調(diào)制和解調(diào)的應(yīng)用原理及如何利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著信息時(shí)代的快速發(fā)展，信息科學(xué)技術(shù)已成為21世紀(jì)國際社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)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(yīng)用。調(diào)制可以使信號(hào)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(diǎn)是接收設(shè)備簡單，缺點(diǎn)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(shè)備較復(fù)雜，應(yīng)用較少，一般只用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(fù)用系統(tǒng)中。該文主要是基于LabVIEW平臺(tái)對(duì)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(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(tái)和強(qiáng)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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1、調(diào)制原理

1．1 幅度調(diào)制

通過調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號(hào)做線性變化。它是將基帶信號(hào)的m（t）與一個(gè)直流分量A0相加后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號(hào)，其時(shí)域表達(dá)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(hào)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(hào)。

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(hào)。雙邊帶調(diào)制模型圖如圖2所示。

1．3 單邊帶調(diào)制

單邊帶調(diào)制實(shí)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(hào)，即先產(chǎn)生一個(gè)雙邊帶調(diào)制信號(hào)，通過一個(gè)濾波器濾除一部分邊帶就得到了單邊帶信號(hào)，單邊帶調(diào)制模型圖如圖3所示。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過一個(gè)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(dá)式和單邊帶頻域表達(dá)表如式（5），式（6）所示。

2、 LabVIEW實(shí)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(tái)電子儀器的操作面板，用以控制和顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在程序框圖中編寫圖形化程序，實(shí)現(xiàn)儀器的功能?；贚abVIEW產(chǎn)生雙邊帶信號(hào)、單邊帶信號(hào)及對(duì)應(yīng)的波形和頻譜顯示。根據(jù)調(diào)制原理，將一個(gè)低頻正弦波和一個(gè)載波相乘，得到雙邊帶信號(hào)，經(jīng)過濾波器濾波得到單邊帶信號(hào)，直流信號(hào)與低頻正弦波相加之后，再與一個(gè)載波相乘，便可得到調(diào)幅信號(hào)，同時(shí)為了更方便地觀看波形和頻譜圖，更加直觀地得出結(jié)果。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(shí)域波形、功率譜、解調(diào)信號(hào)顯示結(jié)果波形。

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：調(diào)制、解調(diào)和調(diào)制顯示。調(diào)制部分通過信號(hào)生成函數(shù)產(chǎn)生信號(hào)和載波信號(hào)，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(hào)與調(diào)制同頻的載波信號(hào)相乘，經(jīng)過濾波器濾波后得到解調(diào)信號(hào)；調(diào)制顯示部分將通過時(shí)域波形顯示，頻譜測量信號(hào)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(hào)與相應(yīng)數(shù)字相減，通過等0函數(shù)判斷為真時(shí)，顯示燈亮。

幅度調(diào)制程序框圖中將調(diào)制信號(hào)與直流信號(hào)相加，再與載波信號(hào)相乘便得到了幅度調(diào)制信號(hào)，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(hào)燈亮，時(shí)域波形顯示時(shí)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(hào)和上、下邊帶疊加在一起成為90～110 Hz信號(hào)，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(hào)與載波信號(hào)相乘后得到了雙邊帶調(diào)制信號(hào)，雙邊帶調(diào)制信號(hào)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(hào)燈亮，時(shí)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(hào)。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(hào)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(hào)與載波信號(hào)相乘后通過濾波器進(jìn)行二次濾波，濾除下邊帶信號(hào)，已調(diào)信號(hào)通過波形顯示，單邊帶調(diào)制信號(hào)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(hào)燈亮，頻譜波形只顯示100～110 Hz的上邊帶信號(hào)。單邊帶凋僅傳輸雙邊帶信號(hào)的一個(gè)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(hào)經(jīng)過濾波器后便得到了殘留邊帶信號(hào)，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調(diào)制和解調(diào)原理，接著基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，并分析AM，SSB，DSB，VSB這四種信號(hào)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(diǎn)。在單邊帶調(diào)制中只采用了一級(jí)濾波，有一部分邊帶未完全濾除，可以通過多級(jí)濾波技術(shù)進(jìn)行改善，其余三種信號(hào)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(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)?；贚abVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，可以在理工科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中推廣運(yùn)用，加深對(duì)信號(hào)和通信等課程的理解和掌握，從而提高學(xué)校在理工科的教學(xué)水平和質(zhì)量。

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