基于LabVIEW 的AM 模擬通信系統(tǒng)仿真

郝富春

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)筑通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)，可以在計(jì)算機(jī)上顯示不同系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究提供強(qiáng)有力的指導(dǎo)。AM 的調(diào)制與解調(diào)是最基本的模擬通信系統(tǒng)，通過建立仿真模型能夠反映AM 模擬通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作情況，具有較強(qiáng)的演示性、可視性和實(shí)用性，是學(xué)習(xí)、研究和設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)強(qiáng)有力的工具。

1 LabVIEW 簡介

LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序[2]。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如慮波器、頻譜分析等）類似的控件，可以方便地創(chuàng)建用戶界面。通過使用圖標(biāo)和連線編程對前面板上的對象進(jìn)行控制，這就是圖形化源代碼，又稱“G 代碼”或“程序框圖代碼”。LabVIEW 的核心是VI，VI 有一個(gè)人機(jī)對話的用戶界面——前面板（Front Panel）和相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序（Diagram），前面板接受來自框圖程序的指令。LabVIEW 還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等[3]。

2 線性調(diào)制原理

線性調(diào)制是正弦載波的幅度隨調(diào)制信號(hào)做線性變化的過程，模型如圖1 所示。

圖1 線性調(diào)制的一般模型

AM 就是線性調(diào)制的一種，它利用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使其隨調(diào)制信號(hào)呈線性變化。在波形上，線性調(diào)制已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)變化而成正比的變化。

設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為m(ω)，濾波器沖擊響應(yīng)h(t)的頻域響應(yīng)為H(ω)，則該模型

輸出已調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域一般表示為

2.1 振幅調(diào)制（AM）原理

如果輸入基帶信號(hào)含有直流分量，且h(t)也是理想帶通濾波器的沖激響應(yīng)δ(t)，即濾波器（H(ω)=1）為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào)m(t)疊加直流后與載波相乘（模型見圖2），就可以得到調(diào)幅（AM）信號(hào)[4]，其時(shí)域和頻域表示式分別為

圖2 AM 調(diào)制模型

AM 信號(hào)的波形和頻譜如圖3 所示。

圖3 AM 信號(hào)的波形和頻譜

設(shè)基帶信號(hào)m(t)的最高頻率為ωH，則AM 調(diào)制信號(hào)的帶寬B=2ωH，因此AM 信號(hào)占用的帶寬較大。

由于AM 信號(hào)中包含載波，信號(hào)功率中載波功率占據(jù)很大部分，因此功率利用率較低，為此，采用抑制載波的雙邊帶（DSB）調(diào)制可以提高功率利用率。

2.2 線性調(diào)制的解調(diào)

線性調(diào)制的解調(diào)方法分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩大類。

非相干解調(diào)（又稱包絡(luò)檢波）是從已調(diào)信號(hào)的幅度變化中提取原基帶信號(hào)。非相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)起來非常簡單，但它只適應(yīng)于包含有載波的普通調(diào)幅信號(hào)AM，且存在門限效應(yīng)。DSB 和SSB 信號(hào)不能采用簡單的包絡(luò)檢波，它們的包絡(luò)不能直接反應(yīng)調(diào)解信號(hào)的變化，所以仍需采用相干解調(diào)。對于接收端插入大載波時(shí)的SSB 和VSB 調(diào)制信號(hào)，可以用包絡(luò)檢波器調(diào)解出原基帶信號(hào)。

相干解調(diào)（又稱同步檢波等），就是利用已調(diào)信號(hào)的相位變化來恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，由相乘和低通濾波兩部分組成，圖4 為相干解調(diào)的原理模型圖。相干解調(diào)對于AM、DSB、SSB 都適用，沒有門限效應(yīng)，但它要求本地載波和接收信號(hào)的載波必須保持同頻和同相。

圖4 相干解調(diào)的一般模型

AM 信號(hào)的相干解調(diào)原理

假設(shè)輸入信號(hào)為SAM(t)，經(jīng)乘法器后得

經(jīng)低通濾波（LPF）后，其中的2ωc頻率分量被濾除，得

3 幅度調(diào)制（AM）系統(tǒng)的仿真

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，調(diào)整仿真系統(tǒng)參數(shù)，觀察系統(tǒng)工作狀態(tài)，記錄相關(guān)參數(shù)及相應(yīng)工作曲線并進(jìn)行分析[5]。

3.1 AM 系統(tǒng)程序

AM 掩飾程序.vi 前面板如圖5 所示。通過前面板參數(shù)值的設(shè)置，可得到所需頻率和幅度的AM 信號(hào)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對該信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，最后用簇將信號(hào)的波形和頻譜分別進(jìn)行打包后，通過Waveform Graph 將信號(hào)的波形和頻譜顯示出來。輸入“信號(hào)類型”、“基帶頻率”、“基帶幅值”、“載波頻率”、“載波幅值”、及“高斯白噪聲”的數(shù)值，然后單擊運(yùn)行按鈕，就可以看到Waveform Graph 顯示的原始信號(hào)、AM 調(diào)制信號(hào)、解調(diào)后信號(hào)的波形圖及頻譜圖。若單擊“返回”按鈕，則系統(tǒng)關(guān)閉，返回到調(diào)用該程序的上一程序界面。

圖5 AM 系統(tǒng)前面板

AM 掩飾程序.vi 的后面板如圖6 所示。

圖6 AM 系統(tǒng)后面板

從后面板程序中可以清楚的看出AM 系統(tǒng)的構(gòu)成及前面板功能是如何實(shí)現(xiàn)的，這也正是LabVIEW 框圖化程序獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。雙擊后面板中任意一個(gè)輸入或顯示控件，都會(huì)跳轉(zhuǎn)至前面板看到該控件的輸入項(xiàng)或顯示結(jié)果。雙擊后面板中任意一個(gè)子程序，都會(huì)進(jìn)入相應(yīng)子程序的前、后面板，可看到子程序的具體實(shí)現(xiàn)。

從圖6 可見，發(fā)送端的基帶信號(hào)經(jīng)AM 調(diào)制模塊后產(chǎn)生AM 信號(hào)，圖中AM 信號(hào)為AM 信號(hào)的時(shí)域波形，基帶信號(hào)和AM 信號(hào)經(jīng)捆綁后經(jīng)FFT 運(yùn)算得到基帶信號(hào)和AM 信號(hào)的頻譜（即圖中的“頻譜分析”）。AM 信號(hào)送入信道，仿真信道子程序經(jīng)信道加入高斯白噪聲后到達(dá)接收端，接收端將AM 調(diào)制信號(hào)先于載波相乘，然后通過一個(gè)低通濾波器（即相干解調(diào)），接收濾波器的截止頻率要略高于基帶信號(hào)頻率，便得到了AM 解調(diào)信號(hào)，即圖5、圖6 中所示的。

改變基帶信號(hào)的“波形類型”、“基帶幅度”、“基帶頻率”，會(huì)看到解調(diào)出的AM 解調(diào)信號(hào)也相應(yīng)改變，改變載波頻率，會(huì)在“頻譜分析”中看到AM 頻譜移動(dòng)，可見該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了正確傳輸。

3.2 AM 調(diào)制子程序

AM 調(diào)制子程序名為AM 調(diào)制.vi，本程序可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各點(diǎn)的時(shí)域波形、頻譜的搬移過程、調(diào)制與解調(diào)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程。圖7 為AM 調(diào)制模塊前面板。

圖7 AM 調(diào)制模塊前面板

圖8 為AM 調(diào)制模塊后面板。用多諧波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)仿真基帶信號(hào)，將它和直流偏移相加，再和一個(gè)多諧波發(fā)生器產(chǎn)生的余弦載波相乘，便可以得到AM 調(diào)制信號(hào)（即圖7 所示），這就完成了AM 信號(hào)的調(diào)制。

圖8 AM 調(diào)制模塊后面板

4 結(jié)論

本文以虛擬儀器仿真軟件LabVIEW 為基礎(chǔ)，利用子模塊程序、參數(shù)設(shè)計(jì)模塊、主程序模塊和圖像顯示模塊來實(shí)現(xiàn)幅度AM 模擬通信系統(tǒng)仿真，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)了AM 模擬調(diào)制系統(tǒng)的時(shí)域波形與頻域頻譜的關(guān)系，用于數(shù)字和實(shí)驗(yàn)中，加深了學(xué)生的理解，收到了良好的效果。

［1］Wilian H.Tranter，K.San Shanmugan，Theoder S.Rappapor，Kurt L.Losbar，等.通信系統(tǒng)仿真原理與無線應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：10-15.

［2］National Instruments.The Measurement and Automation Catalog.2002：49-137.

［3］戴敬，王世立.LabVIEW 基礎(chǔ)教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002：3-20.

［4］Rodrger E.Ziemer，Wiliam H.Tranter.通信原理系統(tǒng)調(diào)制與噪聲[M].北京：高等教育出版社，2003，101-111.

［5］李環(huán)，任波，華宇寧.通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.