基于Simulink的調制解調仿真實驗室建設

歐世峰　崔嬌　高穎

摘 要 調制和解調是通信系統的重要構成部分。本文基于Matlab/Simulink軟件對語音通信傳輸過程中調制和解調過程進行模擬仿真模型構建，在此基礎上比較了包絡檢波和相干解調兩種解調方式的效果，且實驗結果驗證相干解調性能優于包絡檢波。而后利用Matlab GUI 設計了語音調制解調的用戶界面，可將其應用到高頻電子電路或通信原理的仿真實驗室建設中，以便學生更直觀地理解調制解調的原理。

關鍵詞 Matlab/Simulink 調制解調 相干解調 包絡檢波 GUI

中圖分類號：TN915.05 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.087

Construction of Simulation Laboratory for Modulation and

Demodulation Based on Simulink

OU Shifeng， CUI Jiao， GAO Ying

（School of Opto-electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）

Abstract Modulation and demodulation are important components of communication systems. In this paper， Matlab/Simulink software simulation model of modulation and demodulation of voice communication during the transmission process based on， on the basis of comparison of envelope detection and coherent demodulation of two demodulation results， and the experimental results show better performance than the coherent demodulation envelope detection. Then use Matlab GUI to design the voice modulation and demodulation of the user interface， which can be applied to the construction of the simulation laboratory of high frequency electronic circuit or communication principle in principle， so that students can better understand the modulation and demodulation.

Keywords Matlab/Simulink； modulation demodulation； coherent demodulation； envelope detection； GUI

0 引言

隨著計算機發展的日新月異以及通信系統設計復雜程度的增加，通信仿真實驗的優點逐漸顯現，為通信系統的教學設計提供了一條可靠而又便捷的途徑。Matlab是一款用于數據分析、數據可視化的高級技術語言和交互環境，且Simulink是Matlab中的一種圖形可視化的交互環境，與傳統的仿真實驗軟件相比，具有更直觀、靈活、方便的優點。本文以語音信號的調制與解調為例，簡述在Simulink軟件環境下建立仿真模型，從而進行仿真實驗并對實驗結果進行分析。同時利用Matlab GUI設計語音信號的調制解調的人機交互界面，可使學生對調制解調過程中所涉及到的信號的時域及頻域特性有更為直觀的認識，有助于學生更好地理解調制解調的原理，而且GUI界面還可應用于通信原理或高頻電子電路等課程的仿真實驗教學。

1 通信系統的基本原理

通信的目的是傳遞消息中包含的信息，通信系統的作用就是將信息從信源發送到一個或多個信宿。對于通信系統而言，首先要將信源產生的信號經過調制器調制轉化成適合在信道中傳輸的信號形式而后送入信道；在信號接收端，則利用解調器對接收信號進行與調制器功能相逆的變換，而后送給信宿再轉換成原始信號。調制和解調在通信系統中發揮著重要的作用。調制就是把基帶信號轉變成適合在信道中傳輸的通帶信號。調制分為模擬調制和數字調制，本文探究內容為模擬幅度調制簡稱調幅。標準的調幅就是常規的雙邊帶調制。在常規調幅實驗中將頻率為的調制信號與一個較高頻率 的載波信號相乘，得到一個變頻的通帶信號，則此時載波的幅度變化傳遞了消息信號所攜帶的信息。解調就是把通帶信號轉換成基帶信號送給信宿，同時應將附加的干擾信號等影響降至最低，其從頻域上看就是把通帶信號的邊帶搬回到低頻，也就是屬于線性頻譜搬移。解調的方法又分為相干解調和包絡檢波。

2 語音通信系統的Simulink建模

假設是語音信號，疊加了強度為的直流分量后得到 ；載波信號為，式中為載波幅度、為載波角頻率；為分析簡便，初相假設為0。對常規已調信號進行傅里葉變換，得到調幅信號的頻譜。基于幅度調制理論建立Simulink的語音通信模型，其中包含語音輸入、調制、解調和信噪比檢測模塊等。

信源采用From Multimedia File模塊，以采樣頻率為8000Hz的速度從語音信源signal1.wav中度讀入時長為2s的語音信號；后采用Buffer模塊將基于幀的并行信號進行串并轉換，轉化為基于樣值的格式；再通過Dumax模塊將語音信號一路讀出成為。載波采用Simulink中信號發生器Signal Generator產生一個幅度為1、頻率的正弦信號作為高頻載波。模型中將直流信號和相加后再與載波相乘生成已調信號；將此已調信號分成兩路，分別使用模擬濾波器Analog Filter Design對信號進行濾波，其中一路為未受到噪聲干擾的已調信號；另一路為加入由Random Number模塊產生的加性高斯噪聲干擾的已調信號，并用示波器Scope觀察兩路信號的差異。Simulink語音通信模型中解調過程分為相干解調和包絡檢波，旨在比較二者解調效果。包絡檢波是由Saturation模塊來模擬單向導通的非線性器件，后經過截止頻率為6kHz（因語音信號的頻率集中在0.3至3.4 kHz）的低通濾波器；相干解調則是由同頻同相的高頻正弦波相乘后經低通濾波實現，其中，用Scope1顯示采用相關解調和包絡檢波兩種解調方式所得到的解調后的信號波形。最后，在調制解調系統模型末端增加了信噪比檢測模塊。在該模塊中，輸入的解調信號通過濾波器后將信號與噪聲分離，以分別計算信號和噪聲的功率，進而計算輸入輸出信噪比。由于調制解調模塊較多，可以利用Simulink中具有層次結構的子系統模塊。

3 仿真實驗結果及分析

3.1 Simulink仿真實驗

本實驗采用的版本為Matlab R2014a；語音傳輸信道中加入了均值為0、方差為0.5的加性高斯白噪聲；Simulink仿真時間設定為2s。通過示波器Scope3可以看到輸入的原始語音信號如圖1，通過示波器Scope1可以看到兩路解調后所得到的基帶信號（上一路波形為包絡檢波后所得到的基帶信號，下一路波形為相干解調后所得到的基帶信號）如圖2所示。由圖2中解調后所得到的語音信號的時域波形可知，相干解調性能明顯優于包絡檢波。另外，通過信噪比檢測模塊，得出在上述條件下，相干解調的輸出信噪比為11.203 dB，包絡檢波的輸出信噪比為10.832dB，進而客觀地說明相干解調性能優于包絡檢波性能。

3.2 GUI仿真實驗

模擬語音信號輸入調制解調輸出過程，通過GUI封裝可以直觀地看出語音信號傳輸過程中信號時域及頻域特點（見圖3至圖8），有助于學生進一步理解調制解調過程的原理。

4 總結

利用Matlab/Simulink對完成語音信號傳輸的通信系統進行了系統構建、模型設計、仿真實驗和最終的結果顯示，并利用Matlab/GUI設計用于顯示該系統中基帶、已調、解調信號的時域及頻域波形的人機交互界面。文中的Simulink通信模型可應用于高頻電子電路及通信原理的課堂演示教學和仿真實驗中，進而助于學生更形象地理解調制解調系統的原理，激發學生的主觀能動性和創新能力，提高學生的學習興趣。

參考文獻

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