基于LabVIEW的模擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設計

摘要：簡要說明通信過程中模擬調(diào)制和解調(diào)的原理，基于NI LabVIEW 8．5軟件平臺，設計開發(fā)了模擬調(diào)制和解調(diào)軟件系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以在時域和頻域中實時觀察幅度、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶信號，并分析其仿真結(jié)果。該設計系統(tǒng)可以應用于信號和通信等教學及實驗課程中，加深學生對這類課程理解和掌握，從而提高高校理工科的教學水平和質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；模擬調(diào)制；解調(diào)；實時觀察

0 引言
    隨著信息時代的快速發(fā)展，信息科學技術(shù)已成為21世紀國際社會和世界經(jīng)濟發(fā)展的強大動力，調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)在通信、廣播、電視等信息傳輸系統(tǒng)已得到了廣泛的應用。調(diào)制可以使信號適用于無線信道傳輸，幅度、雙邊帶、單邊帶調(diào)制是短波通信的三種主要方式。其中單邊帶調(diào)制已經(jīng)成為短波通信的一種重要的調(diào)制方式；幅度調(diào)制的優(yōu)點是接收設備簡單，缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，目前主要用于中波和短波的調(diào)幅廣播中；雙邊帶調(diào)制設備較復雜，應用較少，一般只用于點對點的專用通信。單邊帶制式普遍用于頻帶比較擁擠的場合，如短波的無線電廣播和頻分多路復用系統(tǒng)中。該文主要是基于LabVIEW平臺對幅度調(diào)制(Amplitude Modulation，AM)、雙邊帶調(diào)制(Double Side Band，DSB)、單邊帶(Single Side Band，SSB)凋制、殘留邊帶調(diào)制(Vesttigial Side Band，VSB)進行了設計。LabVIEW自從1986年在美國國家儀器公司(NI)公司問世以來，以簡單易用的圖形化編程語言平臺和強大的圖形用戶界面，已被越來越多的工程技術(shù)人員所青睞，而且已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

1 調(diào)制原理
1．1 幅度調(diào)制
    通過調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號做線性變化。它是將基帶信號的m(t)與一個直流分量A0相加后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號，其時域表達式如式(1)所示：
   
    幅度調(diào)制的模型圖如圖1所示。

    在幅度信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完全由邊帶傳送。如果抑制載波，只需將直流A0去掉，即可輸出抑制載波的雙邊帶信號。
1．2 雙邊帶調(diào)制
    雙邊帶調(diào)制是在幅度調(diào)制基礎(chǔ)上將直流A0分量去掉后得到的一種高效的調(diào)制方式——抑制載波雙邊帶信號。雙邊帶調(diào)制模型圖如圖2所示。

    其時域表達式和頻域表達式分別如式(3)，式(4)所示。
   
1．3 單邊帶調(diào)制
    單邊帶調(diào)制實現(xiàn)的方法主要有兩種：濾波法和相移法，本文采用濾波法產(chǎn)生單邊帶信號，即先產(chǎn)生一個雙邊帶調(diào)制信號，通過一個濾波器濾除一部分邊帶就得到了單邊帶信號，單邊帶調(diào)制模型圖如圖3所示。

    在本系統(tǒng)的設計中，通過一個高通濾波器濾除下邊帶的頻率分量，保留上邊帶的頻率分量，其傳輸函數(shù)表達式和單邊帶頻域表達表如式(5)，式(6)所示。
   

2 LabVIEW實現(xiàn)
    LabVIEW程序由前面板程序和程序框圖兩部分組成，LabVIEW的前面板就像是一臺電子儀器的操作面板，用以控制和顯示實驗結(jié)果；在程序框圖中編寫圖形化程序，實現(xiàn)儀器的功能?；贚abVIEW產(chǎn)生雙邊帶信號、單邊帶信號及對應的波形和頻譜顯示。根據(jù)調(diào)制原理，將一個低頻正弦波和一個載波相乘，得到雙邊帶信號，經(jīng)過濾波器濾波得到單邊帶信號，直流信號與低頻正弦波相加之后，再與一個載波相乘，便可得到調(diào)幅信號，同時為了更方便地觀看波形和頻譜圖，更加直觀地得出結(jié)果。模擬調(diào)制解調(diào)前面板如圖4所示，通過調(diào)制旋鈕選擇調(diào)制波形，調(diào)幅旋鈕選擇波形，通過時域波形、功率譜、解調(diào)信號顯示結(jié)果波形。

    模擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)程序框圖如圖5所示，該程序框圖由三部分組成：模擬調(diào)制、解調(diào)和調(diào)制顯示。模擬調(diào)制部分通過信號生成函數(shù)產(chǎn)生模擬信號和載波信號，再通過調(diào)制旋鈕選擇何種調(diào)制；解調(diào)部分是已調(diào)信號與調(diào)制同頻的載波信號相乘，經(jīng)過濾波器濾波后得到解調(diào)信號；調(diào)制顯示部分將通過時域波形顯示，頻譜測量信號通過功率譜顯示結(jié)果，調(diào)制顯示燈通過調(diào)制選擇旋鈕信號與相應數(shù)字相減，通過等0函數(shù)判斷為真時，顯示燈亮。

    幅度調(diào)制程序框圖中將調(diào)制信號與直流信號相加，再與載波信號相乘便得到了幅度調(diào)制信號，幅度調(diào)制程序框圖如圖6所示。幅度調(diào)制結(jié)果顯示如圖7所示，調(diào)制旋鈕選擇2，調(diào)幅旋鈕選擇在1～5之間，調(diào)制信號燈亮，時域波形顯示時域幅度調(diào)制波形，頻譜波形的中心頻率為100 Hz，由于直流信號和上、下邊帶疊加在一起成為90～110 Hz信號，解調(diào)波形與調(diào)制波形相同。
    在雙邊帶調(diào)制的條件結(jié)構(gòu)中，將調(diào)制信號與載波信號相乘后得到了雙邊帶調(diào)制信號，雙邊帶調(diào)制信號程序框圖如圖8所示。雙邊帶調(diào)制結(jié)果如圖9所示，調(diào)制旋鈕選擇3，雙邊帶調(diào)制信號燈亮，時域波形圖顯示幅度調(diào)制波形，頻譜波形的中心頻率為100Hz，由上邊帶、下邊帶疊加在一起構(gòu)成90～110 Hz信號。DSB的功率譜與AM相近，只顯示上、下邊帶的中心頻率中去除了載波分量，DSB信號的調(diào)制效率是100％，即全部功率都用于信息傳輸。

    單邊帶調(diào)制是將調(diào)制信號與載波信號相乘后通過濾波器進行二次濾波，濾除下邊帶信號，已調(diào)信號通過波形顯示，單邊帶調(diào)制信號程序框圖如圖10所示。單邊帶調(diào)制結(jié)果如圖11所示，調(diào)制旋鈕選擇4，單邊帶調(diào)制信號燈亮，頻譜波形只顯示100～110 Hz的上邊帶信號。單邊帶凋僅傳輸雙邊帶信號的一個邊帶(上邊帶或下邊帶)，不僅可以節(jié)省載波功率，還可以節(jié)省一半傳輸頻帶。

    殘留邊帶調(diào)制程序框圖如圖12所示，相乘后的信號經(jīng)過濾波器后便得到了殘留邊帶信號，前面板顯示調(diào)制結(jié)果如圖13所示。

3 結(jié)語
    本文首先簡單介紹了模擬調(diào)制和解調(diào)原理，接著基于LabVIEW軟件平臺設計了模擬調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，并分析AM，SSB，DSB，VSB這四種信號的仿真結(jié)果，比較各自在信道傳輸和功率利用率方面的優(yōu)缺點。在單邊帶調(diào)制中只采用了一級濾波，有一部分邊帶未完全濾除，可以通過多級濾波技術(shù)進行改善，其余三種信號仿真過程均正常。在使用LabVIEW的過程中發(fā)現(xiàn)它可方便、快捷地實現(xiàn)通信系統(tǒng)的仿真設計。基于LabVIEW平臺設計的模擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，可以在理工科的教學實驗中推廣運用，加深對信號和通信等課程的理解和掌握，從而提高學校在理工科的教學水平和質(zhì)量。