基于SystemView 的AM 通信系統仿真設計

李 莉， 吳 迪

(吉林大學 通信工程學院，吉林 長春130012)

0 引 言

通信原理課程是通信工程專業的標志性課程。實驗教學是“通信原理”課程教學中的一個重要環節。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［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，實驗開設項目有限，開設綜合設計性實驗受限，不利于學生創新能力的提高［4-6］。借助Matlab 軟件來實現通信原理實驗，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生深化對通信原理理論的學習［7-8］。

SystemView 是美國ELANIX 公司推出的基于Windows 環境的用于系統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，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫代碼即可完成各種系統的設計與仿真。利用SystemView 可以構造各種復雜的模擬、數字系統，可用于各種線性系統或非線性系統的設計和仿真［9-10］。同時SystemView 提供功能強大的分析功能，可以根據用戶的需要進行各種分析，例如相關分析、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 通信系統的調制解調原理

1.1 調制原理

在AM 通信系統的發送端，經過幅度調制器的一般模型，可以產生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 調制信號是幅度調制，是基帶信號m(t)對載波的幅度進行調制。也就是說，已調波AM 信號攜帶了基帶信號的全部信息。調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;SAM(ω)為已調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用功率譜來描述，此時已調信號與基帶信號的功率譜關系如下式所示。

其中:PAM(ω)、Pm(ω)為已調AM 信號的功率譜、基帶信號的功率譜。

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

1.2 解調原理

解調的功能是從經過信道傳輸過來的已調信號中恢復出發送的基帶信號。AM 信號的解調有相干解調與非相干解調兩種方式。當采用相干解調時，需要在接收端提供一個和發送端同步的本地載波。當收發兩端同步時，接收端可以恢復一個不失真的基帶信號m(t)。AM 信號的解調還可以采用非相干解調方式，比如包絡檢波器，此時，在接收端不需要本地載波。包絡檢波器從已調信號的包絡中直接提取基帶信號的信息。但是包絡檢波器的使用是有條件的，它要求已調波AM 信號應為線性調幅信號。線性調幅的AM 信號的包絡里攜帶了基帶信號的全部信息。已調波信號是否為線性調幅的衡量指標是AM 信號的調制指數，其定義為

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

1.3 信 道

信道是通信系統中的傳輸媒質。我們希望信道能夠高保真地傳輸已調波信號，但是由于在信道中存在著干擾與噪聲，因此，經過信道的信號經解調后得到的基帶信號，往往都會有失真。通信系統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 通信系統的SystemView 實現

圖1 為基于SystemView 的AM 系統調制與解調模型。圖中各器件參數設置如表1 所示。

圖1 基于Systemview 的AM 系統調制與解調模型

表1 AM 通信系統仿真電路圖標參數表

在圖1 中，發送端按式(1)構建了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器對AM 信號進行解調。

2.1 發送端AM 信號的產生模型

AM 信號的產生是通過兩個正弦信號發生器(Token0 與Token3)、一個乘法器(Token2)、一個增益器(Token1)和一個加法器(Token4)來實現的。Token0 是載波發生器，Token3 是基帶信號發生器，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 信號的調制指數的。

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生器(Token6)和一個加法器(Token5)來實現。Token6 的噪聲功率的大小直接影響了整個通信系統的通信質量，因此，想觀察噪聲對AM 通信系統性能的影響，可以調節Token6 的功率。

2.3 接收端AM 信號解調模型

不論AM 信號是過調幅還是線性調幅，都可以采用相干解調來恢復基帶信號。圖1 中的相干解調器由一個乘法器(Token13)、一個低通濾波器(Token7)和一個正弦信號發生器(Token12)來實現。相干解調器需要一個本地載波，本地載波由Token12 來產生。為了正確恢復基帶信號，Token12 應該與發送端載波(Token0)同步，即同頻與同相。如果想觀察收發不同步對AM 通信系統的影響，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 仿真結果

圖2 給出了在AM 通信系統中，基帶信號、載波、已調波以及解調恢復的基帶信號的時域與頻域波形。圖中左側由上而下為基帶信號、載波、已調波以及解調恢復的基帶信號的時域波形圖，右側為對應的頻譜圖。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，假設信道中沒有噪聲。所以可以看出接收端恢復的基帶信號與發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，發送端基帶信號與接收端恢復的基帶信號的波形圖，顯然，接收的基帶信號和發送的基帶信號比較有嚴重的失真。

圖2 AM 通信系統中基帶信號、載波、已調波以及解調恢復的基帶信號的時域與頻域波形圖

圖3 有信道噪聲的發送基帶信號與恢復基帶信號波形圖

改變器件的參數，可以觀察AM 調制系統中的典型現象。比如，改變增益系數，就可以觀察AM 信號的調制程度;改變本地載波的頻率或相位，可以觀察發送端與接收端載波不同步對通信質量的影響;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 語

通過利用SystemView 建立的AM 通信系統的仿真實驗，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，具有以下的優勢:①系統建立成本低，簡捷;②參數調節方便;③顯示窗口豐富。這個是SystemView 很強大的優勢。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性的感覺，并且可以借助Note Pad幫助對通信原理的理解?？傊?，利用SystemView 來實現通信原理的實驗，更容易讓使用者將主要精力集中在通信原理理論的學習與驗證上。

［1］ 哈聰穎，王 俊，張有光. 通信專業類綜合性實驗研究與探索［J］.實驗室研究與探索，2013，32(8):170-173.

［2］ 夏江濤，孫冬嬌.Matlab 在現代通信原理課程中的應用［J］.實驗技術與管理，2014，31(1):110-113.

［3］ 井敏英.2FSK 通信系統信道仿真分析［J］. 實驗室研究與探索，2013，32(11):82-84.

［4］ 包永強.“通信原理”課程實踐教學探討［J］. 電氣電子教學學報，2013，35(4):114-116.

［5］ 田竹梅.通信原理課程教學改革實驗與探索［J］. 九江學院學報(自然科學版)，2013(1):122-124.

［6］ 張 鳴.通信原理仿真實驗系統設計與實現［J］. 實驗技術與管理，2013，30(6):54-57.

［7］ 李 安，周南潤，王玉皞.通信工程國家級特色專業虛擬實驗室建設與實踐［J］.實驗室研究與探索，2013，32(1):150-154.

［8］ 李 欣，謝 宏.虛擬儀器技術在通信原理教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2014，33(5):155-159.

［9］ 徐升槐.基于SystemView 的QPSK 仿真與分析［J］. 實驗技術與管理，2009，26(4):73-75.

［10］ 張艷紅，趙 恒.通信原理課程教學改革探索［J］.河南教學學院學報(自然科學版)，2013，22(3):62-63.

［11］ 許正榮，賈賢龍，李 陽，等.通信原理實驗教學改革與實踐［J］.實驗技術與管理，2013，30(4):171-174.

［12］ 龐 姣，王 虹，趙 璞. SystemView 在通信原理實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2011，28(8):267-268.

［13］ 趙 蓉，李 莉，項 東，等.現代通信原理教程［M］.北京:北京郵電大學出版社，2009.

［14］ 樊昌信，曹麗娜. 通信原理［M］.7 版. 北京:國防工業出版社，2012.

［15］ 周炯槃，龐沁華，續大我，等. 通信原理［M］.3 版. 北京:北京郵電大學出版社，2008.