基于LabVIEW 的AM 模拟通信系统仿真

郝富春

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022）

0 引言

随着计算机仿真技术的发展，构筑通信系统仿真平台，可以在计算机上显示不同系统的工作原理，进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为通信系统设计和研究提供强有力的指导。AM 的调制与解调是最基本的模拟通信系统，通过建立仿真模型能够反映AM 模拟通信系统的动态工作情况，具有较强的演示性、可视性和实用性，是学习、研究和设计通信系统强有力的工具。

1 LabVIEW 简介

LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序[2]。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如虑波器、频谱分析等）类似的控件，可以方便地创建用户界面。通过使用图标和连线编程对前面板上的对象进行控制，这就是图形化源代码，又称“G 代码”或“程序框图代码”。LabVIEW 的核心是VI，VI 有一个人机对话的用户界面——前面板（Front Panel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram），前面板接受来自框图程序的指令。LabVIEW 还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等[3]。

2 线性调制原理

线性调制是正弦载波的幅度随调制信号做线性变化的过程，模型如图1 所示。

图1 线性调制的一般模型

AM 就是线性调制的一种，它利用调制信号去控制高频载波的幅度，使其随调制信号呈线性变化。在波形上，线性调制已调信号的幅度随基带信号变化而成正比的变化。

设调制信号m(t)的频谱为m(ω)，滤波器冲击响应h(t)的频域响应为H(ω)，则该模型

输出已调信号的时域和频域一般表示为

2.1 振幅调制（AM）原理

如果输入基带信号含有直流分量，且h(t)也是理想带通滤波器的冲激响应δ(t)，即滤波器（H(ω)=1）为全通网络，调制信号m(t)叠加直流后与载波相乘（模型见图2），就可以得到调幅（AM）信号[4]，其时域和频域表示式分别为

图2 AM 调制模型

AM 信号的波形和频谱如图3 所示。

图3 AM 信号的波形和频谱

设基带信号m(t)的最高频率为ωH，则AM 调制信号的带宽B=2ωH，因此AM 信号占用的带宽较大。

由于AM 信号中包含载波，信号功率中载波功率占据很大部分，因此功率利用率较低，为此，采用抑制载波的双边带（DSB）调制可以提高功率利用率。

2.2 线性调制的解调

线性调制的解调方法分为相干解调和非相干解调两大类。

非相干解调（又称包络检波）是从已调信号的幅度变化中提取原基带信号。非相干解调实现起来非常简单，但它只适应于包含有载波的普通调幅信号AM，且存在门限效应。DSB 和SSB 信号不能采用简单的包络检波，它们的包络不能直接反应调解信号的变化，所以仍需采用相干解调。对于接收端插入大载波时的SSB 和VSB 调制信号，可以用包络检波器调解出原基带信号。

相干解调（又称同步检波等），就是利用已调信号的相位变化来恢复调制信号，由相乘和低通滤波两部分组成，图4 为相干解调的原理模型图。相干解调对于AM、DSB、SSB 都适用，没有门限效应，但它要求本地载波和接收信号的载波必须保持同频和同相。

图4 相干解调的一般模型

AM 信号的相干解调原理

假设输入信号为SAM(t)，经乘法器后得

经低通滤波（LPF）后，其中的2ωc频率分量被滤除，得

3 幅度调制（AM）系统的仿真

根据系统的工作原理设计仿真系统，调整仿真系统参数，观察系统工作状态，记录相关参数及相应工作曲线并进行分析[5]。

3.1 AM 系统程序

AM 掩饰程序.vi 前面板如图5 所示。通过前面板参数值的设置，可得到所需频率和幅度的AM 信号，并能够实现对该信号的调制和解调，最后用簇将信号的波形和频谱分别进行打包后，通过Waveform Graph 将信号的波形和频谱显示出来。输入“信号类型”、“基带频率”、“基带幅值”、“载波频率”、“载波幅值”、及“高斯白噪声”的数值，然后单击运行按钮，就可以看到Waveform Graph 显示的原始信号、AM 调制信号、解调后信号的波形图及频谱图。若单击“返回”按钮，则系统关闭，返回到调用该程序的上一程序界面。

图5 AM 系统前面板

AM 掩饰程序.vi 的后面板如图6 所示。

图6 AM 系统后面板

从后面板程序中可以清楚的看出AM 系统的构成及前面板功能是如何实现的，这也正是LabVIEW 框图化程序独特的优点。双击后面板中任意一个输入或显示控件，都会跳转至前面板看到该控件的输入项或显示结果。双击后面板中任意一个子程序，都会进入相应子程序的前、后面板，可看到子程序的具体实现。

从图6 可见，发送端的基带信号经AM 调制模块后产生AM 信号，图中AM 信号为AM 信号的时域波形，基带信号和AM 信号经捆绑后经FFT 运算得到基带信号和AM 信号的频谱（即图中的“频谱分析”）。AM 信号送入信道，仿真信道子程序经信道加入高斯白噪声后到达接收端，接收端将AM 调制信号先于载波相乘，然后通过一个低通滤波器（即相干解调），接收滤波器的截止频率要略高于基带信号频率，便得到了AM 解调信号，即图5、图6 中所示的。

改变基带信号的“波形类型”、“基带幅度”、“基带频率”，会看到解调出的AM 解调信号也相应改变，改变载波频率，会在“频谱分析”中看到AM 频谱移动，可见该系统实现了正确传输。

3.2 AM 调制子程序

AM 调制子程序名为AM 调制.vi，本程序可以实时显示系统中各点的时域波形、频谱的搬移过程、调制与解调的详细实现过程。图7 为AM 调制模块前面板。

图7 AM 调制模块前面板

图8 为AM 调制模块后面板。用多谐波发生器产生一个仿真基带信号，将它和直流偏移相加，再和一个多谐波发生器产生的余弦载波相乘，便可以得到AM 调制信号（即图7 所示），这就完成了AM 信号的调制。

图8 AM 调制模块后面板

4 结论

本文以虚拟仪器仿真软件LabVIEW 为基础，利用子模块程序、参数设计模块、主程序模块和图像显示模块来实现幅度AM 模拟通信系统仿真，动态展现了AM 模拟调制系统的时域波形与频域频谱的关系，用于数字和实验中，加深了学生的理解，收到了良好的效果。

［1］Wilian H.Tranter，K.San Shanmugan，Theoder S.Rappapor，Kurt L.Losbar，等.通信系统仿真原理与无线应用[M].北京：机械工业出版社，2005：10-15.

［2］National Instruments.The Measurement and Automation Catalog.2002：49-137.

［3］戴敬，王世立.LabVIEW 基础教程[M].北京：国防工业出版社，2002：3-20.

［4］Rodrger E.Ziemer，Wiliam H.Tranter.通信原理系统调制与噪声[M].北京：高等教育出版社，2003，101-111.

［5］李环，任波，华宇宁.通信系统仿真设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.