薛文玲，路 遙，尹永超，謝業(yè)欣

（1.河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002；2.河北大學 工商學院信息科學與工程學部，河北 保定 071002）

0 引言

通信原理課程是通信工程以及電子信息工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)課，學好這門課程對學生理解信號的傳輸和交換具有重要的意義[1]。這門課程主要以各種通信系統(tǒng)的基本理論為研究對象，具有較強的抽象性。另外，對信號的分析通常需要借助于頻域來理解，由于學生對頻域的概念沒有直觀的認識，給理論學習帶來了一定的困難。利用MATLAB語言對模擬通信系統(tǒng)進行可視化仿真設計，能很方便地解決這個問題。

MATLAB是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件系統(tǒng)，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境?？梢允钩橄蟮母拍畹靡灾庇^地表示，繁瑣的計算大大簡化，成為信號分析等領域的實用工具之一。本設計主要利用MATLAB方便的繪圖功能以及友好的人機界面來進行設計[2]。

1 系統(tǒng)功能概述

1.1 模擬通信系統(tǒng)的原理

模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。由于低頻的模擬信號一般不適合在信道中遠距離傳輸，通常發(fā)送端需要對低頻信號進行調(diào)制，接收端則需要解調(diào)才能恢復原信號。系統(tǒng)中主要包含兩種變換：第一種是在發(fā)送端把連續(xù)消息變成原始電信號，并在接收端進行反變換，這種變換由模擬信息源和受信者來完成（原始電信號通常稱為基帶信號）；第二種變換是把基帶信號變換成適合于在信道中傳輸?shù)男盘枺◣ㄐ盘枺?，并在接收端進行反變換，這種變換通常由調(diào)制器和解調(diào)器來完成。

整個通信系統(tǒng)中需要對各種信號進行分析，主要是對時域和頻域的分析。時域的波形可以通過示波器進行觀察，學生對時域波形的理解比較透徹，但其包含的頻譜成分卻不容易看出來，這就需要對信號進行頻譜分析，如何把頻譜變換的公式通過MATLAB用圖形表現(xiàn)出來，給學生一個直觀形象的認識，是設計的重點和難點。

1.2 系統(tǒng)的總體功能

本系統(tǒng)通過對調(diào)制方式的選擇，可利用幅度調(diào)制（AM）、單邊帶調(diào)制（SSB）和雙邊帶調(diào)制（DSB）三種方式對基帶信號進行調(diào)制，可同時直觀地觀察到信號經(jīng)過不同的調(diào)制及解調(diào)方式產(chǎn)生的時域波形與頻域波形。同時，可以根據(jù)實際需要調(diào)整各信號相應的參數(shù)，實現(xiàn)不同模擬線性通信系統(tǒng)的仿真研究。其框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊設計

2.1 模擬線性通信系統(tǒng)的調(diào)制

圖1 系統(tǒng)功能框圖

載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波參數(shù)的過程，使載波的某一個或幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律而變化。調(diào)制器的本質(zhì)就是乘法器，它將基帶信號和載波相乘，實現(xiàn)了幅度調(diào)制。為了方便起見，這里僅以幅度調(diào)制為例對系統(tǒng)功能進行簡單介紹（見圖2）。

圖2 調(diào)幅器原理框圖

調(diào)制模塊的設計，關鍵在于時域坐標系與頻域坐標系的轉化。下面為調(diào)制模塊的部分代碼：

A=str2num（get（handles.edit_A，'string'））；%獲取調(diào)制信號幅值

w=str2num（get（handles.edit_w，'string'））；%調(diào)制信號角頻率

p=str2num（get（handles.edit_p，'string'））；%調(diào)制信號初始相位

A0=str2num（get（handles.edit_A0，'string'））；%獲取直流偏量

t=-1：0.001：1；n=2001；Fn=1000；

m=A*sin（2*pi*w*t+p）+A0；%生成調(diào)制信號，即圖 2 中 m（t）

plot（t，m）；%調(diào)制信號時域圖形

Fs1=fft（m）；%傅里葉變換

Fs2=fftshift（Fs1）；%糾正使中心對稱

f=（0：n-1）*Fn/n-Fn/2；

plot（f，abs（Fs2），'b'）；%調(diào)制信號頻域圖形

c_w=str2num（get（handles.edit_c_w，'string'））；%獲取載波角頻率

c=cos（2*pi*c_w*t）；%生成載波，即圖 2 中 c（t）Sm=c*m；%生成調(diào)幅信號，即圖2中Sm（t）plot（t，Sm）；%已調(diào)信號時域圖形[3]

圖3 調(diào)制界面

由圖3可以看出，左半部分為時域波形，最上面的為頻率比較低的基帶信號，中間為高頻的載波信號，最下面為調(diào)制之后的信號。經(jīng)過調(diào)制之后，載波的頻率沒有發(fā)生任何變化，只是幅度隨著基帶信號而變化。右半邊的圖形為頻域波形，從頻譜圖可以看出，幅度已調(diào)信號的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移，頻譜的形狀不發(fā)生任何變化，這和理論上線性調(diào)制的定義完全相同。

2.2 模擬線性通信系統(tǒng)信道中的噪聲影響

在信道加性高斯白噪聲的影響下，各種模擬線性調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能不同。為了方便，我們一般認為信道加性高斯白噪聲為平穩(wěn)窄帶高斯噪聲。

由于已調(diào)信號在信道中受噪聲影響，解調(diào)前應通過一個帶通濾波器，帶通濾波器的作用是濾除已調(diào)信號以外的噪聲。帶通濾波器的帶寬等于已調(diào)信號的頻帶寬度，既保證已調(diào)信號無失真地通過解調(diào)器，同時又最大限度的抑制噪聲。在本設計中采用人為的產(chǎn)生高斯白噪聲加入到系統(tǒng)中進行模擬仿真。

下面為噪聲處理模塊部分代碼[4，5]：

n=2001；Fn=1000；Gn=awgn（Sm，10，'measured'）；%生成高斯白噪聲

Sm_Gn=Sm+Gn；%添加高斯白噪聲

Fs1=fft（Sm）；%傅里葉變換

Fs2=fftshift（Fs1）；%糾正使中心對稱

f=（0：n-1）*Fn/n-Fn/2；axes（handles.axes_Sm_Gn_fft）；

plot（f，abs（Fs2），'b'）；%含噪聲的信號頻域圖形

如圖4所示，經(jīng)過以上代碼可以產(chǎn)生高斯隨機噪聲，噪聲和帶通信號在信道進行傳輸，到達接收端后需要對信號進行解調(diào)，解調(diào)之前需要先通過帶通濾波器，濾除一部分噪聲。

圖4 含噪聲信號波形

圖5 帶通濾波器及之后的信號波形

如圖5所示，經(jīng)過帶通濾波器之后，帶通濾波器之外的噪聲全部濾掉了，可以很好地保證接收端的信噪比來滿足系統(tǒng)要求。

2.3 模擬線性通信系統(tǒng)的解調(diào)

信號解調(diào)是信號調(diào)制的逆過程，即把在載頻位置的已調(diào)信號的頻譜搬回到原始基帶位置。解調(diào)的方法有兩種：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡檢波）。下面以相干解調(diào)為例進行說明，原理如圖6所示。

圖6 解調(diào)器原理框圖

圖7 解調(diào)界面

相干解調(diào)時，為了無失真地恢復原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調(diào)載波嚴格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號相乘后，經(jīng)過低通濾波器，取出低頻分量，即可得到原始的基帶信號。

從圖7可以看出，經(jīng)過接收端解調(diào)之后，可以把基帶信號完全恢復出來，從而實現(xiàn)信號的傳輸。

3 結束語

本設計具有人機界面美觀，各種波形對比形象、直觀的特點，在通信原理課程的教學中，通過改變信號各個參數(shù)，以及對比時域、頻域波形，有利于學生更加深刻地認識和理解模擬線性通信系統(tǒng)，對教學產(chǎn)生有益的輔助作用。

［1］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］樓順天，陳生潭，雷虎民.MATLAB7.X程序設計語言［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2000.

［3］約翰·G·普羅克斯.現(xiàn)代通信系統(tǒng)——使用MATLAB［M］.西安：西安交通大學出版社，2001.

［4］戴 虹，戴悟僧.MATLAB在通信原理仿真中的應用［J］.電子電氣工程系，2001.

［5］李建新.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真——MATLAB通信工具箱［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2000.