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        基于Simulink的VHF通信系統(tǒng)射頻信號動態(tài)分析與仿真

        2019-12-06 06:22:00張德張懷才楊雨航
        中國科技縱橫 2019年19期

        張德 張懷才 楊雨航

        摘 要:VHF通信系統(tǒng)在民航空中交通管制業(yè)務(wù)中具有廣泛應(yīng)用,其射頻信號形式為AM信號。本文借助Simulink基礎(chǔ)仿真工具,從時域、頻域兩個角度對VHF信號特性進(jìn)行動態(tài)分析;依據(jù)分析結(jié)果,對信號進(jìn)行建模、仿真,簡明、直觀、動態(tài)地展示VHF信號在調(diào)制過程中信號傳輸與變換。對于VHF通信系統(tǒng)射頻信號的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試,具有一定的理論指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:VHF;Simulink;時域;頻域

        中圖分類號:TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2064(2019)19-0019-02

        0 引言

        VHF通信系統(tǒng)作為民航系統(tǒng)主用通信手段,在空中交通管制業(yè)務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。VHF通信系統(tǒng)射頻信號形式為AM信號,信號特性符合動態(tài)系統(tǒng)傳輸?shù)囊话闾卣鳎恼乱訴HF通信系統(tǒng)射頻信號為基礎(chǔ),重點(diǎn)討論AM信號在動態(tài)系統(tǒng)中的傳輸特性。

        動態(tài)系統(tǒng)是輸出信號隨時間變化的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的建模方法是先對系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號進(jìn)行分析,得到它們的系統(tǒng)方程,然后編寫程序進(jìn)行仿真。這種仿真方法有兩個缺點(diǎn)。首先是不夠直觀,缺乏足夠的人機(jī)交互。另外,這種方法缺乏系統(tǒng)性,尤其在對復(fù)雜系統(tǒng)的處理過程中,難以采用模塊化方法,從而降低了仿真程序的可讀性[2]。

        1 Simulink簡介

        Simulink是一種用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模軟件包,它提供了一種圖形化的交互環(huán)境,只需用鼠標(biāo)拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型。利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真,最大的優(yōu)點(diǎn)是簡潔、易用,并能依托MATLAB提供的豐富的仿真資源[3]。

        Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模,它也支持多速率系統(tǒng),也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率[4]。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型,Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口,這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成,提供了一種更快捷、直接明了的方式。

        2 VHF通信系統(tǒng)射頻信號特征

        VHF射頻信號為AM信號,AM是用調(diào)制信號控制高頻載波振幅,使其按調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程。

        設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻譜為M(ω),沖激響應(yīng)h(t)=δ(t),即濾波器H(ω)=1為全通網(wǎng)絡(luò),調(diào)制信號m(t)疊加直流信號A0后與載波相乘,就可形成AM信號。

        其時域和頻域表示式分別為:

        式中,A0為外加直流分量。

        3 信號建模與分析

        3.1 信號建模

        以上述AM信號特征分析為基礎(chǔ),依據(jù)信號傳輸流程,從時域、頻域兩個維度,建立系統(tǒng)模型如圖1所示。

        在該系統(tǒng)模型主要包含以下模塊:

        (1)隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器模塊(Random Integer Generator)。參數(shù)設(shè)置:M-ary number設(shè)為7,Initial seed設(shè)為1234,Sample time設(shè)為1/10,F(xiàn)ram-based outputs不選中。

        (2)減法器模塊(Subtract、Subtract1)。值設(shè)為3。

        (3)調(diào)幅模塊(DSBAM Modulator Pasband)。參數(shù)設(shè)置為Input signal offset設(shè)為4,其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

        (4)量化器模塊(Quantizer、Quantizer l)。Quantization interval設(shè)為0.001,Sample time設(shè)為0.001。

        (5)頻譜分析器(msg signal spectrum、Modulated Signal Specturm)。參數(shù)設(shè)置分別是:在“Scope Properties”選項(xiàng)中,Buffer input選中,Buffer size設(shè)為512,Buffer overlap設(shè)為256;Specify FFT length選中,F(xiàn)FT length設(shè)為512。在“Axis Properties”選項(xiàng)中,F(xiàn)requency range選為[-Fs/2...Fs/2]。Minimum Y-limit設(shè)為-50,Maximum Y-limit設(shè)為50。

        (6)數(shù)學(xué)函數(shù)模塊(Math Function)。參數(shù)設(shè)置:Function 選為magnitude2。

        (7)求均值模塊(Mean)。參數(shù)設(shè)置:選中Running mean,整個仿真時間內(nèi)得到的功率均值。

        (8)除法器模塊(Divide)。在參數(shù)設(shè)置中,把Number of inputs設(shè)為/*。

        (9)顯示模塊。包括顯示消息信號時域波形(Scope l),已調(diào)信號時域波形(Scope)。

        3.2 信號分析

        依據(jù)上述系統(tǒng)模型,設(shè)置各模塊參數(shù)。在仿真參數(shù)設(shè)置中把Max step size設(shè)為0.001,Stop time設(shè)為10。所有設(shè)置完成后,運(yùn)行仿真,在仿真過程中可以動態(tài)地觀察到調(diào)制信號和已調(diào)信號的波形以及它們的頻譜。

        調(diào)制信號的時域信號如圖2所示,調(diào)制信號是由隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器模塊(Random Integer Generator)產(chǎn)生的消息信號,消息信號的信號范圍是[0,6]內(nèi)的隨機(jī)整數(shù);調(diào)制信號的頻域信號如圖3所示,是消息信號經(jīng)頻譜分析器模塊生成,由圖可知它主要由一個頻率分量組成,這與數(shù)學(xué)分析模型相一致。

        已調(diào)信號的時域信號如圖4所示,已調(diào)信號是由消息信號和載波信號相乘得到的;已調(diào)信號的頻域信號如圖5所示,由圖可知它主要由兩個頻率分量組成,兩個頻譜分量分別為ω-ωc與(ω-ωc),較直觀的反應(yīng)了調(diào)制信號的頻譜分布。

        4 結(jié)語

        文章以VHF通信系統(tǒng)為切入點(diǎn),重點(diǎn)分析了VHF射頻信號特征與動態(tài)傳輸特性,建立了AM信號數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析;借助動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink,搭建了VHF調(diào)制系統(tǒng)模型,進(jìn)行動態(tài)仿真,并從時域、頻域兩個角度對調(diào)制信號和已調(diào)信號進(jìn)行分析;系統(tǒng)動態(tài)、直觀、定量的描述了VHF通信系統(tǒng)AM信號傳輸過程,對AM信號的解調(diào)分析具備一定的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1] MH/T 4001.1-2016甚高頻地空通信地面系統(tǒng)第一部分[S].

        [2] 陳莉.SIMULINK下基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010(12):14.

        [3] 席在芳,鄔書躍,唐志軍,曾照福.基于SIMULINK的現(xiàn)代通信系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006(10):2966.

        [4] 朱靜,楊曉靜.不同信道下的超寬帶無線通信系統(tǒng)Simulink仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008(10):2709.

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