雙聲道調頻立體聲廣播系統仿真設計與分析

王曉玲

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006)

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雙聲道調頻立體聲廣播系統仿真設計與分析

王曉玲

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006)

雙聲道調頻立體聲廣播系統是模擬調制技術的典型應用，核心技術包括調頻FM、抑制載波，雙邊帶調制DSB-SC、頻分復用FDM和鎖相環PLL等技術。根據系統原理，基于Matlab/Simulink仿真平臺，實現了雙聲道調頻立體聲廣播系統的設計，對系統測試驗證觀察發現系統能夠正常工作，通過仿真結果分析表明，頻分復用技術可以提高信道利用率;鎖相環技術可以提取副載波用于DSB-SC信號解調。本文對相關研究和性能改善有一定借鑒意義，同時也為實驗教學提供了新思路。

立體聲廣播; 頻分復用; 鎖相環

0 引 言

模擬廣播系統是以電磁波作為載體，按不同的方式把信息裝載后發射出去，再在接收端以對應的方式把信息取出來，包含調制和解調2個過程[1]。目前，模擬廣播系統主要采用調幅(AM)和調頻(FM)2種調制方式[2]。自上世紀90年代我國廣播業“四級辦廣播”指導方針的貫徹落實，以抗干擾能力強、動態范圍廣、頻譜利用率高等優點的調頻廣播[3]得到長足的發展。

調頻廣播系統是模擬通信技術的典型應用，對其仿真設計可以有助于對理論知識的理解，通過Matlab/Simulink仿真[4]有利于驗證系統設計的可行性，也便于進一步改善系統性能。本文主要通過Matlab/Simulink仿真平臺實現雙聲道調頻立體聲廣播系統的設計。

1 系統原理及關鍵技術

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

圖1 雙聲道立體聲廣播信號形成示意圖

分析基帶調制信號的頻譜可知，0～15 kHz用于傳輸和信號(L+R)，23～53 kHz用于傳輸差信號(L-R)的DSB-SC已調信號，59～75 kHz作為輔助信道，另外，在19 kHz處發送一個單頻信號用作立體聲指示，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行鑒頻得到頻分復用信號，對頻分復用信號通過濾波器進行相應的分離以恢復出和信號(L+R)、差信號(L-R)的DSB-SC已調信號和19 kHz的導頻；然后將19 kHz的導頻經二次倍頻得到的相干載波對差信號(L-R)的DSB-SC已調信號進行相干解調；最后經過和差運算恢復出左聲道信號L和右聲道信號R，其原理如圖2所示[8-11]。

圖2 雙聲道立體聲廣播信號解調示意圖

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

FM就是將需要傳輸的音頻信息作為調制信號去控制高頻載波的瞬時頻率，使其隨調制信號變化。與AM比較，調頻系統的已調信號頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，而是會產生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，因此又稱為非線性調制或者角度調制。FM技術的最突出的特點是以帶寬為代價換得較高的抗噪聲性能。因此，與AM廣播系統比較，調頻FM廣播系統的信號更加清晰。

FDM是指載波的帶寬被分為多個不重疊的子信道，各個子信道可以并行傳送一路信號的一種多路復用技術。在通信系統中，通常一路信號所需要的帶寬較小，一個信道只傳送一路信號是很浪費的，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。

PLL是能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統，主要由相位比較器、壓控振蕩器、低通濾波器3部分組成，結構如圖3所示。倍頻器是使輸出信號頻率fo與輸入信號頻率fi具有倍數關系，即fo=nfi。在調頻立體聲廣播系統，鎖相環倍頻器可以在接收端將導頻信號恢復出與38 kHz的副載波嚴格同頻同相的相干載波用于解調差信號(L-R)。

圖3 鎖相環PLL結構圖

2 系統仿真模型

根據雙聲道調頻立體聲廣播信號形成及解調原理，基于Matlab/Simulink平臺設計的雙聲道調頻立體聲廣播系統仿真模型如圖4所示，左側部分為發射端模型，右側部分為接收端模型，中間部分模仿高斯信道。

圖4 雙聲道調頻立體聲廣播系統仿真模型

2.1 系統發射端仿真模型

如圖4發射端所示，用信號發生器模塊(Signal Generator)和壓控振蕩器模塊(Voltage-Controlled Oscillator)產生的頻率在0.5～15 kHz掃頻信號作為音源，設置信號發生器產生振幅為1、頻率為的正弦波，壓控振蕩器輸出振幅為2，靜態頻率為7 750 Hz，輸入靈敏度為7 250 Hz。音源信號通過通帶為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；然后,左右兩路信號經過相互加減、副載波DSB-SC調制和19 kHz導頻疊加之后得出立體聲基帶調制信號，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，零階保持器采樣時間設置0.000 008，頻譜示波器緩存長度1 024，緩存交疊512，FFT長度512，譜平均點數2。

2.2 系統接收端仿真模型

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

為了無失真地恢復出差信號(L-R)，要對其DSB-SC已調信號進行相干解調，接收端須提供一個與接收的已調載波嚴格同步(同頻同相)的本地載波，此時需設計PLL倍頻器。按照圖3所示的PLL結構，本設計采用帶通濾波器模塊Bandpass Filter1、計數器模塊Counter和壓控振蕩器模塊Voltage-Controlled Oscillator2組成鎖相環，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的信號通過，壓控振蕩器輸出振幅為2，靜態頻率為38 kHz，輸入靈敏度為500 Hz，計數器最大計數值和原始值分別設成1和0，以便對壓控振蕩器輸出的38 kHz波形進行2分頻得到19 kHz波形，與提取的導頻進行相位比較，最終得到滿足同步要求的38 kHz相干載波。為進行比較，模型中設置了一個手動切換開關Switch來控制鎖相環是否工作。

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

3 波形觀測與結果分析

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，評估系統的性能。設置系統仿真時間間隔即步長為1/106，仿真時間為10 s。

3.1 波形觀測

高斯白噪聲方差設置為0.1，手動開關連接導頻，即鎖相環工作系統處于同步方式，運行系統模型，得到如圖5所示左聲道和右聲道發送端和接收端時域波形圖，對比發現接收的信號基本上與發送的信號波形一致，說明雙聲道調頻立體聲廣播系統能夠正常工作。并且噪聲方差在0～1范圍內變動，對結果影響較小，說明該系統具有較強抗干擾能力。

(a) 左聲道信號L發送波形

(b) 左聲道信號L接收波形

(c) 右聲道信號R發送波形

(d) 右聲道信號R接收波形

3.2 結果分析

高斯白噪聲方差仍舊設置0.1，將手動開關連接地，即鎖相環失鎖系統處于非同步方式，運行系統模型，得到如圖6所示波形。與圖5對比發現，鎖相環失鎖時相干載波不同步，差信號(L-R)無法正確解調，以至于接收的信號與發送的信號比較產生錯誤，說明鎖相環技術在雙聲道調頻立體聲廣播系統中的重要作用。

(a) 左聲道信號L接收波形

(b) 右聲道信號R接收波形

本系統為了高效使用帶寬，采用頻分復用FDM技術，系統發送端得到基帶調制信號經頻譜示波器輸出如圖7所示，觀察發現頻譜由3部分組成;①0～15kHz為和信號(L+R)的頻譜;②19 kHz為導頻;③23～53 kHz為差信號(L-R)的DSB-SC已調信號頻譜。實驗結果和理論分析一致。

圖7 系統基帶調制信號頻譜仿真結果

4 結 語

本文主要完成了基于Matlab/Simulink仿真平臺的雙聲道調頻立體聲廣播系統仿真設計。首先對系統原理和關鍵技術進行研究，然后選取模塊并設置參數完成系統仿真設計，最后經過調試系統能夠正常運行。實驗結果表明頻分復用FDM技術可以提高信道利用率，鎖相環PLL技術能夠正確恢復出原始信號。

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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

《計算機與信息技術國家級實驗教學示范中心》開放性實驗教學項目(5731518314)

王曉玲(1981-)，女，滿族，河北唐山人，博士在讀，講師，研究方向：計算機通信技術、光網絡通信。

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

TN 935.2

A

1006-7167(2015)11-0129-04

收日期：2015-08-24