雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與分析

王曉玲

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

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雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與分析

王曉玲

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)是模擬調(diào)制技術(shù)的典型應(yīng)用，核心技術(shù)包括調(diào)頻FM、抑制載波，雙邊帶調(diào)制DSB-SC、頻分復(fù)用FDM和鎖相環(huán)PLL等技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)原理，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證觀察發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠正常工作，通過仿真結(jié)果分析表明，頻分復(fù)用技術(shù)可以提高信道利用率;鎖相環(huán)技術(shù)可以提取副載波用于DSB-SC信號(hào)解調(diào)。本文對(duì)相關(guān)研究和性能改善有一定借鑒意義，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新思路。

立體聲廣播; 頻分復(fù)用; 鎖相環(huán)

0 引 言

模擬廣播系統(tǒng)是以電磁波作為載體，按不同的方式把信息裝載后發(fā)射出去，再在接收端以對(duì)應(yīng)的方式把信息取出來(lái)，包含調(diào)制和解調(diào)2個(gè)過程[1]。目前，模擬廣播系統(tǒng)主要采用調(diào)幅(AM)和調(diào)頻(FM)2種調(diào)制方式[2]。自上世紀(jì)90年代我國(guó)廣播業(yè)“四級(jí)辦廣播”指導(dǎo)方針的貫徹落實(shí)，以抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍廣、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)的調(diào)頻廣播[3]得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

調(diào)頻廣播系統(tǒng)是模擬通信技術(shù)的典型應(yīng)用，對(duì)其仿真設(shè)計(jì)可以有助于對(duì)理論知識(shí)的理解，通過Matlab/Simulink仿真[4]有利于驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，也便于進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。本文主要通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù)

雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)，聲音在空間上被分成兩路音頻信號(hào)，左聲道信號(hào)和右聲道信號(hào)，最高頻率不大于。左聲道和右聲道相加形成和信號(hào)(L+R)，相減形成差信號(hào)(L-R)。差信號(hào)(L-R)對(duì)38 kHz的副載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)制(Double Side Band with Suppressed Carrier,DSB-SC)，然后與和信號(hào)形成一個(gè)頻分復(fù)用(Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM)信號(hào)作為調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)的基帶調(diào)制信號(hào)，雙聲道立體聲廣播信號(hào)形成示意如圖1所示[5-7]。

圖1 雙聲道立體聲廣播信號(hào)形成示意圖

分析基帶調(diào)制信號(hào)的頻譜可知，0～15 kHz用于傳輸和信號(hào)(L+R)，23～53 kHz用于傳輸差信號(hào)(L-R)的DSB-SC已調(diào)信號(hào)，59～75 kHz作為輔助信道，另外，在19 kHz處發(fā)送一個(gè)單頻信號(hào)用作立體聲指示，并作為接收端提取同頻同相相干載波使用。

接收立體聲廣播先進(jìn)行鑒頻得到頻分復(fù)用信號(hào)，對(duì)頻分復(fù)用信號(hào)通過濾波器進(jìn)行相應(yīng)的分離以恢復(fù)出和信號(hào)(L+R)、差信號(hào)(L-R)的DSB-SC已調(diào)信號(hào)和19 kHz的導(dǎo)頻；然后將19 kHz的導(dǎo)頻經(jīng)二次倍頻得到的相干載波對(duì)差信號(hào)(L-R)的DSB-SC已調(diào)信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)；最后經(jīng)過和差運(yùn)算恢復(fù)出左聲道信號(hào)L和右聲道信號(hào)R，其原理如圖2所示[8-11]。

圖2 雙聲道立體聲廣播信號(hào)解調(diào)示意圖

雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)涉及FM、FDM[12]和鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)倍頻器等關(guān)鍵技術(shù)。

FM就是將需要傳輸?shù)囊纛l信息作為調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的瞬時(shí)頻率，使其隨調(diào)制信號(hào)變化。與AM比較，調(diào)頻系統(tǒng)的已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，因此又稱為非線性調(diào)制或者角度調(diào)制。FM技術(shù)的最突出的特點(diǎn)是以帶寬為代價(jià)換得較高的抗噪聲性能。因此，與AM廣播系統(tǒng)比較，調(diào)頻FM廣播系統(tǒng)的信號(hào)更加清晰。

FDM是指載波的帶寬被分為多個(gè)不重疊的子信道，各個(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)的一種多路復(fù)用技術(shù)。在通信系統(tǒng)中，通常一路信號(hào)所需要的帶寬較小，一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是很浪費(fèi)的，為了充分利用信道的頻帶，提高信道的利用率，可以采用FDM技術(shù)。

PLL是能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，主要由相位比較器、壓控振蕩器、低通濾波器3部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。倍頻器是使輸出信號(hào)頻率fo與輸入信號(hào)頻率fi具有倍數(shù)關(guān)系，即fo=nfi。在調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)，鎖相環(huán)倍頻器可以在接收端將導(dǎo)頻信號(hào)恢復(fù)出與38 kHz的副載波嚴(yán)格同頻同相的相干載波用于解調(diào)差信號(hào)(L-R)。

圖3 鎖相環(huán)PLL結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)雙聲道調(diào)頻立體聲廣播信號(hào)形成及解調(diào)原理，基于Matlab/Simulink平臺(tái)設(shè)計(jì)的雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，左側(cè)部分為發(fā)射端模型，右側(cè)部分為接收端模型，中間部分模仿高斯信道。

圖4 雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)仿真模型

2.1 系統(tǒng)發(fā)射端仿真模型

如圖4發(fā)射端所示，用信號(hào)發(fā)生器模塊(Signal Generator)和壓控振蕩器模塊(Voltage-Controlled Oscillator)產(chǎn)生的頻率在0.5～15 kHz掃頻信號(hào)作為音源，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生振幅為1、頻率為的正弦波，壓控振蕩器輸出振幅為2，靜態(tài)頻率為7 750 Hz，輸入靈敏度為7 250 Hz。音源信號(hào)通過通帶為1～15 kHz的帶通濾波器和截止頻率為5 kHz的低通濾波器分別得到左聲道和右聲道信號(hào)；然后,左右兩路信號(hào)經(jīng)過相互加減、副載波DSB-SC調(diào)制和19 kHz導(dǎo)頻疊加之后得出立體聲基帶調(diào)制信號(hào)，最后通過零階保持器模塊Zero-Order Hold和頻譜示波器模塊Spectrum Scope將其頻譜顯示出來(lái)，零階保持器采樣時(shí)間設(shè)置0.000 008，頻譜示波器緩存長(zhǎng)度1 024，緩存交疊512，F(xiàn)FT長(zhǎng)度512，譜平均點(diǎn)數(shù)2。

2.2 系統(tǒng)接收端仿真模型

如圖4接收端所示，接收端得到的頻分復(fù)用信號(hào)分別經(jīng)帶通濾波器模塊Bandpass Filter1、Bandpass Filter2和Lowpass Filter1分離出差信號(hào)(L-R)的DSB-SC已調(diào)信號(hào)、導(dǎo)頻及和信號(hào)(L+R)，因此設(shè)置參數(shù)分別為帶通23～53 kHz、帶通18.8～19.2 kHz和低通0～15 kHz。

為了無(wú)失真地恢復(fù)出差信號(hào)(L-R)，要對(duì)其DSB-SC已調(diào)信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，接收端須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步(同頻同相)的本地載波，此時(shí)需設(shè)計(jì)PLL倍頻器。按照?qǐng)D3所示的PLL結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用帶通濾波器模塊Bandpass Filter1、計(jì)數(shù)器模塊Counter和壓控振蕩器模塊Voltage-Controlled Oscillator2組成鎖相環(huán)，如圖4接收端中方框所圍部分所示，此處，帶通濾波器使得19 kHz的信號(hào)通過，壓控振蕩器輸出振幅為2，靜態(tài)頻率為38 kHz，輸入靈敏度為500 Hz，計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值和原始值分別設(shè)成1和0，以便對(duì)壓控振蕩器輸出的38 kHz波形進(jìn)行2分頻得到19 kHz波形，與提取的導(dǎo)頻進(jìn)行相位比較，最終得到滿足同步要求的38 kHz相干載波。為進(jìn)行比較，模型中設(shè)置了一個(gè)手動(dòng)切換開關(guān)Switch來(lái)控制鎖相環(huán)是否工作。

將相干載波與接收的DSB-SC已調(diào)信號(hào)相乘經(jīng)低通濾波器Lowpass Filter2取出0～15 kHz的差信號(hào)(L-R)，最后差信號(hào)(L-R)與和信號(hào)(L+R)經(jīng)加法器和減法器恢復(fù)出左聲道信號(hào)L和右聲道信號(hào)R，并分別用示波器模塊Left Receive Scope和Right Receive Scope顯示兩路恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域波形。

3 波形觀測(cè)與結(jié)果分析

為了模仿建立信道模型，采用高斯白噪聲模塊，通過改變其方差值，評(píng)估系統(tǒng)的性能。設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間間隔即步長(zhǎng)為1/106，仿真時(shí)間為10 s。

3.1 波形觀測(cè)

高斯白噪聲方差設(shè)置為0.1，手動(dòng)開關(guān)連接導(dǎo)頻，即鎖相環(huán)工作系統(tǒng)處于同步方式，運(yùn)行系統(tǒng)模型，得到如圖5所示左聲道和右聲道發(fā)送端和接收端時(shí)域波形圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)接收的信號(hào)基本上與發(fā)送的信號(hào)波形一致，說(shuō)明雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)能夠正常工作。并且噪聲方差在0～1范圍內(nèi)變動(dòng)，對(duì)結(jié)果影響較小，說(shuō)明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗干擾能力。

(a) 左聲道信號(hào)L發(fā)送波形

(b) 左聲道信號(hào)L接收波形

(c) 右聲道信號(hào)R發(fā)送波形

(d) 右聲道信號(hào)R接收波形

3.2 結(jié)果分析

高斯白噪聲方差仍舊設(shè)置0.1，將手動(dòng)開關(guān)連接地，即鎖相環(huán)失鎖系統(tǒng)處于非同步方式，運(yùn)行系統(tǒng)模型，得到如圖6所示波形。與圖5對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鎖相環(huán)失鎖時(shí)相干載波不同步，差信號(hào)(L-R)無(wú)法正確解調(diào)，以至于接收的信號(hào)與發(fā)送的信號(hào)比較產(chǎn)生錯(cuò)誤，說(shuō)明鎖相環(huán)技術(shù)在雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)中的重要作用。

(a) 左聲道信號(hào)L接收波形

(b) 右聲道信號(hào)R接收波形

本系統(tǒng)為了高效使用帶寬，采用頻分復(fù)用FDM技術(shù)，系統(tǒng)發(fā)送端得到基帶調(diào)制信號(hào)經(jīng)頻譜示波器輸出如圖7所示，觀察發(fā)現(xiàn)頻譜由3部分組成;①0～15kHz為和信號(hào)(L+R)的頻譜;②19 kHz為導(dǎo)頻;③23～53 kHz為差信號(hào)(L-R)的DSB-SC已調(diào)信號(hào)頻譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析一致。

圖7 系統(tǒng)基帶調(diào)制信號(hào)頻譜仿真結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要完成了基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)的雙聲道調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，然后選取模塊并設(shè)置參數(shù)完成系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，最后經(jīng)過調(diào)試系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明頻分復(fù)用FDM技術(shù)可以提高信道利用率，鎖相環(huán)PLL技術(shù)能夠正確恢復(fù)出原始信號(hào)。

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Simulation and Analysis for Dual-channel FM Stereo Broadcast System

WANGXiao-ling

(School of Electronic and Information Engineering, Soochow University, 2015006， China)

Dual-channel frequency modulation stereo broadcast system is a typical application of analog modulation technique, FM, double side band with suppressed carrier (DSB-SC)，frequency division multiplexing (FDM) and phase-locked loop (PLL) are core techniques. Based on MATLAB/Simulink platform, the auther successful designed a dual-channel frequency modulation (FM) stereo broadcast system. After debugging and testing, the system can work well, system analysis indicates that FDM technique can improve channel utilization, and PLL technique can obtain sub-carrier to demodulate DSB-SC signal.It is worth to reference for related research and performance improvement, and also provide a new exploration to experiment teaching.

stereo broadcast; frequency division multiplexing; phase-locked loop

《計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心》開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(5731518314)

王曉玲(1981-)，女，滿族，河北唐山人，博士在讀，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)通信。

Tel.:15851680076;E-mail:wangxl2012@suda.edu.cn

TN 935.2

A

1006-7167(2015)11-0129-04

收日期：2015-08-24