基于Matlab的模擬通信調制信號仿真分析

瞿偉哲

摘要：模擬通信系統在中短波通信領域有著廣泛的應用，對模擬通信信號進行調制方式分析的數據源主要來自于實際接收數據。由于受到各種條件的限制，實際接收數據在教學科研中很難獲得，而仿真數據能夠通過仿真軟件生成。對模擬調制系統的工作流程進行了介紹，并給出了多種模擬調制信號的生成原理，對不同調制方式的性能進行分析，對AM，DSB，SSB，VSB，FM五種模擬通信數據進行仿真。仿真程序可對采樣頻率、信噪比等參數進行靈活設置，并按要求生成dat格式數據文件。仿真實驗結果包括上述信號的頻譜圖、時頻譜圖等，能夠為實際環境中通信系統和通信對抗設備的調試、驗證以及工程應用提供參考。

關鍵詞：模擬通信系統；調制信號；調制方式；信號仿真

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）09-52-4

近年來，通信輻射源模擬技術在電子對抗領域中發揮著越來越重要的作用[1]。通信源模擬技術能夠在高效能、低消耗的情況下逼真地模擬通信信號源，在復雜的電子對抗環境中大量消耗敵方的通信偵測、干擾和攻擊武器資源，具有十分重要的軍事意義[2]。通常的模擬技術通過使用計算機技術和特定的編程軟件、信號源等，產生各種需要的通信信號。通信信號的調制方式是通信信號最重要的特征之一，通信信號的調制方式不盡相同，如何準確、逼真地模擬各種調制信號，從而實現有效地識別、監視，是通信信號分析研究的重要課題[3]。在通信系統中，調制具有相當重要的作用。通過調制，不僅可以進行頻譜搬移，把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調制信號轉換成適合于信道傳輸或者便于多路復用的已調信號。對通信信號進行調制方式分析的數據源主要來自于實際接收數據，由于受到各種條件的限制，實際接收數據在教學科研中很難獲得，而仿真數據則可以自己產生，而且體制、頻率和帶寬等參數可以靈活設置。

模擬通信系統的基本組成如圖1所示，其中模擬調制可分為線性調制和非線性調制。

模擬通信系統主要包含2種重要變換：一是把連續信息變換成電信號，這種變換由發射端信息源完成；二是把電信號恢復成最初的連續消息，該變換由接收端信宿完成。由信源輸出的電信號稱為基帶信號，基帶信號具有頻率較低的頻譜成分，一般不能直接作為傳輸信號送到信道中去。因此，模擬通信系統里常有第2種變換，即將基帶信號轉換成適合信道傳輸的信號，這一變換由調制器完成；在接收端同樣需經相反的變換，它由解調器完成。經過調制后的信號稱為已調信號，具有3個基本特性：一是攜帶消息；二是適合在信道中傳輸；三是頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻。

信號源作為發送消息的源頭，負責將各類信息轉換成原始電信號。根據信號特性差異可以將信號源分類成數字信號源和模擬信號源。數字信號源發出的數字信號是離散的，而模擬信號源發出的信號是連續的。調制是發送終端設備最常用的轉換方式，負責將從信號源接收到的信號轉換成適合空間傳播的信號形式，并將該信號發往信道。信道定義為傳輸消息的通道，是接收設備終端和發送設備終端之間信號傳遞必經的載體，包括有線信道和無線信道，會將白噪聲引入到原始信號之中。解調器將接收到的原始信號基于信號解調原理，準確、真實地恢復出原有的基帶信號，然后將信號傳遞給最后的接收者，也就是信宿[5-6]。

線性調制通常是指幅度調制，即由調制信號去控制高頻載波的幅度，頻譜結構上完全是基帶信號頻譜在頻域內的簡單搬移，幅度調制主要包括AM，DSB，SSB，VSB等[7-8]。非線性調制通常指角度調制，已調信號的頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，若載波的頻率隨調制信號變化，稱為調頻（FM）；若載波的相位隨調制信號變化，稱為調相（PM）。與幅度調制相比，角度調制最突出的優勢是其較高的抗噪聲性能，代價是需要更大的帶寬[9]。

調制和解調在通信系統中是一個極為重要的組成部分，調制和解調的方式和性能直接影響到通信系統的性能。調制的實質是頻譜搬移，其作用和目的是[10]：

①實現頻譜搬移：將基帶信號搬移到適合信道傳輸的頻帶上去。

②容易輻射：天線的輻射能力與信號波長相關，為了實現同樣的輻射能力，天線的口徑與輻射信號的波長成比例。基帶信號的頻率一般較小，波長較大，意味著若直接將基帶信號輻射出去，天線的長度為幾十甚至幾百千米的量級。為了使天線容易輻射，一般將基帶信號調制到較高的頻率上去。

③實現頻率分配：為使各個無線電臺發出的信號互不干擾，每個電臺都被分配給不同的頻率。這樣利用調制技術把各種話音、音樂和圖像等基帶信號調制到不同的載頻上，以便用戶任意選擇電臺，收看收聽所需節目。

④實現多路復用：如果信道的通帶較寬，可以用一個信道傳輸多個基帶信號，只要把基帶信號分別調制到相鄰的載波，然后將它們一起送入信道傳輸即可。這種載頻域上實行的多路復用稱為頻分復用。

⑤提高系統抗噪聲、抗干擾能力：噪聲和干擾不可能完全消除，但是可以通過選擇適當的調制方式來減少它們的影響，不同的調制方式有不同的抗噪聲性能。

AM的優點是接收設備簡單，缺點是功率利用率低、抗干擾能力差、信號帶寬較寬、頻帶利用率不高，主要用在中短波調幅廣播等對通信質量要求不高的場合。DSB的優點是功率利用率高，帶寬與AM相同，主要用于調頻立體聲等點對點的專用通信及低帶寬信號多路復用系統。SSB的優點是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優于AM，而帶寬只有AM的一半，缺點是收發設備都復雜，常用在頻分多路系統中，如短波波段的無線電廣播和頻分多路復用系統中。VSB的抗噪聲性能和頻帶利用率與SSB相當，主要用于數據傳輸、電視廣播等領域。FM的幅度恒定不變，對非線性器件不敏感，具有抗快衰落特性，并且FM波的抗干擾能力強，廣泛應用于長距離、高質量的通信系統中，缺點是頻帶利用率低，存在門限效應。

基于Matlab軟件，仿真了理想條件下AM，DSB，SSB，VSB，FM等調制信號的時域圖、頻譜圖和時頻圖結果，用于研究分析模擬調制的時域和頻域特征。考慮生成更加逼真的模擬信號，將實際環境中采集的話音信號作為調制信號，基于Matlab生成了特定采樣頻率下的時域圖和頻域圖。

（1）模擬調制信號生成

模擬調制就是用基帶信號（調制信號）對載波波形的某些參量進行連續控制，也就是其基帶信號為連續信號。現實中的絕大多數信號，如語音信號等都是連續信號，用這樣的連續信號直接對載波調制就是模擬調制。在仿真模擬調制信號時，除了載波頻率和采樣頻率可靈活設置外，必須要考慮信道噪聲帶來的影響，在研究模擬調制信號與信道質量的關系時，一般先研究它在加性高斯白噪聲（AWGN）信道下的性能，然后再把它推廣到其他復雜情況。

在分析模擬通信信號時，一般對中頻信號進行采樣，然后對采樣數據進行頻譜分析、時頻分析以及功率譜估計來判別模擬信號的調制體制，所以本文將直接仿真AWGN信道下的模擬通信中頻信號。

圖2～圖6分別是AM，DSB，SSB，VSB，FM調制信號源的仿真結果，其中每種類型的仿真圖形中有分別包括時域圖、頻譜圖和時頻譜圖。

對于幅度調制信號，在波形上，它的幅度隨基帶信號規律變化；在頻譜結構上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜結構在頻域內的簡單搬移。由于這種搬移是線性的，因此幅度調制通常又稱為線性調制。角度調制包括頻率調制和相位調制。非線性調制通常是通過改變載波的頻率或相位來達到的，即載波的振幅保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號變化。

在介紹模擬通信系統的基礎上，對5種模擬調制方式進行了性能比較。為了使得生成的模擬調制信號更加真實，通過從語音文件中讀取數據并進行采樣頻率轉換以及幅度歸一化后產生調制信號，然后通過調用相關函數進行模擬調制，并直接生成AWGN信道下的模擬通信中頻信號，最后根據中頻信號數據記錄的格式生成int16格式的數據文件，以便在教學科研中通過信號分析軟件對信號帶寬、調制方式等進行分析，此外本文提供的上述信號的頻譜圖、時頻譜圖可以直觀區分模擬調制所采用的體制。

通信電子對抗在現代戰爭中具有關鍵作用，對通信系統和通信對抗設備的研究具有重要意義。基于Matlab仿真原理，對通信調制信號進行仿真分析，對實際環境中通信系統和通信對抗設備的調試、驗證等能夠起到關鍵作用，有利于指導通信模擬輻射源設備的工程設計和應用。

參考文獻

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