大学毕业设计一席谈之四十三 FM调制解调器(3)使用数字锁相环的FM接收机

算法工匠

9月前浏览1167

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继续讲解！之前用叉积鉴频的方式完成了FM信号的解调，但这种方法有很大的局限性。我们也可以通过锁相环实现FM信号解调，这两种方法在原理、实现复杂度、性能和应用场景上存在显著差异。

本文写作历时一年多时间，经过不同时期的思考，尤其是在续写锁相知识时补充了很多内容。文章超过三千字，非专业人士可看预览内容了解解调过程，莫要付费学习！本文的仿真代码较多，体现版本变化和升级过程，因为想让读者看到各种纠错过程，这种过程的展示能帮助大家涨经验。

最后的解调效果一定要用音频效果来验证。模拟调制没法用误码率指标来衡量性能！

大家要注意的是叉积鉴频主要适用于窄带 FM 信号，主要是由该算法自身特性和窄带 FM 信号特点决定的！所以我们必须要了解锁相环解调FM的算法。在学习锁相环解调算法之前再回顾一下叉积鉴频算法！

一起来看一下使用锁相环的数字FM接收机的原理框图！全数字FM接收机可以使用锁相环来实现，尤其是数字锁相环在通信系统中具有显著优势。通过相位检测器、环路滤波器和数控振荡器的协同工作，数字锁相环可以有效地解调FM信号，并结合数字信号处理技术实现高性能、高灵活性的FM接收机。

提示：在产品中，鉴相器后面直接进入环路滤波器吗？

算法工程师写程序前心中一定要有总体架构！不然没法下笔写代码！这是本人的感受！先来看看仿真程序吧！依靠仿真能做成真的FM接收机吗？当然可以，只要有硬件的支持即可。

还可以扩展！在以上基础上为FM收音系统增加自动搜台、存储频道和手动选台功能；并添加外部显示设备（可以使用LCD，VGA，HDMI等任意显示设备）或上位机软件为SOC的显示外设，实现具有一定美工效果的显示界面。针对某个特定应用添加更多功能，可以选择但不限于：FM双向通信（FM无线对讲机）、实时以太网传输、实时USB传输、录音存储等功能，且新增加功能需要和已有FM收音机功能形成完整且有意义的整体功能，不能只是多个功能无意义的堆叠或拼接。鼓励自制外设板卡。

这些都是值得本科生去尝试和探索的！从简单到复杂，一步一步来！先看基本的FM调制解调程序该怎么写？抱着试试看的态度尝试训练ChatGPT来完成程序的编写，最终都失败了。

训练了两个多小时，最终还是无法得到正确的结果！

训练到最后，给出的锁相环代码依旧存在错误！比如在更新锁相环的时候，我们不会同时更新频率和相位！

这是最后训练出来的程序的仿真结果，依旧不正确！于是只能自己编写代码！大家可以在视频中看到本人编写代码的过程！

具体内容如下！

% 生成FM信号

int_m = cumsum(m)*T; 

% 调制信号的积分

fm_signal = cos(2*pi*fc*t + 2*pi*kf*int_m);

% FM信号

% 添加噪声

SNR = 30;            % 信噪比 (dB)

fm_signal_noise = awgn(fm_signal, SNR, 'measured'); 

% 添加高斯白噪声

%%% 锁相环参数

N = length(t);          % 信号长度

phi_hat = zeros(1, N);  % 估计相位

vco_out = zeros(1, N);  % VCO输出

error = zeros(1, N);    % 相位误差

loop_filter = 0;        % 环路滤波器状态

% 环路滤波器参数设计

index = 0.707;  % 阻尼因子

Bn = 200;       % 噪声带宽

ts = 1/Fs;      % 时间周期

wn = 2*Bn/(index+1/(4*index));

para = 4+4*index*wn*ts+(wn*ts)^2;

来源：通信工程师专辑