基于虚拟仪器的调幅信号仿真与分析

刘刚　王立香　董延

【摘 要】基于虚拟仪器对调幅信号进行仿真和分析，通过调整载波和消息信号的频率、幅度等参数，观察不同参数设计时，调幅信号的波形特点以及调幅信号的和幅度普及功率谱，设计有助于加深对调幅信号的理解。

【关键词】调幅；仿真；功率谱；幅度谱

中图分类号： TN761.1；TN763.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.021

【Abstract】The amplitude modulation signal is simulated based on virtual instrument.By adjusting the parameters of the carrier and message signal，the waveform characteristics，the power spectrum and the amplitude spectrum of amplitude modulation signal are observed.The design helps to deepen the understanding of the amplitude modulation signal.

【Key words】Amplitude modulation；Simulation；Power spectrum；Amplitude spectrum

0 引言

无线电通信是一种重要且广泛应用的通信方式，其基本任务是将要传送的语音、图像等消息信号转换成电信号后，通过电磁波的辐射进行信息的传递。由于要传送的消息信号通常是低频信号，例如，人耳能听到的声音的频率范围大约在到，对应波长约。要将这种低频的振荡电信号通过无线电的形式进行通信，根据天线理论，为了有效的将电振荡信号辐射到空中，需要的天线长度要和电振荡信号的波长相比拟才能满足要求。这就需要的天线尺寸非常大，显然是不现实的。另外，即使能够将该电振荡信号辐射到空中，由于各个发射电台的频率范围都在这个频段内，因此，不同电台发射的信号在空中会混在一起，使得接收端即使接收到信号，也无法从中选择出自己需要接收的信号。因此，在无线电通信系统中，为了将低频的电信号通过天线的形式辐射的空中，需要将低频的消息信号装载到高频的电振荡信号上，这就是信号的调制。如果在调制过程中，选择不同的高频载波进行调制，则可以有效的区分不同的电台，使各电台互不干扰。

调幅（AM）是无线电通信的一种重要调制方式，调幅的基本原理是利用低频的消息信号控制高频载波的幅度，也就是使高频载波的振荡幅度随着消息信号线性变化。因此，高频载波的幅度变化就包含了要传递的消息信号，然后将该调制信号经天线辐射出去。接收端接收到该高频调制信号后，只要检测出其幅度变化，就能恢复出原始的消息信号，从而实现消息信号的远距离无线电通信。掌握AM信号各参数的意义及调幅信号的波形、频谱和功率谱，对理解调幅信号的原理具有重要的意义。LabVIEW是美国国家仪器（NI）研制的一种图形化的虚拟仪器开发环境，在工业、实验室等领域有着广泛的应用[1]。本文利用LabVIEW 2017对AM信号进行了仿真和分析，可以实时显示AM信号的波形以及AM信号的频谱和功率谱随参数的变化过程。通过本系统，可以深入的理解AM调制参数的意义和波形、频谱及功率谱的特点。

1 AM原理和软件设计

要传递的消息信号频谱成分往往比较复杂，但复杂的信号都可用傅里叶级数分解为若干正弦信号的和[2]。因此，对单频消息信号的调幅特性分析具有普遍意义。设消息信号的数学表达式为：高频载波信号为，则调幅信号可以表达为：

根据上述AM调制原理，本文利用虚拟仪器开发软件LabView 2017设计了调幅波仿真与分析软件，原理框图如图1所示。

3 仿真分析

程序前面板设计和仿真结果如图2所示。

在应用程序前面板中，通过“信号频率”和“信号幅度”旋钮，设置消息信号的频率和幅度，通过“载波频率”和“载波幅度”旋钮设置载波的频率和载波的幅度。为了方便观察波形和AM信号的频谱结构，本文设置信号的频率和载波频率较低，但这并不影响对AM信号的特性分析。根据AM调制原理，通过调整比例系数、载波幅度和信号幅度，可以调整信号的调幅度。图2给出了载波和信号频率分别为和时的AM信号波形，其中载波和信号幅度以及ka的设置如图2所示，此时，计算出的调幅度为。通过AM信号和消息信号波形显示框，可以清晰的观察消息信号的AM信号的波形特点，显然，AM信号的上包络反映了消息信号的变化。也就是说，载波幅度的变化，包含了要传递的消息信号，这也就是称为幅度调制的原因。通过幅度谱波形框，可以观察载波幅度和上、下边频的幅度关系。通过功率谱波形框，可以观察载波功率和上、下边频的功率的关系。用户可以调整信号的各个参数，通过4个不同的显示窗口观测信号的波形和频谱及功率谱随信号参数变化的特点。通过功率谱的计算和功率谱的波形显示框，可以清晰的观察到，在AM信号不失真的条件下，边频功率之和最多占输出总功率的在实际的调幅发射系统中，由于消息信号是多频的且频谱构成复杂，平均調幅度通常选择在0.2～0.3左右[3]，而要传递的信号频谱只包含在上、下两个边频中，因此，AM的信号发射功率利用效率较低。为了克服这个缺点，人们提出了、等调制方式，但由于普通的AM技术简单，因此，仍得到了广泛的应用。

4 结论

本文讨论和分析了AM信号的基本原理，并利用虚拟仪器设计软件LabVIEW 2017对AM信号进行了仿真和分析。通过调整AM系统的各个参数，可以方便的观测消息信号、AM信号包络的波形特点，以及AM信号的幅度谱和功率谱，从而加深对可以加深对AM信号原理的理解。

【参考文献】

[1]刘刚，王立香，张连俊.LabVIEW 8 20中文版编程及应用，2008.

[2]严国萍，通信电子线路（第二版），科学出版社，2016.1.

[3]温亚林等，提高调幅广播发射机的平均调幅度问题，广播与电视技术，1978.6.