基于MATLAB的模拟线性通信系统可视化设计

薛文玲，路 遥，尹永超，谢业欣

（1.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002；2.河北大学 工商学院信息科学与工程学部，河北 保定 071002）

0 引言

通信原理课程是通信工程以及电子信息工程专业的一门非常重要的专业课，学好这门课程对学生理解信号的传输和交换具有重要的意义[1]。这门课程主要以各种通信系统的基本理论为研究对象，具有较强的抽象性。另外，对信号的分析通常需要借助于频域来理解，由于学生对频域的概念没有直观的认识，给理论学习带来了一定的困难。利用MATLAB语言对模拟通信系统进行可视化仿真设计，能很方便地解决这个问题。

MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件系统，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。可以使抽象的概念得以直观地表示，繁琐的计算大大简化，成为信号分析等领域的实用工具之一。本设计主要利用MATLAB方便的绘图功能以及友好的人机界面来进行设计[2]。

1 系统功能概述

1.1 模拟通信系统的原理

模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。由于低频的模拟信号一般不适合在信道中远距离传输，通常发送端需要对低频信号进行调制，接收端则需要解调才能恢复原信号。系统中主要包含两种变换：第一种是在发送端把连续消息变成原始电信号，并在接收端进行反变换，这种变换由模拟信息源和受信者来完成（原始电信号通常称为基带信号）；第二种变换是把基带信号变换成适合于在信道中传输的信号（带通信号），并在接收端进行反变换，这种变换通常由调制器和解调器来完成。

整个通信系统中需要对各种信号进行分析，主要是对时域和频域的分析。时域的波形可以通过示波器进行观察，学生对时域波形的理解比较透彻，但其包含的频谱成分却不容易看出来，这就需要对信号进行频谱分析，如何把频谱变换的公式通过MATLAB用图形表现出来，给学生一个直观形象的认识，是设计的重点和难点。

1.2 系统的总体功能

本系统通过对调制方式的选择，可利用幅度调制（AM）、单边带调制（SSB）和双边带调制（DSB）三种方式对基带信号进行调制，可同时直观地观察到信号经过不同的调制及解调方式产生的时域波形与频域波形。同时，可以根据实际需要调整各信号相应的参数，实现不同模拟线性通信系统的仿真研究。其框图如图1所示。

2 系统模块设计

2.1 模拟线性通信系统的调制

图1 系统功能框图

载波调制，就是用调制信号去控制载波参数的过程，使载波的某一个或几个参数按照调制信号的规律而变化。调制器的本质就是乘法器，它将基带信号和载波相乘，实现了幅度调制。为了方便起见，这里仅以幅度调制为例对系统功能进行简单介绍（见图2）。

图2 调幅器原理框图

调制模块的设计，关键在于时域坐标系与频域坐标系的转化。下面为调制模块的部分代码：

A=str2num（get（handles.edit_A，'string'））；%获取调制信号幅值

w=str2num（get（handles.edit_w，'string'））；%调制信号角频率

p=str2num（get（handles.edit_p，'string'））；%调制信号初始相位

A0=str2num（get（handles.edit_A0，'string'））；%获取直流偏量

t=-1：0.001：1；n=2001；Fn=1000；

m=A*sin（2*pi*w*t+p）+A0；%生成调制信号，即图 2 中 m（t）

plot（t，m）；%调制信号时域图形

Fs1=fft（m）；%傅里叶变换

Fs2=fftshift（Fs1）；%纠正使中心对称

f=（0：n-1）*Fn/n-Fn/2；

plot（f，abs（Fs2），'b'）；%调制信号频域图形

c_w=str2num（get（handles.edit_c_w，'string'））；%获取载波角频率

c=cos（2*pi*c_w*t）；%生成载波，即图 2 中 c（t）Sm=c*m；%生成调幅信号，即图2中Sm（t）plot（t，Sm）；%已调信号时域图形[3]

图3 调制界面

由图3可以看出，左半部分为时域波形，最上面的为频率比较低的基带信号，中间为高频的载波信号，最下面为调制之后的信号。经过调制之后，载波的频率没有发生任何变化，只是幅度随着基带信号而变化。右半边的图形为频域波形，从频谱图可以看出，幅度已调信号的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，频谱的形状不发生任何变化，这和理论上线性调制的定义完全相同。

2.2 模拟线性通信系统信道中的噪声影响

在信道加性高斯白噪声的影响下，各种模拟线性调制系统的抗噪声性能不同。为了方便，我们一般认为信道加性高斯白噪声为平稳窄带高斯噪声。

由于已调信号在信道中受噪声影响，解调前应通过一个带通滤波器，带通滤波器的作用是滤除已调信号以外的噪声。带通滤波器的带宽等于已调信号的频带宽度，既保证已调信号无失真地通过解调器，同时又最大限度的抑制噪声。在本设计中采用人为的产生高斯白噪声加入到系统中进行模拟仿真。

下面为噪声处理模块部分代码[4，5]：

n=2001；Fn=1000；Gn=awgn（Sm，10，'measured'）；%生成高斯白噪声

Sm_Gn=Sm+Gn；%添加高斯白噪声

Fs1=fft（Sm）；%傅里叶变换

Fs2=fftshift（Fs1）；%纠正使中心对称

f=（0：n-1）*Fn/n-Fn/2；axes（handles.axes_Sm_Gn_fft）；

plot（f，abs（Fs2），'b'）；%含噪声的信号频域图形

如图4所示，经过以上代码可以产生高斯随机噪声，噪声和带通信号在信道进行传输，到达接收端后需要对信号进行解调，解调之前需要先通过带通滤波器，滤除一部分噪声。

图4 含噪声信号波形

图5 带通滤波器及之后的信号波形

如图5所示，经过带通滤波器之后，带通滤波器之外的噪声全部滤掉了，可以很好地保证接收端的信噪比来满足系统要求。

2.3 模拟线性通信系统的解调

信号解调是信号调制的逆过程，即把在载频位置的已调信号的频谱搬回到原始基带位置。解调的方法有两种：相干解调和非相干解调（包络检波）。下面以相干解调为例进行说明，原理如图6所示。

图6 解调器原理框图

图7 解调界面

相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经过低通滤波器，取出低频分量，即可得到原始的基带信号。

从图7可以看出，经过接收端解调之后，可以把基带信号完全恢复出来，从而实现信号的传输。

3 结束语

本设计具有人机界面美观，各种波形对比形象、直观的特点，在通信原理课程的教学中，通过改变信号各个参数，以及对比时域、频域波形，有利于学生更加深刻地认识和理解模拟线性通信系统，对教学产生有益的辅助作用。

［1］樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］楼顺天，陈生潭，雷虎民.MATLAB7.X程序设计语言［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2000.

［3］约翰·G·普罗克斯.现代通信系统——使用MATLAB［M］.西安：西安交通大学出版社，2001.

［4］戴 虹，戴悟僧.MATLAB在通信原理仿真中的应用［J］.电子电气工程系，2001.

［5］李建新.现代通信系统分析与仿真——MATLAB通信工具箱［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2000.