中波調(diào)幅發(fā)射機(jī)工作原理MATLAB 仿真

林 斌

（國(guó)家新聞出版廣電總局五五二臺(tái)，350007）

0 前言

MATLAB 具有其他高級(jí)語(yǔ)言難以比擬的一些優(yōu)點(diǎn)，如編寫(xiě)簡(jiǎn)單、編程效率高、易學(xué)易用，被通俗地稱為演算紙式科學(xué)算法語(yǔ)言。本文以中波發(fā)射機(jī)工作原理為背景，分節(jié)介紹中波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的建模、音頻信號(hào)調(diào)制和解調(diào)分析。讓值班員通過(guò)MATLAB 這把鑰匙開(kāi)啟發(fā)射機(jī)從粗淺認(rèn)識(shí)到深入了解的鑰匙。

1 幅度調(diào)制MATLAB 仿真

1.1 無(wú)記憶系統(tǒng)

在MATLAB 中將可視化的方框圖模型與編程形式的仿真模型綜合起來(lái)，靈活應(yīng)用，可以使兩者相得益彰。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，通常以隨時(shí)間變化的物理量電壓或者電流（統(tǒng)稱電平）來(lái)表示信號(hào)，稱為電信號(hào)。動(dòng)態(tài)電系統(tǒng)的狀態(tài)是指系統(tǒng)中的儲(chǔ)能情況，也以電容、電感等儲(chǔ)能元件上的電壓或者電流來(lái)表示。系統(tǒng)中的獨(dú)立狀態(tài)數(shù)稱為系統(tǒng)的階數(shù)，數(shù)量上等于描述該系統(tǒng)的微分或差分方程的階數(shù)。系統(tǒng)狀態(tài)、輸入和輸出信號(hào)在數(shù)學(xué)上都是時(shí)間的函數(shù)，工程上也把電信號(hào)稱為電波形。

在一類物理系統(tǒng)中，所需要研究的系統(tǒng)響應(yīng)只與系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的輸入有關(guān)，而與系統(tǒng)的狀態(tài)以及過(guò)去或者未來(lái)的輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，這樣的系統(tǒng)就稱為靜態(tài)系統(tǒng)，也稱無(wú)記憶系統(tǒng)。在通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的調(diào)幅解調(diào)器也是無(wú)記憶系統(tǒng)，載波頻率為fc的雙邊帶調(diào)幅的調(diào)制輸出信號(hào)v(t)與輸入被調(diào)制信號(hào)m(t)之間的關(guān)系描述為

1.2 幅度調(diào)制建模分析

幅度調(diào)制其實(shí)就是一個(gè)靜態(tài)系統(tǒng)的仿真過(guò)程。靜態(tài)系統(tǒng)的仿真過(guò)程就是相應(yīng)代數(shù)方程的數(shù)值計(jì)算或求解過(guò)程。下面我們?cè)嚪抡娴贸鲆粋€(gè)幅度調(diào)制系統(tǒng)的輸入輸出波形。設(shè)輸入被調(diào)制信號(hào)是一個(gè)幅度為2V，頻率為1KHZ 的余弦波，調(diào)幅度為0.6，調(diào)制載波信號(hào)是一個(gè)幅度為5V，頻率為10KHZ 的余弦波，所有余弦波的初相位為0。

1.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)條件，該調(diào)幅系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系表達(dá)式為

其中，M=2 是被調(diào)幅信號(hào)的振幅，fm=1000 是其頻率，A=5是載波信號(hào)的幅度，fc=104是載波頻率，ma=0.5 是調(diào)幅度。

1.4 編程實(shí)現(xiàn)

連續(xù)函數(shù)必須進(jìn)行離散化才能夠存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，只要時(shí)間離散化過(guò)程滿足采樣定理，那么就不會(huì)引起失真。在這個(gè)系統(tǒng)中的信號(hào)最高工作頻率為（fm+fc）=11KHZ，根據(jù)采樣定理，只要離散采樣率高于該頻率的2 倍即可無(wú)失真。在計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量許可的條件下，采樣率可以設(shè)置的更高，以使仿真計(jì)算的結(jié)果波形圖顯示更加光滑。故將采樣率設(shè)置為105，即在一個(gè)載波周期上采樣10 次，相應(yīng)的采樣間隔為Δt=10-5s。

在M 文件編輯器中輸入以下代碼：

從圖1-1 可以看出，載波的包絡(luò)隨著被調(diào)信號(hào)的變化而變化，這樣被調(diào)信號(hào)的變化信息就攜帶在載波的振幅上，故稱為幅度調(diào)整。

2 信源模塊

信源模塊的特點(diǎn)是僅有輸出節(jié)點(diǎn)，而沒(méi)有輸入節(jié)點(diǎn)。本文用S 函數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)正弦波信號(hào)源，要求其幅度、頻率和初始相位參數(shù)由外部設(shè)置。

%主程序名為正弦波信號(hào)源.m

圖1-1 音頻信號(hào)、載波和調(diào)幅輸出信號(hào)的仿真波形

在該S 函數(shù)接口中使用了3 個(gè)輸入?yún)?shù)分別作為正弦波的幅度、頻率和初相位的輸入，最后，設(shè)置好示波器顯示范圍和仿真參數(shù)就可以啟動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)。

3 信號(hào)切換開(kāi)關(guān)

信號(hào)切換開(kāi)關(guān)有3 個(gè)輸入端，其中兩個(gè)是傳輸信號(hào)輸入端，一個(gè)是切換控制信號(hào)端。切換開(kāi)關(guān)通過(guò)控制信號(hào)電平與設(shè)計(jì)門(mén)限值相比較來(lái)判斷選擇其中一個(gè)輸入信號(hào)作為輸出。顯然，信號(hào)切換開(kāi)關(guān)是一個(gè)無(wú)記憶系統(tǒng)。

4 中波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的建模與仿真分析

中波發(fā)射機(jī)采用的調(diào)制方式主要是模擬幅度調(diào)制。即用正弦波作為載波信號(hào)的調(diào)制方式。

。實(shí)際中不可能制造出這樣高度的天線進(jìn)行有效信號(hào)發(fā)送。因此需要將待傳送的信號(hào)寄載到高頻電波上（該手段稱為調(diào)制），以便通過(guò)較短的天線發(fā)射出去。中波波段范圍從535.5kHZ 到1605.5kHZ，聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)加載在中波高頻載波上面，其所需要的天線的長(zhǎng)度大大減小，只要幾十米到幾百米。

人耳對(duì)語(yǔ)音的頻率敏感區(qū)域?yàn)?0～30kHz，中波波段是各國(guó)使用的主要波段，按9kHz 的間隔分配頻率，只有120 個(gè)頻率可供使用。，調(diào)幅廣播除了傳輸話音以外，還要播送音樂(lè)節(jié)目，這就需要更寬的頻帶。頻率十分擁擠，存在著互相干擾的問(wèn)題。由于廣播節(jié)目的動(dòng)態(tài)范圍過(guò)寬故在調(diào)幅廣播傳輸系統(tǒng)里都使用音頻處理器對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮加工處理。

現(xiàn)在就試對(duì)我臺(tái)中波調(diào)幅廣播發(fā)送系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模型參數(shù)指標(biāo)按照實(shí)際系統(tǒng)設(shè)置。

（1）廣播節(jié)目信號(hào)：即待傳送信號(hào)，最大幅度為1。基帶測(cè)試信號(hào)頻率在100～6000Hz 內(nèi)可調(diào)。

（2）載波：載波頻率為1089KHz 和765KHz。其中波形為正弦波，設(shè)定初相位為零。

（3）帶通濾波器：即接收機(jī)的選頻濾波器B=12KHz,f0=1000KHz。

（4）在信道中加入噪音。假設(shè)當(dāng)調(diào)幅度為0.7 時(shí)，接收機(jī)的選頻濾波器的輸出信噪比為20dB,測(cè)量帶通濾波器實(shí)際輸出信噪比。

仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

相關(guān)MATLAB 程序：

其中，系統(tǒng)仿真步進(jìn)以及零階保持器采樣時(shí)間間隔、噪聲源采樣時(shí)間均設(shè)置為，基帶信號(hào)為幅度是0.3 的1000Hz正弦波，載波為幅度為1 的1MHz 正弦波。用加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，用Random Number 模型產(chǎn)生零均值方差等于3.4945 的噪聲樣值序列，并用加法器實(shí)現(xiàn)AWGN 信道。接收帶通濾波器用Analog Filter Design 模塊實(shí)現(xiàn)，可設(shè)置為2 階帶通的，帶通為為了測(cè)量輸出性噪比，以參數(shù)完全相同的另外兩個(gè)濾波器模塊分別對(duì)純信號(hào)和純?cè)肼暈V波，最后利用統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算輸出信號(hào)功率和噪聲功率，進(jìn)而計(jì)算輸出信噪比。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上是我在檢修和維護(hù)中一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)起來(lái)和大家分享。不當(dāng)之處，望同行批評(píng)指正。

[1]《廣播發(fā)送技術(shù)》王春生.合肥工業(yè)大學(xué)出版社

[2]《MATLAB 通信工程仿真》 張德豐.機(jī)械工業(yè)出版社

[3]《廣播電視發(fā)送與傳輸維護(hù)手冊(cè)》