基于Simulink的VHF通信系統(tǒng)射頻信號(hào)動(dòng)態(tài)分析與仿真

張德 張懷才 楊雨航

摘 要：VHF通信系統(tǒng)在民航空中交通管制業(yè)務(wù)中具有廣泛應(yīng)用，其射頻信號(hào)形式為AM信號(hào)。本文借助Simulink基礎(chǔ)仿真工具，從時(shí)域、頻域兩個(gè)角度對(duì)VHF信號(hào)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析;依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)信號(hào)進(jìn)行建模、仿真，簡(jiǎn)明、直觀、動(dòng)態(tài)地展示VHF信號(hào)在調(diào)制過(guò)程中信號(hào)傳輸與變換。對(duì)于VHF通信系統(tǒng)射頻信號(hào)的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：VHF;Simulink;時(shí)域;頻域

中圖分類號(hào)：TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）19-0019-02

0 引言

VHF通信系統(tǒng)作為民航系統(tǒng)主用通信手段，在空中交通管制業(yè)務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。VHF通信系統(tǒng)射頻信號(hào)形式為AM信號(hào)，信號(hào)特性符合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)傳輸?shù)囊话闾卣鳎恼乱訴HF通信系統(tǒng)射頻信號(hào)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論AM信號(hào)在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的傳輸特性。

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的建模方法是先對(duì)系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行分析，得到它們的系統(tǒng)方程，然后編寫程序進(jìn)行仿真。這種仿真方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先是不夠直觀，缺乏足夠的人機(jī)交互。另外，這種方法缺乏系統(tǒng)性，尤其在對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的處理過(guò)程中，難以采用模塊化方法，從而降低了仿真程序的可讀性[2]。

1 Simulink簡(jiǎn)介

Simulink是一種用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模軟件包，它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型。利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、易用，并能依托MATLAB提供的豐富的仿真資源[3]。

Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率[4]。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，提供了一種更快捷、直接明了的方式。

2 VHF通信系統(tǒng)射頻信號(hào)特征

VHF射頻信號(hào)為AM信號(hào)，AM是用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波振幅，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的過(guò)程。

設(shè)調(diào)制信號(hào)m（t）的頻譜為M（ω），沖激響應(yīng)h（t）=δ（t），即濾波器H（ω）=1為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào)m（t）疊加直流信號(hào)A0后與載波相乘，就可形成AM信號(hào)。

其時(shí)域和頻域表示式分別為：

式中，A0為外加直流分量。

3 信號(hào)建模與分析

3.1 信號(hào)建模

以上述AM信號(hào)特征分析為基礎(chǔ)，依據(jù)信號(hào)傳輸流程，從時(shí)域、頻域兩個(gè)維度，建立系統(tǒng)模型如圖1所示。

在該系統(tǒng)模型主要包含以下模塊：

（1）隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器模塊（Random Integer Generator）。參數(shù)設(shè)置：M-ary number設(shè)為7，Initial seed設(shè)為1234，Sample time設(shè)為1/10，F(xiàn)ram-based outputs不選中。

（2）減法器模塊（Subtract、Subtract1）。值設(shè)為3。

（3）調(diào)幅模塊（DSBAM Modulator Pasband）。參數(shù)設(shè)置為Input signal offset設(shè)為4，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

（4）量化器模塊（Quantizer、Quantizer l）。Quantization interval設(shè)為0.001，Sample time設(shè)為0.001。

（5）頻譜分析器（msg signal spectrum、Modulated Signal Specturm）。參數(shù)設(shè)置分別是：在“Scope Properties”選項(xiàng)中，Buffer input選中，Buffer size設(shè)為512，Buffer overlap設(shè)為256;Specify FFT length選中，F(xiàn)FT length設(shè)為512。在“Axis Properties”選項(xiàng)中，F(xiàn)requency range選為[-Fs/2...Fs/2]。Minimum Y-limit設(shè)為-50，Maximum Y-limit設(shè)為50。

（6）數(shù)學(xué)函數(shù)模塊（Math Function）。參數(shù)設(shè)置：Function 選為magnitude2。

（7）求均值模塊（Mean）。參數(shù)設(shè)置：選中Running mean，整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)得到的功率均值。

（8）除法器模塊（Divide）。在參數(shù)設(shè)置中，把Number of inputs設(shè)為/*。

（9）顯示模塊。包括顯示消息信號(hào)時(shí)域波形（Scope l），已調(diào)信號(hào)時(shí)域波形（Scope）。

3.2 信號(hào)分析

依據(jù)上述系統(tǒng)模型，設(shè)置各模塊參數(shù)。在仿真參數(shù)設(shè)置中把Max step size設(shè)為0.001，Stop time設(shè)為10。所有設(shè)置完成后，運(yùn)行仿真，在仿真過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)地觀察到調(diào)制信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的波形以及它們的頻譜。

調(diào)制信號(hào)的時(shí)域信號(hào)如圖2所示，調(diào)制信號(hào)是由隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器模塊（Random Integer Generator）產(chǎn)生的消息信號(hào)，消息信號(hào)的信號(hào)范圍是[0，6]內(nèi)的隨機(jī)整數(shù);調(diào)制信號(hào)的頻域信號(hào)如圖3所示，是消息信號(hào)經(jīng)頻譜分析器模塊生成，由圖可知它主要由一個(gè)頻率分量組成，這與數(shù)學(xué)分析模型相一致。

已調(diào)信號(hào)的時(shí)域信號(hào)如圖4所示，已調(diào)信號(hào)是由消息信號(hào)和載波信號(hào)相乘得到的;已調(diào)信號(hào)的頻域信號(hào)如圖5所示，由圖可知它主要由兩個(gè)頻率分量組成，兩個(gè)頻譜分量分別為ω-ωc與（ω-ωc），較直觀的反應(yīng)了調(diào)制信號(hào)的頻譜分布。

4 結(jié)語(yǔ)

文章以VHF通信系統(tǒng)為切入點(diǎn)，重點(diǎn)分析了VHF射頻信號(hào)特征與動(dòng)態(tài)傳輸特性，建立了AM信號(hào)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析;借助動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，搭建了VHF調(diào)制系統(tǒng)模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并從時(shí)域、頻域兩個(gè)角度對(duì)調(diào)制信號(hào)和已調(diào)信號(hào)進(jìn)行分析;系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、直觀、定量的描述了VHF通信系統(tǒng)AM信號(hào)傳輸過(guò)程，對(duì)AM信號(hào)的解調(diào)分析具備一定的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] MH/T 4001.1-2016甚高頻地空通信地面系統(tǒng)第一部分[S].

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[3] 席在芳，鄔書躍，唐志軍，曾照福.基于SIMULINK的現(xiàn)代通信系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（10）：2966.

[4] 朱靜，楊曉靜.不同信道下的超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)Simulink仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008（10）：2709.