基于Simulink的調(diào)制解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

歐世峰　崔嬌　高穎

摘 要 調(diào)制和解調(diào)是通信系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分。本文基于Matlab/Simulink軟件對(duì)語(yǔ)音通信傳輸過(guò)程中調(diào)制和解調(diào)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上比較了包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種解調(diào)方式的效果，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證相干解調(diào)性能優(yōu)于包絡(luò)檢波。而后利用Matlab GUI 設(shè)計(jì)了語(yǔ)音調(diào)制解調(diào)的用戶界面，可將其應(yīng)用到高頻電子電路或通信原理的仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，以便學(xué)生更直觀地理解調(diào)制解調(diào)的原理。

關(guān)鍵詞 Matlab/Simulink 調(diào)制解調(diào) 相干解調(diào) 包絡(luò)檢波 GUI

中圖分類號(hào)：TN915.05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.087

Construction of Simulation Laboratory for Modulation and

Demodulation Based on Simulink

OU Shifeng， CUI Jiao， GAO Ying

（School of Opto-electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）

Abstract Modulation and demodulation are important components of communication systems. In this paper， Matlab/Simulink software simulation model of modulation and demodulation of voice communication during the transmission process based on， on the basis of comparison of envelope detection and coherent demodulation of two demodulation results， and the experimental results show better performance than the coherent demodulation envelope detection. Then use Matlab GUI to design the voice modulation and demodulation of the user interface， which can be applied to the construction of the simulation laboratory of high frequency electronic circuit or communication principle in principle， so that students can better understand the modulation and demodulation.

Keywords Matlab/Simulink； modulation demodulation； coherent demodulation； envelope detection； GUI

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展的日新月異以及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的增加，通信仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，為通信系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)提供了一條可靠而又便捷的途徑。Matlab是一款用于數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化的高級(jí)技術(shù)語(yǔ)言和交互環(huán)境，且Simulink是Matlab中的一種圖形可視化的交互環(huán)境，與傳統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)軟件相比，具有更直觀、靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)。本文以語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)為例，簡(jiǎn)述在Simulink軟件環(huán)境下建立仿真模型，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。同時(shí)利用Matlab GUI設(shè)計(jì)語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制解調(diào)的人機(jī)交互界面，可使學(xué)生對(duì)調(diào)制解調(diào)過(guò)程中所涉及到的信號(hào)的時(shí)域及頻域特性有更為直觀的認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生更好地理解調(diào)制解調(diào)的原理，而且GUI界面還可應(yīng)用于通信原理或高頻電子電路等課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 通信系統(tǒng)的基本原理

通信的目的是傳遞消息中包含的信息，通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)信宿。對(duì)于通信系統(tǒng)而言，首先要將信源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制轉(zhuǎn)化成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)形式而后送入信道；在信號(hào)接收端，則利用解調(diào)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行與調(diào)制器功能相逆的變換，而后送給信宿再轉(zhuǎn)換成原始信號(hào)。調(diào)制和解調(diào)在通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。調(diào)制就是把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合在信道中傳輸?shù)耐◣盘?hào)。調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，本文探究?jī)?nèi)容為模擬幅度調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)幅。標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅就是常規(guī)的雙邊帶調(diào)制。在常規(guī)調(diào)幅實(shí)驗(yàn)中將頻率為的調(diào)制信號(hào)與一個(gè)較高頻率 的載波信號(hào)相乘，得到一個(gè)變頻的通帶信號(hào)，則此時(shí)載波的幅度變化傳遞了消息信號(hào)所攜帶的信息。解調(diào)就是把通帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)送給信宿，同時(shí)應(yīng)將附加的干擾信號(hào)等影響降至最低，其從頻域上看就是把通帶信號(hào)的邊帶搬回到低頻，也就是屬于線性頻譜搬移。解調(diào)的方法又分為相干解調(diào)和包絡(luò)檢波。

2 語(yǔ)音通信系統(tǒng)的Simulink建模

假設(shè)是語(yǔ)音信號(hào)，疊加了強(qiáng)度為的直流分量后得到 ；載波信號(hào)為，式中為載波幅度、為載波角頻率；為分析簡(jiǎn)便，初相假設(shè)為0。對(duì)常規(guī)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到調(diào)幅信號(hào)的頻譜。基于幅度調(diào)制理論建立Simulink的語(yǔ)音通信模型，其中包含語(yǔ)音輸入、調(diào)制、解調(diào)和信噪比檢測(cè)模塊等。

信源采用From Multimedia File模塊，以采樣頻率為8000Hz的速度從語(yǔ)音信源signal1.wav中度讀入時(shí)長(zhǎng)為2s的語(yǔ)音信號(hào)；后采用Buffer模塊將基于幀的并行信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為基于樣值的格式；再通過(guò)Dumax模塊將語(yǔ)音信號(hào)一路讀出成為。載波采用Simulink中信號(hào)發(fā)生器Signal Generator產(chǎn)生一個(gè)幅度為1、頻率的正弦信號(hào)作為高頻載波。模型中將直流信號(hào)和相加后再與載波相乘生成已調(diào)信號(hào)；將此已調(diào)信號(hào)分成兩路，分別使用模擬濾波器Analog Filter Design對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，其中一路為未受到噪聲干擾的已調(diào)信號(hào)；另一路為加入由Random Number模塊產(chǎn)生的加性高斯噪聲干擾的已調(diào)信號(hào)，并用示波器Scope觀察兩路信號(hào)的差異。Simulink語(yǔ)音通信模型中解調(diào)過(guò)程分為相干解調(diào)和包絡(luò)檢波，旨在比較二者解調(diào)效果。包絡(luò)檢波是由Saturation模塊來(lái)模擬單向?qū)ǖ姆蔷€性器件，后經(jīng)過(guò)截止頻率為6kHz（因語(yǔ)音信號(hào)的頻率集中在0.3至3.4 kHz）的低通濾波器；相干解調(diào)則是由同頻同相的高頻正弦波相乘后經(jīng)低通濾波實(shí)現(xiàn)，其中，用Scope1顯示采用相關(guān)解調(diào)和包絡(luò)檢波兩種解調(diào)方式所得到的解調(diào)后的信號(hào)波形。最后，在調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)模型末端增加了信噪比檢測(cè)模塊。在該模塊中，輸入的解調(diào)信號(hào)通過(guò)濾波器后將信號(hào)與噪聲分離，以分別計(jì)算信號(hào)和噪聲的功率，進(jìn)而計(jì)算輸入輸出信噪比。由于調(diào)制解調(diào)模塊較多，可以利用Simulink中具有層次結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)模塊。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 Simulink仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用的版本為Matlab R2014a；語(yǔ)音傳輸信道中加入了均值為0、方差為0.5的加性高斯白噪聲；Simulink仿真時(shí)間設(shè)定為2s。通過(guò)示波器Scope3可以看到輸入的原始語(yǔ)音信號(hào)如圖1，通過(guò)示波器Scope1可以看到兩路解調(diào)后所得到的基帶信號(hào)（上一路波形為包絡(luò)檢波后所得到的基帶信號(hào)，下一路波形為相干解調(diào)后所得到的基帶信號(hào)）如圖2所示。由圖2中解調(diào)后所得到的語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形可知，相干解調(diào)性能明顯優(yōu)于包絡(luò)檢波。另外，通過(guò)信噪比檢測(cè)模塊，得出在上述條件下，相干解調(diào)的輸出信噪比為11.203 dB，包絡(luò)檢波的輸出信噪比為10.832dB，進(jìn)而客觀地說(shuō)明相干解調(diào)性能優(yōu)于包絡(luò)檢波性能。

3.2 GUI仿真實(shí)驗(yàn)

模擬語(yǔ)音信號(hào)輸入調(diào)制解調(diào)輸出過(guò)程，通過(guò)GUI封裝可以直觀地看出語(yǔ)音信號(hào)傳輸過(guò)程中信號(hào)時(shí)域及頻域特點(diǎn)（見(jiàn)圖3至圖8），有助于學(xué)生進(jìn)一步理解調(diào)制解調(diào)過(guò)程的原理。

4 總結(jié)

利用Matlab/Simulink對(duì)完成語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)構(gòu)建、模型設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)和最終的結(jié)果顯示，并利用Matlab/GUI設(shè)計(jì)用于顯示該系統(tǒng)中基帶、已調(diào)、解調(diào)信號(hào)的時(shí)域及頻域波形的人機(jī)交互界面。文中的Simulink通信模型可應(yīng)用于高頻電子電路及通信原理的課堂演示教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)而助于學(xué)生更形象地理解調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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