李 莉， 吳 迪

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012)

0 引 言

通信原理課程是通信工程專(zhuān)業(yè)的標(biāo)志性課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“通信原理”課程教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。以往的通信原理實(shí)驗(yàn)通常是借助硬件實(shí)驗(yàn)箱或者M(jìn)atlab 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)［1-3］。借助實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成通信原理實(shí)驗(yàn)，只能進(jìn)行固定的線路連接，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)項(xiàng)目有限，開(kāi)設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)受限，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高［4-6］。借助Matlab 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)通信原理實(shí)驗(yàn)，能動(dòng)性較實(shí)驗(yàn)箱要有改進(jìn)，但由于Matlab是代碼級(jí)編程語(yǔ)言，并且其顯示功能有限，在時(shí)效性上不利于學(xué)生深化對(duì)通信原理理論的學(xué)習(xí)［7-8］。

SystemView 是美國(guó)ELANIX 公司推出的基于Windows 環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。其界面友好，使用方便，用戶(hù)可以用圖符(Token)描述自己的系統(tǒng)，無(wú)需與復(fù)雜的程序語(yǔ)言打交道，不用寫(xiě)代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。利用SystemView 可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字系統(tǒng)，可用于各種線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真［9-10］。同時(shí)SystemView 提供功能強(qiáng)大的分析功能，可以根據(jù)用戶(hù)的需要進(jìn)行各種分析，例如相關(guān)分析、頻譜分析等，這些給通信原理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了極大的方便［11-12］。

1 AM 通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理

1.1 調(diào)制原理

在AM 通信系統(tǒng)的發(fā)送端，經(jīng)過(guò)幅度調(diào)制器的一般模型，可以產(chǎn)生AM 信號(hào)。AM 信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如下所示:

其中:A0為載波分量的幅度;m(t)為基帶信號(hào);cos ωct為載波。AM 調(diào)制信號(hào)是幅度調(diào)制，是基帶信號(hào)m(t)對(duì)載波的幅度進(jìn)行調(diào)制。也就是說(shuō)，已調(diào)波AM 信號(hào)攜帶了基帶信號(hào)的全部信息。調(diào)制的目的是將低頻的基帶信號(hào)搬移到高頻，從而易于傳輸。這是AM 廣播在發(fā)送端的原理。

AM 信號(hào)的頻域表示有兩種形式。當(dāng)基帶信號(hào)是確知信號(hào)時(shí)，可以借助傅里葉變換求得式(1)的頻域表示式，如下:

其中:δ(ω)為沖激函數(shù);SAM(ω)為已調(diào)AM 信號(hào)的譜;M(ω)為基帶信號(hào)的頻譜。當(dāng)基帶信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)時(shí)，基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)的譜均應(yīng)用功率譜來(lái)描述，此時(shí)已調(diào)信號(hào)與基帶信號(hào)的功率譜關(guān)系如下式所示。

其中:PAM(ω)、Pm(ω)為已調(diào)AM 信號(hào)的功率譜、基帶信號(hào)的功率譜。

顯然，為了描述發(fā)送端的AM 信號(hào)，不僅要在時(shí)域內(nèi)描述其波形，還有在頻域內(nèi)描述其特征，頻域又分兩種情形，傅里葉頻譜與功率譜。

1.2 解調(diào)原理

解調(diào)的功能是從經(jīng)過(guò)信道傳輸過(guò)來(lái)的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出發(fā)送的基帶信號(hào)。AM 信號(hào)的解調(diào)有相干解調(diào)與非相干解調(diào)兩種方式。當(dāng)采用相干解調(diào)時(shí)，需要在接收端提供一個(gè)和發(fā)送端同步的本地載波。當(dāng)收發(fā)兩端同步時(shí)，接收端可以恢復(fù)一個(gè)不失真的基帶信號(hào)m(t)。AM 信號(hào)的解調(diào)還可以采用非相干解調(diào)方式，比如包絡(luò)檢波器，此時(shí)，在接收端不需要本地載波。包絡(luò)檢波器從已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)中直接提取基帶信號(hào)的信息。但是包絡(luò)檢波器的使用是有條件的，它要求已調(diào)波AM 信號(hào)應(yīng)為線性調(diào)幅信號(hào)。線性調(diào)幅的AM 信號(hào)的包絡(luò)里攜帶了基帶信號(hào)的全部信息。已調(diào)波信號(hào)是否為線性調(diào)幅的衡量指標(biāo)是AM 信號(hào)的調(diào)制指數(shù)，其定義為

當(dāng)βAM≤1 時(shí)，AM 信號(hào)為線性調(diào)幅;βAM＞1 時(shí)，AM 信號(hào)為過(guò)調(diào)幅［13-15］。

1.3 信 道

信道是通信系統(tǒng)中的傳輸媒質(zhì)。我們希望信道能夠高保真地傳輸已調(diào)波信號(hào)，但是由于在信道中存在著干擾與噪聲，因此，經(jīng)過(guò)信道的信號(hào)經(jīng)解調(diào)后得到的基帶信號(hào)，往往都會(huì)有失真。通信系統(tǒng)中常用的信號(hào)模型有加性高斯白噪聲信道模型、瑞利衰落信道模型、萊斯衰落信道模型。

2 AM 通信系統(tǒng)的SystemView 實(shí)現(xiàn)

圖1 為基于SystemView 的AM 系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)模型。圖中各器件參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

圖1 基于Systemview 的AM 系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)模型

表1 AM 通信系統(tǒng)仿真電路圖標(biāo)參數(shù)表

在圖1 中，發(fā)送端按式(1)構(gòu)建了AM 信號(hào)，信道采用了加性高斯白噪聲信道，接收端采用了相干解調(diào)器對(duì)AM 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

2.1 發(fā)送端AM 信號(hào)的產(chǎn)生模型

AM 信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)兩個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生器(Token0 與Token3)、一個(gè)乘法器(Token2)、一個(gè)增益器(Token1)和一個(gè)加法器(Token4)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Token0 是載波發(fā)生器，Token3 是基帶信號(hào)發(fā)生器，所以Token0 的正弦信號(hào)的頻率比Token3 的正弦信號(hào)的頻率要高，Token1 是用來(lái)改變AM 信號(hào)的調(diào)制指數(shù)的。

2.2 信道模型

信道僅考慮了加性高斯白噪聲情形，因此，用一個(gè)高斯白噪聲發(fā)生器(Token6)和一個(gè)加法器(Token5)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Token6 的噪聲功率的大小直接影響了整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，因此，想觀察噪聲對(duì)AM 通信系統(tǒng)性能的影響，可以調(diào)節(jié)Token6 的功率。

2.3 接收端AM 信號(hào)解調(diào)模型

不論AM 信號(hào)是過(guò)調(diào)幅還是線性調(diào)幅，都可以采用相干解調(diào)來(lái)恢復(fù)基帶信號(hào)。圖1 中的相干解調(diào)器由一個(gè)乘法器(Token13)、一個(gè)低通濾波器(Token7)和一個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生器(Token12)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào)器需要一個(gè)本地載波，本地載波由Token12 來(lái)產(chǎn)生。為了正確恢復(fù)基帶信號(hào)，Token12 應(yīng)該與發(fā)送端載波(Token0)同步，即同頻與同相。如果想觀察收發(fā)不同步對(duì)AM 通信系統(tǒng)的影響，可以改變本地載波的頻率和相位，即可看到效果。低通濾波器設(shè)計(jì)為6 階、截止頻率為1 kHz 的模擬契比雪夫?yàn)V波器。這個(gè)濾波器讓基帶信號(hào)信號(hào)通過(guò)。

3 仿真結(jié)果

圖2 給出了在AM 通信系統(tǒng)中，基帶信號(hào)、載波、已調(diào)波以及解調(diào)恢復(fù)的基帶信號(hào)的時(shí)域與頻域波形。圖中左側(cè)由上而下為基帶信號(hào)、載波、已調(diào)波以及解調(diào)恢復(fù)的基帶信號(hào)的時(shí)域波形圖，右側(cè)為對(duì)應(yīng)的頻譜圖。在圖1 中，基帶信號(hào)采用的是確知信號(hào)，因此，各信號(hào)的譜均用傅里葉頻譜來(lái)描述。在圖2 仿真中，假設(shè)信道中沒(méi)有噪聲。所以可以看出接收端恢復(fù)的基帶信號(hào)與發(fā)送端的基帶信號(hào)的幅頻特性是沒(méi)有差別的。圖3為當(dāng)有信道噪聲(Dev=0.5 V)時(shí)，發(fā)送端基帶信號(hào)與接收端恢復(fù)的基帶信號(hào)的波形圖，顯然，接收的基帶信號(hào)和發(fā)送的基帶信號(hào)比較有嚴(yán)重的失真。

圖2 AM 通信系統(tǒng)中基帶信號(hào)、載波、已調(diào)波以及解調(diào)恢復(fù)的基帶信號(hào)的時(shí)域與頻域波形圖

圖3 有信道噪聲的發(fā)送基帶信號(hào)與恢復(fù)基帶信號(hào)波形圖

改變器件的參數(shù)，可以觀察AM 調(diào)制系統(tǒng)中的典型現(xiàn)象。比如，改變?cè)鲆嫦禂?shù)，就可以觀察AM 信號(hào)的調(diào)制程度;改變本地載波的頻率或相位，可以觀察發(fā)送端與接收端載波不同步對(duì)通信質(zhì)量的影響;改變低通濾波器的截止頻率，例如將截止頻率改為500 Hz，可以觀察基帶信號(hào)的失真。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)利用SystemView 建立的AM 通信系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出SystemView 是一種非常方便的用于理解和掌握通信原理的實(shí)驗(yàn)手段。與實(shí)驗(yàn)箱相比，利用SystemView 來(lái)完成通信原理的實(shí)驗(yàn)，具有以下的優(yōu)勢(shì):①系統(tǒng)建立成本低，簡(jiǎn)捷;②參數(shù)調(diào)節(jié)方便;③顯示窗口豐富。這個(gè)是SystemView 很強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常示波器就是雙蹤的，也就能同時(shí)看兩路信號(hào)。另外，在實(shí)驗(yàn)室要觀察頻譜，需要用頻譜分析儀，成本很高。而SystemVieW 可以提供更多路的顯示，并且可以提供各種分析手段，并顯示出來(lái)。與利用Matlab 軟件實(shí)現(xiàn)通信原理實(shí)驗(yàn)相比，SystemView 的圖形化語(yǔ)言，不需要代碼編程，可以給使用者更直觀的系統(tǒng)性的感覺(jué)，并且可以借助Note Pad幫助對(duì)通信原理的理解?？傊肧ystemView 來(lái)實(shí)現(xiàn)通信原理的實(shí)驗(yàn)，更容易讓使用者將主要精力集中在通信原理理論的學(xué)習(xí)與驗(yàn)證上。

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