基于SystemView 的AM 通信系统仿真设计

2015-12-23李莉，吴迪

实验室研究与探索 2015年9期

李莉，吴迪

(吉林大学通信工程学院，吉林长春130012)

0 引言

通信原理课程是通信工程专业的标志性课程。实验教学是“通信原理”课程教学中的一个重要环节。以往的通信原理实验通常是借助硬件实验箱或者Matlab 软件来实现［1-3］。借助实验箱来完成通信原理实验，只能进行固定的线路连接，以验证性实验为主，实验开设项目有限，开设综合设计性实验受限，不利于学生创新能力的提高［4-6］。借助Matlab 软件来实现通信原理实验，能动性较实验箱要有改进，但由于Matlab是代码级编程语言，并且其显示功能有限，在时效性上不利于学生深化对通信原理理论的学习［7-8］。

SystemView 是美国ELANIX 公司推出的基于Windows 环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。其界面友好，使用方便，用户可以用图符(Token)描述自己的系统，无需与复杂的程序语言打交道，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。利用SystemView 可以构造各种复杂的模拟、数字系统，可用于各种线性系统或非线性系统的设计和仿真［9-10］。同时SystemView 提供功能强大的分析功能，可以根据用户的需要进行各种分析，例如相关分析、频谱分析等，这些给通信原理实验带来了极大的方便［11-12］。

1 AM 通信系统的调制解调原理

1.1 调制原理

在AM 通信系统的发送端，经过幅度调制器的一般模型，可以产生AM 信号。AM 信号的时域表达式如下所示:

其中:A0为载波分量的幅度;m(t)为基带信号;cos ωct为载波。AM 调制信号是幅度调制，是基带信号m(t)对载波的幅度进行调制。也就是说，已调波AM 信号携带了基带信号的全部信息。调制的目的是将低频的基带信号搬移到高频，从而易于传输。这是AM 广播在发送端的原理。

AM 信号的频域表示有两种形式。当基带信号是确知信号时，可以借助傅里叶变换求得式(1)的频域表示式，如下:

其中:δ(ω)为冲激函数;SAM(ω)为已调AM 信号的谱;M(ω)为基带信号的频谱。当基带信号为随机信号时，基带信号与频带信号的谱均应用功率谱来描述，此时已调信号与基带信号的功率谱关系如下式所示。

其中:PAM(ω)、Pm(ω)为已调AM 信号的功率谱、基带信号的功率谱。

显然，为了描述发送端的AM 信号，不仅要在时域内描述其波形，还有在频域内描述其特征，频域又分两种情形，傅里叶频谱与功率谱。

1.2 解调原理

解调的功能是从经过信道传输过来的已调信号中恢复出发送的基带信号。AM 信号的解调有相干解调与非相干解调两种方式。当采用相干解调时，需要在接收端提供一个和发送端同步的本地载波。当收发两端同步时，接收端可以恢复一个不失真的基带信号m(t)。AM 信号的解调还可以采用非相干解调方式，比如包络检波器，此时，在接收端不需要本地载波。包络检波器从已调信号的包络中直接提取基带信号的信息。但是包络检波器的使用是有条件的，它要求已调波AM 信号应为线性调幅信号。线性调幅的AM 信号的包络里携带了基带信号的全部信息。已调波信号是否为线性调幅的衡量指标是AM 信号的调制指数，其定义为

当βAM≤1 时，AM 信号为线性调幅;βAM＞1 时，AM 信号为过调幅［13-15］。

1.3 信道

信道是通信系统中的传输媒质。我们希望信道能够高保真地传输已调波信号，但是由于在信道中存在着干扰与噪声，因此，经过信道的信号经解调后得到的基带信号，往往都会有失真。通信系统中常用的信号模型有加性高斯白噪声信道模型、瑞利衰落信道模型、莱斯衰落信道模型。

2 AM 通信系统的SystemView 实现

图1 为基于SystemView 的AM 系统调制与解调模型。图中各器件参数设置如表1 所示。

图1 基于Systemview 的AM 系统调制与解调模型

表1 AM 通信系统仿真电路图标参数表

在图1 中，发送端按式(1)构建了AM 信号，信道采用了加性高斯白噪声信道，接收端采用了相干解调器对AM 信号进行解调。

2.1 发送端AM 信号的产生模型

AM 信号的产生是通过两个正弦信号发生器(Token0 与Token3)、一个乘法器(Token2)、一个增益器(Token1)和一个加法器(Token4)来实现的。Token0 是载波发生器，Token3 是基带信号发生器，所以Token0 的正弦信号的频率比Token3 的正弦信号的频率要高，Token1 是用来改变AM 信号的调制指数的。

2.2 信道模型

信道仅考虑了加性高斯白噪声情形，因此，用一个高斯白噪声发生器(Token6)和一个加法器(Token5)来实现。Token6 的噪声功率的大小直接影响了整个通信系统的通信质量，因此，想观察噪声对AM 通信系统性能的影响，可以调节Token6 的功率。

2.3 接收端AM 信号解调模型

不论AM 信号是过调幅还是线性调幅，都可以采用相干解调来恢复基带信号。图1 中的相干解调器由一个乘法器(Token13)、一个低通滤波器(Token7)和一个正弦信号发生器(Token12)来实现。相干解调器需要一个本地载波，本地载波由Token12 来产生。为了正确恢复基带信号，Token12 应该与发送端载波(Token0)同步，即同频与同相。如果想观察收发不同步对AM 通信系统的影响，可以改变本地载波的频率和相位，即可看到效果。低通滤波器设计为6 阶、截止频率为1 kHz 的模拟契比雪夫滤波器。这个滤波器让基带信号信号通过。

3 仿真结果

图2 给出了在AM 通信系统中，基带信号、载波、已调波以及解调恢复的基带信号的时域与频域波形。图中左侧由上而下为基带信号、载波、已调波以及解调恢复的基带信号的时域波形图，右侧为对应的频谱图。在图1 中，基带信号采用的是确知信号，因此，各信号的谱均用傅里叶频谱来描述。在图2 仿真中，假设信道中没有噪声。所以可以看出接收端恢复的基带信号与发送端的基带信号的幅频特性是没有差别的。图3为当有信道噪声(Dev=0.5 V)时，发送端基带信号与接收端恢复的基带信号的波形图，显然，接收的基带信号和发送的基带信号比较有严重的失真。

图2 AM 通信系统中基带信号、载波、已调波以及解调恢复的基带信号的时域与频域波形图

图3 有信道噪声的发送基带信号与恢复基带信号波形图

改变器件的参数，可以观察AM 调制系统中的典型现象。比如，改变增益系数，就可以观察AM 信号的调制程度;改变本地载波的频率或相位，可以观察发送端与接收端载波不同步对通信质量的影响;改变低通滤波器的截止频率，例如将截止频率改为500 Hz，可以观察基带信号的失真。

4 结语

通过利用SystemView 建立的AM 通信系统的仿真实验，可以看出SystemView 是一种非常方便的用于理解和掌握通信原理的实验手段。与实验箱相比，利用SystemView 来完成通信原理的实验，具有以下的优势:①系统建立成本低，简捷;②参数调节方便;③显示窗口丰富。这个是SystemView 很强大的优势。在实验室用实验箱完成实验时，通常示波器就是双踪的，也就能同时看两路信号。另外，在实验室要观察频谱，需要用频谱分析仪，成本很高。而SystemVieW 可以提供更多路的显示，并且可以提供各种分析手段，并显示出来。与利用Matlab 软件实现通信原理实验相比，SystemView 的图形化语言，不需要代码编程，可以给使用者更直观的系统性的感觉，并且可以借助Note Pad帮助对通信原理的理解。总之，利用SystemView 来实现通信原理的实验，更容易让使用者将主要精力集中在通信原理理论的学习与验证上。

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