基于虛擬儀器的調幅信號仿真與分析

劉剛　王立香　董延

【摘 要】基于虛擬儀器對調幅信號進行仿真和分析，通過調整載波和消息信號的頻率、幅度等參數，觀察不同參數設計時，調幅信號的波形特點以及調幅信號的和幅度普及功率譜，設計有助于加深對調幅信號的理解。

【關鍵詞】調幅；仿真；功率譜；幅度譜

中圖分類號： TN761.1；TN763.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.021

【Abstract】The amplitude modulation signal is simulated based on virtual instrument.By adjusting the parameters of the carrier and message signal，the waveform characteristics，the power spectrum and the amplitude spectrum of amplitude modulation signal are observed.The design helps to deepen the understanding of the amplitude modulation signal.

【Key words】Amplitude modulation；Simulation；Power spectrum；Amplitude spectrum

0 引言

無線電通信是一種重要且廣泛應用的通信方式，其基本任務是將要傳送的語音、圖像等消息信號轉換成電信號后，通過電磁波的輻射進行信息的傳遞。由于要傳送的消息信號通常是低頻信號，例如，人耳能聽到的聲音的頻率范圍大約在到，對應波長約。要將這種低頻的振蕩電信號通過無線電的形式進行通信，根據天線理論，為了有效的將電振蕩信號輻射到空中，需要的天線長度要和電振蕩信號的波長相比擬才能滿足要求。這就需要的天線尺寸非常大，顯然是不現實的。另外，即使能夠將該電振蕩信號輻射到空中，由于各個發射電臺的頻率范圍都在這個頻段內，因此，不同電臺發射的信號在空中會混在一起，使得接收端即使接收到信號，也無法從中選擇出自己需要接收的信號。因此，在無線電通信系統中，為了將低頻的電信號通過天線的形式輻射的空中，需要將低頻的消息信號裝載到高頻的電振蕩信號上，這就是信號的調制。如果在調制過程中，選擇不同的高頻載波進行調制，則可以有效的區分不同的電臺，使各電臺互不干擾。

調幅（AM）是無線電通信的一種重要調制方式，調幅的基本原理是利用低頻的消息信號控制高頻載波的幅度，也就是使高頻載波的振蕩幅度隨著消息信號線性變化。因此，高頻載波的幅度變化就包含了要傳遞的消息信號，然后將該調制信號經天線輻射出去。接收端接收到該高頻調制信號后，只要檢測出其幅度變化，就能恢復出原始的消息信號，從而實現消息信號的遠距離無線電通信。掌握AM信號各參數的意義及調幅信號的波形、頻譜和功率譜，對理解調幅信號的原理具有重要的意義。LabVIEW是美國國家儀器（NI）研制的一種圖形化的虛擬儀器開發環境，在工業、實驗室等領域有著廣泛的應用[1]。本文利用LabVIEW 2017對AM信號進行了仿真和分析，可以實時顯示AM信號的波形以及AM信號的頻譜和功率譜隨參數的變化過程。通過本系統，可以深入的理解AM調制參數的意義和波形、頻譜及功率譜的特點。

1 AM原理和軟件設計

要傳遞的消息信號頻譜成分往往比較復雜，但復雜的信號都可用傅里葉級數分解為若干正弦信號的和[2]。因此，對單頻消息信號的調幅特性分析具有普遍意義。設消息信號的數學表達式為：高頻載波信號為，則調幅信號可以表達為：

根據上述AM調制原理，本文利用虛擬儀器開發軟件LabView 2017設計了調幅波仿真與分析軟件，原理框圖如圖1所示。

3 仿真分析

程序前面板設計和仿真結果如圖2所示。

在應用程序前面板中，通過“信號頻率”和“信號幅度”旋鈕，設置消息信號的頻率和幅度，通過“載波頻率”和“載波幅度”旋鈕設置載波的頻率和載波的幅度。為了方便觀察波形和AM信號的頻譜結構，本文設置信號的頻率和載波頻率較低，但這并不影響對AM信號的特性分析。根據AM調制原理，通過調整比例系數、載波幅度和信號幅度，可以調整信號的調幅度。圖2給出了載波和信號頻率分別為和時的AM信號波形，其中載波和信號幅度以及ka的設置如圖2所示，此時，計算出的調幅度為。通過AM信號和消息信號波形顯示框，可以清晰的觀察消息信號的AM信號的波形特點，顯然，AM信號的上包絡反映了消息信號的變化。也就是說，載波幅度的變化，包含了要傳遞的消息信號，這也就是稱為幅度調制的原因。通過幅度譜波形框，可以觀察載波幅度和上、下邊頻的幅度關系。通過功率譜波形框，可以觀察載波功率和上、下邊頻的功率的關系。用戶可以調整信號的各個參數，通過4個不同的顯示窗口觀測信號的波形和頻譜及功率譜隨信號參數變化的特點。通過功率譜的計算和功率譜的波形顯示框，可以清晰的觀察到，在AM信號不失真的條件下，邊頻功率之和最多占輸出總功率的在實際的調幅發射系統中，由于消息信號是多頻的且頻譜構成復雜，平均調幅度通常選擇在0.2～0.3左右[3]，而要傳遞的信號頻譜只包含在上、下兩個邊頻中，因此，AM的信號發射功率利用效率較低。為了克服這個缺點，人們提出了、等調制方式，但由于普通的AM技術簡單，因此，仍得到了廣泛的應用。

4 結論

本文討論和分析了AM信號的基本原理，并利用虛擬儀器設計軟件LabVIEW 2017對AM信號進行了仿真和分析。通過調整AM系統的各個參數，可以方便的觀測消息信號、AM信號包絡的波形特點，以及AM信號的幅度譜和功率譜，從而加深對可以加深對AM信號原理的理解。

【參考文獻】

[1]劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW 8 20中文版編程及應用，2008.

[2]嚴國萍，通信電子線路（第二版），科學出版社，2016.1.

[3]溫亞林等，提高調幅廣播發射機的平均調幅度問題，廣播與電視技術，1978.6.