瞿偉哲

摘要：模擬通信系統(tǒng)在中短波通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)模擬通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式分析的數(shù)據(jù)源主要來(lái)自于實(shí)際接收數(shù)據(jù)。由于受到各種條件的限制，實(shí)際接收數(shù)據(jù)在教學(xué)科研中很難獲得，而仿真數(shù)據(jù)能夠通過(guò)仿真軟件生成。對(duì)模擬調(diào)制系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了介紹，并給出了多種模擬調(diào)制信號(hào)的生成原理，對(duì)不同調(diào)制方式的性能進(jìn)行分析，對(duì)AM，DSB，SSB，VSB，F(xiàn)M五種模擬通信數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。仿真程序可對(duì)采樣頻率、信噪比等參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)置，并按要求生成dat格式數(shù)據(jù)文件。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括上述信號(hào)的頻譜圖、時(shí)頻譜圖等，能夠?yàn)閷?shí)際環(huán)境中通信系統(tǒng)和通信對(duì)抗設(shè)備的調(diào)試、驗(yàn)證以及工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：模擬通信系統(tǒng)；調(diào)制信號(hào)；調(diào)制方式；信號(hào)仿真

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）09-52-4

近年來(lái)，通信輻射源模擬技術(shù)在電子對(duì)抗領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。通信源模擬技術(shù)能夠在高效能、低消耗的情況下逼真地模擬通信信號(hào)源，在復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境中大量消耗敵方的通信偵測(cè)、干擾和攻擊武器資源，具有十分重要的軍事意義[2]。通常的模擬技術(shù)通過(guò)使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和特定的編程軟件、信號(hào)源等，產(chǎn)生各種需要的通信信號(hào)。通信信號(hào)的調(diào)制方式是通信信號(hào)最重要的特征之一，通信信號(hào)的調(diào)制方式不盡相同，如何準(zhǔn)確、逼真地模擬各種調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)有效地識(shí)別、監(jiān)視，是通信信號(hào)分析研究的重要課題[3]。在通信系統(tǒng)中，調(diào)制具有相當(dāng)重要的作用。通過(guò)調(diào)制，不僅可以進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或者便于多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)。對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式分析的數(shù)據(jù)源主要來(lái)自于實(shí)際接收數(shù)據(jù)，由于受到各種條件的限制，實(shí)際接收數(shù)據(jù)在教學(xué)科研中很難獲得，而仿真數(shù)據(jù)則可以自己產(chǎn)生，而且體制、頻率和帶寬等參數(shù)可以靈活設(shè)置。

模擬通信系統(tǒng)的基本組成如圖1所示，其中模擬調(diào)制可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。

模擬通信系統(tǒng)主要包含2種重要變換：一是把連續(xù)信息變換成電信號(hào)，這種變換由發(fā)射端信息源完成；二是把電信號(hào)恢復(fù)成最初的連續(xù)消息，該變換由接收端信宿完成。由信源輸出的電信號(hào)稱為基帶信號(hào)，基帶信號(hào)具有頻率較低的頻譜成分，一般不能直接作為傳輸信號(hào)送到信道中去。因此，模擬通信系統(tǒng)里常有第2種變換，即將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，這一變換由調(diào)制器完成；在接收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器完成。經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，具有3個(gè)基本特性：一是攜帶消息；二是適合在信道中傳輸；三是頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠(yuǎn)離零頻。

信號(hào)源作為發(fā)送消息的源頭，負(fù)責(zé)將各類信息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。根據(jù)信號(hào)特性差異可以將信號(hào)源分類成數(shù)字信號(hào)源和模擬信號(hào)源。數(shù)字信號(hào)源發(fā)出的數(shù)字信號(hào)是離散的，而模擬信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)是連續(xù)的。調(diào)制是發(fā)送終端設(shè)備最常用的轉(zhuǎn)換方式，負(fù)責(zé)將從信號(hào)源接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合空間傳播的信號(hào)形式，并將該信號(hào)發(fā)往信道。信道定義為傳輸消息的通道，是接收設(shè)備終端和發(fā)送設(shè)備終端之間信號(hào)傳遞必經(jīng)的載體，包括有線信道和無(wú)線信道，會(huì)將白噪聲引入到原始信號(hào)之中。解調(diào)器將接收到的原始信號(hào)基于信號(hào)解調(diào)原理，準(zhǔn)確、真實(shí)地恢復(fù)出原有的基帶信號(hào)，然后將信號(hào)傳遞給最后的接收者，也就是信宿[5-6]。

線性調(diào)制通常是指幅度調(diào)制，即由調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，頻譜結(jié)構(gòu)上完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移，幅度調(diào)制主要包括AM，DSB，SSB，VSB等[7-8]。非線性調(diào)制通常指角度調(diào)制，已調(diào)信號(hào)的頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，若載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)變化，稱為調(diào)頻（FM）；若載波的相位隨調(diào)制信號(hào)變化，稱為調(diào)相（PM）。與幅度調(diào)制相比，角度調(diào)制最突出的優(yōu)勢(shì)是其較高的抗噪聲性能，代價(jià)是需要更大的帶寬[9]。

調(diào)制和解調(diào)在通信系統(tǒng)中是一個(gè)極為重要的組成部分，調(diào)制和解調(diào)的方式和性能直接影響到通信系統(tǒng)的性能。調(diào)制的實(shí)質(zhì)是頻譜搬移，其作用和目的是[10]：

①實(shí)現(xiàn)頻譜搬移：將基帶信號(hào)搬移到適合信道傳輸?shù)念l帶上去。

②容易輻射：天線的輻射能力與信號(hào)波長(zhǎng)相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)同樣的輻射能力，天線的口徑與輻射信號(hào)的波長(zhǎng)成比例。基帶信號(hào)的頻率一般較小，波長(zhǎng)較大，意味著若直接將基帶信號(hào)輻射出去，天線的長(zhǎng)度為幾十甚至幾百千米的量級(jí)。為了使天線容易輻射，一般將基帶信號(hào)調(diào)制到較高的頻率上去。

③實(shí)現(xiàn)頻率分配：為使各個(gè)無(wú)線電臺(tái)發(fā)出的信號(hào)互不干擾，每個(gè)電臺(tái)都被分配給不同的頻率。這樣利用調(diào)制技術(shù)把各種話音、音樂(lè)和圖像等基帶信號(hào)調(diào)制到不同的載頻上，以便用戶任意選擇電臺(tái)，收看收聽(tīng)所需節(jié)目。

④實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用：如果信道的通帶較寬，可以用一個(gè)信道傳輸多個(gè)基帶信號(hào)，只要把基帶信號(hào)分別調(diào)制到相鄰的載波，然后將它們一起送入信道傳輸即可。這種載頻域上實(shí)行的多路復(fù)用稱為頻分復(fù)用。

⑤提高系統(tǒng)抗噪聲、抗干擾能力：噪聲和干擾不可能完全消除，但是可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式來(lái)減少它們的影響，不同的調(diào)制方式有不同的抗噪聲性能。

AM的優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是功率利用率低、抗干擾能力差、信號(hào)帶寬較寬、頻帶利用率不高，主要用在中短波調(diào)幅廣播等對(duì)通信質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。DSB的優(yōu)點(diǎn)是功率利用率高，帶寬與AM相同，主要用于調(diào)頻立體聲等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專用通信及低帶寬信號(hào)多路復(fù)用系統(tǒng)。SSB的優(yōu)點(diǎn)是功率利用率和頻帶利用率都較高，抗干擾能力和抗選擇性衰落能力均優(yōu)于AM，而帶寬只有AM的一半，缺點(diǎn)是收發(fā)設(shè)備都復(fù)雜，常用在頻分多路系統(tǒng)中，如短波波段的無(wú)線電廣播和頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中。VSB的抗噪聲性能和頻帶利用率與SSB相當(dāng)，主要用于數(shù)據(jù)傳輸、電視廣播等領(lǐng)域。FM的幅度恒定不變，對(duì)非線性器件不敏感，具有抗快衰落特性，并且FM波的抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是頻帶利用率低，存在門(mén)限效應(yīng)。

基于Matlab軟件，仿真了理想條件下AM，DSB，SSB，VSB，F(xiàn)M等調(diào)制信號(hào)的時(shí)域圖、頻譜圖和時(shí)頻圖結(jié)果，用于研究分析模擬調(diào)制的時(shí)域和頻域特征?？紤]生成更加逼真的模擬信號(hào)，將實(shí)際環(huán)境中采集的話音信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，基于Matlab生成了特定采樣頻率下的時(shí)域圖和頻域圖。

（1）模擬調(diào)制信號(hào)生成

模擬調(diào)制就是用基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）對(duì)載波波形的某些參量進(jìn)行連續(xù)控制，也就是其基帶信號(hào)為連續(xù)信號(hào)?，F(xiàn)實(shí)中的絕大多數(shù)信號(hào)，如語(yǔ)音信號(hào)等都是連續(xù)信號(hào)，用這樣的連續(xù)信號(hào)直接對(duì)載波調(diào)制就是模擬調(diào)制。在仿真模擬調(diào)制信號(hào)時(shí)，除了載波頻率和采樣頻率可靈活設(shè)置外，必須要考慮信道噪聲帶來(lái)的影響，在研究模擬調(diào)制信號(hào)與信道質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，一般先研究它在加性高斯白噪聲（AWGN）信道下的性能，然后再把它推廣到其他復(fù)雜情況。

在分析模擬通信信號(hào)時(shí)，一般對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、時(shí)頻分析以及功率譜估計(jì)來(lái)判別模擬信號(hào)的調(diào)制體制，所以本文將直接仿真AWGN信道下的模擬通信中頻信號(hào)。

圖2～圖6分別是AM，DSB，SSB，VSB，F(xiàn)M調(diào)制信號(hào)源的仿真結(jié)果，其中每種類型的仿真圖形中有分別包括時(shí)域圖、頻譜圖和時(shí)頻譜圖。

對(duì)于幅度調(diào)制信號(hào)，在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。角度調(diào)制包括頻率調(diào)制和相位調(diào)制。非線性調(diào)制通常是通過(guò)改變載波的頻率或相位來(lái)達(dá)到的，即載波的振幅保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號(hào)變化。

在介紹模擬通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)5種模擬調(diào)制方式進(jìn)行了性能比較。為了使得生成的模擬調(diào)制信號(hào)更加真實(shí)，通過(guò)從語(yǔ)音文件中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行采樣頻率轉(zhuǎn)換以及幅度歸一化后產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行模擬調(diào)制，并直接生成AWGN信道下的模擬通信中頻信號(hào)，最后根據(jù)中頻信號(hào)數(shù)據(jù)記錄的格式生成int16格式的數(shù)據(jù)文件，以便在教學(xué)科研中通過(guò)信號(hào)分析軟件對(duì)信號(hào)帶寬、調(diào)制方式等進(jìn)行分析，此外本文提供的上述信號(hào)的頻譜圖、時(shí)頻譜圖可以直觀區(qū)分模擬調(diào)制所采用的體制。

通信電子對(duì)抗在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中具有關(guān)鍵作用，對(duì)通信系統(tǒng)和通信對(duì)抗設(shè)備的研究具有重要意義?；贛atlab仿真原理，對(duì)通信調(diào)制信號(hào)進(jìn)行仿真分析，對(duì)實(shí)際環(huán)境中通信系統(tǒng)和通信對(duì)抗設(shè)備的調(diào)試、驗(yàn)證等能夠起到關(guān)鍵作用，有利于指導(dǎo)通信模擬輻射源設(shè)備的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

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