基于Matlab的模拟通信调制信号仿真分析

瞿伟哲

摘要：模擬通信系统在中短波通信领域有着广泛的应用，对模拟通信信号进行调制方式分析的数据源主要来自于实际接收数据。由于受到各种条件的限制，实际接收数据在教学科研中很难获得，而仿真数据能够通过仿真软件生成。对模拟调制系统的工作流程进行了介绍，并给出了多种模拟调制信号的生成原理，对不同调制方式的性能进行分析，对AM，DSB，SSB，VSB，FM五种模拟通信数据进行仿真。仿真程序可对采样频率、信噪比等参数进行灵活设置，并按要求生成dat格式数据文件。仿真实验结果包括上述信号的频谱图、时频谱图等，能够为实际环境中通信系统和通信对抗设备的调试、验证以及工程应用提供参考。

关键词：模拟通信系统；调制信号；调制方式；信号仿真

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）09-52-4

近年来，通信辐射源模拟技术在电子对抗领域中发挥着越来越重要的作用[1]。通信源模拟技术能够在高效能、低消耗的情况下逼真地模拟通信信号源，在复杂的电子对抗环境中大量消耗敌方的通信侦测、干扰和攻击武器资源，具有十分重要的军事意义[2]。通常的模拟技术通过使用计算机技术和特定的编程软件、信号源等，产生各种需要的通信信号。通信信号的调制方式是通信信号最重要的特征之一，通信信号的调制方式不尽相同，如何准确、逼真地模拟各种调制信号，从而实现有效地识别、监视，是通信信号分析研究的重要课题[3]。在通信系统中，调制具有相当重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或者便于多路复用的已调信号。对通信信号进行调制方式分析的数据源主要来自于实际接收数据，由于受到各种条件的限制，实际接收数据在教学科研中很难获得，而仿真数据则可以自己产生，而且体制、频率和带宽等参数可以灵活设置。

模拟通信系统的基本组成如图1所示，其中模拟调制可分为线性调制和非线性调制。

模拟通信系统主要包含2种重要变换：一是把连续信息变换成电信号，这种变换由发射端信息源完成；二是把电信号恢复成最初的连续消息，该变换由接收端信宿完成。由信源输出的电信号称为基带信号，基带信号具有频率较低的频谱成分，一般不能直接作为传输信号送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第2种变换，即将基带信号转换成适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号称为已调信号，具有3个基本特性：一是携带消息；二是适合在信道中传输；三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。

信号源作为发送消息的源头，负责将各类信息转换成原始电信号。根据信号特性差异可以将信号源分类成数字信号源和模拟信号源。数字信号源发出的数字信号是离散的，而模拟信号源发出的信号是连续的。调制是发送终端设备最常用的转换方式，负责将从信号源接收到的信号转换成适合空间传播的信号形式，并将该信号发往信道。信道定义为传输消息的通道，是接收设备终端和发送设备终端之间信号传递必经的载体，包括有线信道和无线信道，会将白噪声引入到原始信号之中。解调器将接收到的原始信号基于信号解调原理，准确、真实地恢复出原有的基带信号，然后将信号传递给最后的接收者，也就是信宿[5-6]。

线性调制通常是指幅度调制，即由调制信号去控制高频载波的幅度，频谱结构上完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移，幅度调制主要包括AM，DSB，SSB，VSB等[7-8]。非线性调制通常指角度调制，已调信号的频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，若载波的频率随调制信号变化，称为调频（FM）；若载波的相位随调制信号变化，称为调相（PM）。与幅度调制相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能，代价是需要更大的带宽[9]。

调制和解调在通信系统中是一个极为重要的组成部分，调制和解调的方式和性能直接影响到通信系统的性能。调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是[10]：

①实现频谱搬移：将基带信号搬移到适合信道传输的频带上去。

②容易辐射：天线的辐射能力与信号波长相关，为了实现同样的辐射能力，天线的口径与辐射信号的波长成比例。基带信号的频率一般较小，波长较大，意味着若直接将基带信号辐射出去，天线的长度为几十甚至几百千米的量级。为了使天线容易辐射，一般将基带信号调制到较高的频率上去。

③实现频率分配：为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个电台都被分配给不同的频率。这样利用调制技术把各种话音、音乐和图像等基带信号调制到不同的载频上，以便用户任意选择电台，收看收听所需节目。

④实现多路复用：如果信道的通带较宽，可以用一个信道传输多个基带信号，只要把基带信号分别调制到相邻的载波，然后将它们一起送入信道传输即可。这种载频域上实行的多路复用称为频分复用。

⑤提高系统抗噪声、抗干扰能力：噪声和干扰不可能完全消除，但是可以通过选择适当的调制方式来减少它们的影响，不同的调制方式有不同的抗噪声性能。

AM的优点是接收设备简单，缺点是功率利用率低、抗干扰能力差、信号带宽较宽、频带利用率不高，主要用在中短波调幅广播等对通信质量要求不高的场合。DSB的优点是功率利用率高，带宽与AM相同，主要用于调频立体声等点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。SSB的优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半，缺点是收发设备都复杂，常用在频分多路系统中，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。VSB的抗噪声性能和频带利用率与SSB相当，主要用于数据传输、电视广播等领域。FM的幅度恒定不变，对非线性器件不敏感，具有抗快衰落特性，并且FM波的抗干扰能力强，广泛应用于长距离、高质量的通信系统中，缺点是频带利用率低，存在门限效应。

基于Matlab软件，仿真了理想条件下AM，DSB，SSB，VSB，FM等调制信号的时域图、频谱图和时频图结果，用于研究分析模拟调制的时域和频域特征。考虑生成更加逼真的模拟信号，将实际环境中采集的话音信号作为调制信号，基于Matlab生成了特定采样频率下的时域图和频域图。

（1）模拟调制信号生成

模拟调制就是用基带信号（调制信号）对载波波形的某些参量进行连续控制，也就是其基带信号为连续信号。现实中的绝大多数信号，如语音信号等都是连续信号，用这样的连续信号直接对载波调制就是模拟调制。在仿真模拟调制信号时，除了载波频率和采样频率可灵活设置外，必须要考虑信道噪声带来的影响，在研究模拟调制信号与信道质量的关系时，一般先研究它在加性高斯白噪声（AWGN）信道下的性能，然后再把它推广到其他复杂情况。

在分析模拟通信信号时，一般对中频信号进行采样，然后对采样数据进行频谱分析、时频分析以及功率谱估计来判别模拟信号的调制体制，所以本文将直接仿真AWGN信道下的模拟通信中频信号。

圖2～图6分别是AM，DSB，SSB，VSB，FM调制信号源的仿真结果，其中每种类型的仿真图形中有分别包括时域图、频谱图和时频谱图。

对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。角度调制包括频率调制和相位调制。非线性调制通常是通过改变载波的频率或相位来达到的，即载波的振幅保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。

在介绍模拟通信系统的基础上，对5种模拟调制方式进行了性能比较。为了使得生成的模拟调制信号更加真实，通过从语音文件中读取数据并进行采样频率转换以及幅度归一化后产生调制信号，然后通过调用相关函数进行模拟调制，并直接生成AWGN信道下的模拟通信中频信号，最后根据中频信号数据记录的格式生成int16格式的数据文件，以便在教学科研中通过信号分析软件对信号带宽、调制方式等进行分析，此外本文提供的上述信号的频谱图、时频谱图可以直观区分模拟调制所采用的体制。

通信电子对抗在现代战争中具有关键作用，对通信系统和通信对抗设备的研究具有重要意义。基于Matlab仿真原理，对通信调制信号进行仿真分析，对实际环境中通信系统和通信对抗设备的调试、验证等能够起到关键作用，有利于指导通信模拟辐射源设备的工程设计和应用。

参考文献

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