音信号的两倍即800Hz-10000Hz,换算为角频率为2pi*f是用来限制带外噪声。
(3)鉴频器包括微分器Derivative和包络检波器,其中的微分器把调频信号变成调幅调频波。
(4)然后又通过包络检波器检出包络,包络检波器包括限幅器上下限为2和低通截止频率为300Hz,再换算成角频率填入参数(5)最后通过带通滤波器取50-150Hz,取出调制的源信号。
解调的主要过程就是:非相干解调器由限幅器、鉴频器和低通滤波器组成。
已调信号首先经过限幅器1,通过带通滤波器1,经包络检波器(即限幅器和低通滤波器组成)检出包络,经过带通滤波器得到解调出的信号。
第二步,simulink模块的连接及参数设置图11 调频系统——解调的模块图图12 第一个限幅器的参数配置图13第一个带通滤波器的参数配置图14 包络检波器中的限幅器的参数配置图15 包络检波器中的低通滤波器参数配置图16 带通滤波器的参数配置调频波的仿真构建与结果分析两个仿真模块连接起来就成了调频波的调制与解调,见下图:图17 调频波的调制与解调simulink模块图18 各项仿真结果1.输入的余弦信号2.调频波3.解调后的信号图18(2)仿真结果1.输入的余弦信号2.调频波3.解调后的信号上面两幅图第一个调制波失真较为严重,恢复的较为理想,在积分器后插入示波器,未失真,那么是调相时的失真。
第二幅图是更改了调相的两个正余弦高频载波的频率,可能是带通滤波器的参数设置超出了恢复信号的频率范围造成的,第二幅图符合解调的结果。
调频波的调制解调系统仿真分析:在此次仿真过程中,依照原有的通信Fm调频信号的调制解调原理,通过对相关模块参数的配置,经过间接调频,中心频率较为稳定,但是实现有点复杂,可能参数还是不够细腻,得到的调频波仍有一定的失真,但经过非相干解调还是能够很好地恢复,在其间不免有过很多次的更改参数,甚至有过想删除模块的冲动,但还是克服了很多的错误与不足,最后得到了比较理想的结果。