基于LabVIEW 的AM 模擬通信系統仿真

郝富春

（吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022）

0 引言

隨著計算機仿真技術的發展，構筑通信系統仿真平臺，可以在計算機上顯示不同系統的工作原理，進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，為通信系統設計和研究提供強有力的指導。AM 的調制與解調是最基本的模擬通信系統，通過建立仿真模型能夠反映AM 模擬通信系統的動態工作情況，具有較強的演示性、可視性和實用性，是學習、研究和設計通信系統強有力的工具。

1 LabVIEW 簡介

LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了程序的執行順序[2]。LabVIEW 提供很多外觀與傳統儀器（如慮波器、頻譜分析等）類似的控件，可以方便地創建用戶界面。通過使用圖標和連線編程對前面板上的對象進行控制，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 有一個人機對話的用戶界面——前面板（Front Panel）和相當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用于數據采集、分析、顯示與存儲等[3]。

2 線性調制原理

線性調制是正弦載波的幅度隨調制信號做線性變化的過程，模型如圖1 所示。

圖1 線性調制的一般模型

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

設調制信號m(t)的頻譜為m(ω)，濾波器沖擊響應h(t)的頻域響應為H(ω)，則該模型

輸出已調信號的時域和頻域一般表示為

2.1 振幅調制（AM）原理

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

圖2 AM 調制模型

AM 信號的波形和頻譜如圖3 所示。

圖3 AM 信號的波形和頻譜

設基帶信號m(t)的最高頻率為ωH，則AM 調制信號的帶寬B=2ωH，因此AM 信號占用的帶寬較大。

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

2.2 線性調制的解調

線性調制的解調方法分為相干解調和非相干解調兩大類。

非相干解調（又稱包絡檢波）是從已調信號的幅度變化中提取原基帶信號。非相干解調實現起來非常簡單，但它只適應于包含有載波的普通調幅信號AM，且存在門限效應。DSB 和SSB 信號不能采用簡單的包絡檢波，它們的包絡不能直接反應調解信號的變化，所以仍需采用相干解調。對于接收端插入大載波時的SSB 和VSB 調制信號，可以用包絡檢波器調解出原基帶信號。

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

圖4 相干解調的一般模型

AM 信號的相干解調原理

假設輸入信號為SAM(t)，經乘法器后得

經低通濾波（LPF）后，其中的2ωc頻率分量被濾除，得

3 幅度調制（AM）系統的仿真

根據系統的工作原理設計仿真系統，調整仿真系統參數，觀察系統工作狀態，記錄相關參數及相應工作曲線并進行分析[5]。

3.1 AM 系統程序

AM 掩飾程序.vi 前面板如圖5 所示。通過前面板參數值的設置，可得到所需頻率和幅度的AM 信號，并能夠實現對該信號的調制和解調，最后用簇將信號的波形和頻譜分別進行打包后，通過Waveform Graph 將信號的波形和頻譜顯示出來。輸入“信號類型”、“基帶頻率”、“基帶幅值”、“載波頻率”、“載波幅值”、及“高斯白噪聲”的數值，然后單擊運行按鈕，就可以看到Waveform Graph 顯示的原始信號、AM 調制信號、解調后信號的波形圖及頻譜圖。若單擊“返回”按鈕，則系統關閉，返回到調用該程序的上一程序界面。

圖5 AM 系統前面板

AM 掩飾程序.vi 的后面板如圖6 所示。

圖6 AM 系統后面板

從后面板程序中可以清楚的看出AM 系統的構成及前面板功能是如何實現的，這也正是LabVIEW 框圖化程序獨特的優點。雙擊后面板中任意一個輸入或顯示控件，都會跳轉至前面板看到該控件的輸入項或顯示結果。雙擊后面板中任意一個子程序，都會進入相應子程序的前、后面板，可看到子程序的具體實現。

從圖6 可見，發送端的基帶信號經AM 調制模塊后產生AM 信號，圖中AM 信號為AM 信號的時域波形，基帶信號和AM 信號經捆綁后經FFT 運算得到基帶信號和AM 信號的頻譜（即圖中的“頻譜分析”）。AM 信號送入信道，仿真信道子程序經信道加入高斯白噪聲后到達接收端，接收端將AM 調制信號先于載波相乘，然后通過一個低通濾波器（即相干解調），接收濾波器的截止頻率要略高于基帶信號頻率，便得到了AM 解調信號，即圖5、圖6 中所示的。

改變基帶信號的“波形類型”、“基帶幅度”、“基帶頻率”，會看到解調出的AM 解調信號也相應改變，改變載波頻率，會在“頻譜分析”中看到AM 頻譜移動，可見該系統實現了正確傳輸。

3.2 AM 調制子程序

AM 調制子程序名為AM 調制.vi，本程序可以實時顯示系統中各點的時域波形、頻譜的搬移過程、調制與解調的詳細實現過程。圖7 為AM 調制模塊前面板。

圖7 AM 調制模塊前面板

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

圖8 AM 調制模塊后面板

4 結論

本文以虛擬儀器仿真軟件LabVIEW 為基礎，利用子模塊程序、參數設計模塊、主程序模塊和圖像顯示模塊來實現幅度AM 模擬通信系統仿真，動態展現了AM 模擬調制系統的時域波形與頻域頻譜的關系，用于數字和實驗中，加深了學生的理解，收到了良好的效果。

［1］Wilian H.Tranter，K.San Shanmugan，Theoder S.Rappapor，Kurt L.Losbar，等.通信系統仿真原理與無線應用[M].北京：機械工業出版社，2005：10-15.

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

［3］戴敬，王世立.LabVIEW 基礎教程[M].北京：國防工業出版社，2002：3-20.

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

［5］李環，任波，華宇寧.通信系統仿真設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2009.