基于SystemView 的AM 通信系統(tǒng)仿真設(shè)計

李 莉， 吳 迪

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長春130012)

0 引 言

通信原理課程是通信工程專業(yè)的標志性課程。實驗教學(xué)是“通信原理”課程教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)。以往的通信原理實驗通常是借助硬件實驗箱或者Matlab 軟件來實現(xiàn)［1-3］。借助實驗箱來完成通信原理實驗，只能進行固定的線路連接，以驗證性實驗為主，實驗開設(shè)項目有限，開設(shè)綜合設(shè)計性實驗受限，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高［4-6］。借助Matlab 軟件來實現(xiàn)通信原理實驗，能動性較實驗箱要有改進，但由于Matlab是代碼級編程語言，并且其顯示功能有限，在時效性上不利于學(xué)生深化對通信原理理論的學(xué)習(xí)［7-8］。

SystemView 是美國ELANIX 公司推出的基于Windows 環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。其界面友好，使用方便，用戶可以用圖符(Token)描述自己的系統(tǒng)，無需與復(fù)雜的程序語言打交道，不用寫代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。利用SystemView 可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字系統(tǒng)，可用于各種線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)的設(shè)計和仿真［9-10］。同時SystemView 提供功能強大的分析功能，可以根據(jù)用戶的需要進行各種分析，例如相關(guān)分析、頻譜分析等，這些給通信原理實驗帶來了極大的方便［11-12］。

1 AM 通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理

1.1 調(diào)制原理

在AM 通信系統(tǒng)的發(fā)送端，經(jīng)過幅度調(diào)制器的一般模型，可以產(chǎn)生AM 信號。AM 信號的時域表達式如下所示:

其中:A0為載波分量的幅度;m(t)為基帶信號;cos ωct為載波。AM 調(diào)制信號是幅度調(diào)制，是基帶信號m(t)對載波的幅度進行調(diào)制。也就是說，已調(diào)波AM 信號攜帶了基帶信號的全部信息。調(diào)制的目的是將低頻的基帶信號搬移到高頻，從而易于傳輸。這是AM 廣播在發(fā)送端的原理。

AM 信號的頻域表示有兩種形式。當基帶信號是確知信號時，可以借助傅里葉變換求得式(1)的頻域表示式，如下:

其中:δ(ω)為沖激函數(shù);SAM(ω)為已調(diào)AM 信號的譜;M(ω)為基帶信號的頻譜。當基帶信號為隨機信號時，基帶信號與頻帶信號的譜均應(yīng)用功率譜來描述，此時已調(diào)信號與基帶信號的功率譜關(guān)系如下式所示。

其中:PAM(ω)、Pm(ω)為已調(diào)AM 信號的功率譜、基帶信號的功率譜。

顯然，為了描述發(fā)送端的AM 信號，不僅要在時域內(nèi)描述其波形，還有在頻域內(nèi)描述其特征，頻域又分兩種情形，傅里葉頻譜與功率譜。

1.2 解調(diào)原理

解調(diào)的功能是從經(jīng)過信道傳輸過來的已調(diào)信號中恢復(fù)出發(fā)送的基帶信號。AM 信號的解調(diào)有相干解調(diào)與非相干解調(diào)兩種方式。當采用相干解調(diào)時，需要在接收端提供一個和發(fā)送端同步的本地載波。當收發(fā)兩端同步時，接收端可以恢復(fù)一個不失真的基帶信號m(t)。AM 信號的解調(diào)還可以采用非相干解調(diào)方式，比如包絡(luò)檢波器，此時，在接收端不需要本地載波。包絡(luò)檢波器從已調(diào)信號的包絡(luò)中直接提取基帶信號的信息。但是包絡(luò)檢波器的使用是有條件的，它要求已調(diào)波AM 信號應(yīng)為線性調(diào)幅信號。線性調(diào)幅的AM 信號的包絡(luò)里攜帶了基帶信號的全部信息。已調(diào)波信號是否為線性調(diào)幅的衡量指標是AM 信號的調(diào)制指數(shù)，其定義為

當βAM≤1 時，AM 信號為線性調(diào)幅;βAM＞1 時，AM 信號為過調(diào)幅［13-15］。

1.3 信 道

信道是通信系統(tǒng)中的傳輸媒質(zhì)。我們希望信道能夠高保真地傳輸已調(diào)波信號，但是由于在信道中存在著干擾與噪聲，因此，經(jīng)過信道的信號經(jīng)解調(diào)后得到的基帶信號，往往都會有失真。通信系統(tǒng)中常用的信號模型有加性高斯白噪聲信道模型、瑞利衰落信道模型、萊斯衰落信道模型。

2 AM 通信系統(tǒng)的SystemView 實現(xiàn)

圖1 為基于SystemView 的AM 系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)模型。圖中各器件參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

圖1 基于Systemview 的AM 系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)模型

表1 AM 通信系統(tǒng)仿真電路圖標參數(shù)表

在圖1 中，發(fā)送端按式(1)構(gòu)建了AM 信號，信道采用了加性高斯白噪聲信道，接收端采用了相干解調(diào)器對AM 信號進行解調(diào)。

2.1 發(fā)送端AM 信號的產(chǎn)生模型

AM 信號的產(chǎn)生是通過兩個正弦信號發(fā)生器(Token0 與Token3)、一個乘法器(Token2)、一個增益器(Token1)和一個加法器(Token4)來實現(xiàn)的。Token0 是載波發(fā)生器，Token3 是基帶信號發(fā)生器，所以Token0 的正弦信號的頻率比Token3 的正弦信號的頻率要高，Token1 是用來改變AM 信號的調(diào)制指數(shù)的。

2.2 信道模型

信道僅考慮了加性高斯白噪聲情形，因此，用一個高斯白噪聲發(fā)生器(Token6)和一個加法器(Token5)來實現(xiàn)。Token6 的噪聲功率的大小直接影響了整個通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，因此，想觀察噪聲對AM 通信系統(tǒng)性能的影響，可以調(diào)節(jié)Token6 的功率。

2.3 接收端AM 信號解調(diào)模型

不論AM 信號是過調(diào)幅還是線性調(diào)幅，都可以采用相干解調(diào)來恢復(fù)基帶信號。圖1 中的相干解調(diào)器由一個乘法器(Token13)、一個低通濾波器(Token7)和一個正弦信號發(fā)生器(Token12)來實現(xiàn)。相干解調(diào)器需要一個本地載波，本地載波由Token12 來產(chǎn)生。為了正確恢復(fù)基帶信號，Token12 應(yīng)該與發(fā)送端載波(Token0)同步，即同頻與同相。如果想觀察收發(fā)不同步對AM 通信系統(tǒng)的影響，可以改變本地載波的頻率和相位，即可看到效果。低通濾波器設(shè)計為6 階、截止頻率為1 kHz 的模擬契比雪夫濾波器。這個濾波器讓基帶信號信號通過。

3 仿真結(jié)果

圖2 給出了在AM 通信系統(tǒng)中，基帶信號、載波、已調(diào)波以及解調(diào)恢復(fù)的基帶信號的時域與頻域波形。圖中左側(cè)由上而下為基帶信號、載波、已調(diào)波以及解調(diào)恢復(fù)的基帶信號的時域波形圖，右側(cè)為對應(yīng)的頻譜圖。在圖1 中，基帶信號采用的是確知信號，因此，各信號的譜均用傅里葉頻譜來描述。在圖2 仿真中，假設(shè)信道中沒有噪聲。所以可以看出接收端恢復(fù)的基帶信號與發(fā)送端的基帶信號的幅頻特性是沒有差別的。圖3為當有信道噪聲(Dev=0.5 V)時，發(fā)送端基帶信號與接收端恢復(fù)的基帶信號的波形圖，顯然，接收的基帶信號和發(fā)送的基帶信號比較有嚴重的失真。

圖2 AM 通信系統(tǒng)中基帶信號、載波、已調(diào)波以及解調(diào)恢復(fù)的基帶信號的時域與頻域波形圖

圖3 有信道噪聲的發(fā)送基帶信號與恢復(fù)基帶信號波形圖

改變器件的參數(shù)，可以觀察AM 調(diào)制系統(tǒng)中的典型現(xiàn)象。比如，改變增益系數(shù)，就可以觀察AM 信號的調(diào)制程度;改變本地載波的頻率或相位，可以觀察發(fā)送端與接收端載波不同步對通信質(zhì)量的影響;改變低通濾波器的截止頻率，例如將截止頻率改為500 Hz，可以觀察基帶信號的失真。

4 結(jié) 語

通過利用SystemView 建立的AM 通信系統(tǒng)的仿真實驗，可以看出SystemView 是一種非常方便的用于理解和掌握通信原理的實驗手段。與實驗箱相比，利用SystemView 來完成通信原理的實驗，具有以下的優(yōu)勢:①系統(tǒng)建立成本低，簡捷;②參數(shù)調(diào)節(jié)方便;③顯示窗口豐富。這個是SystemView 很強大的優(yōu)勢。在實驗室用實驗箱完成實驗時，通常示波器就是雙蹤的，也就能同時看兩路信號。另外，在實驗室要觀察頻譜，需要用頻譜分析儀，成本很高。而SystemVieW 可以提供更多路的顯示，并且可以提供各種分析手段，并顯示出來。與利用Matlab 軟件實現(xiàn)通信原理實驗相比，SystemView 的圖形化語言，不需要代碼編程，可以給使用者更直觀的系統(tǒng)性的感覺，并且可以借助Note Pad幫助對通信原理的理解。總之，利用SystemView 來實現(xiàn)通信原理的實驗，更容易讓使用者將主要精力集中在通信原理理論的學(xué)習(xí)與驗證上。

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