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摘 要 调制和解调是通信系统的重要构成部分。本文基于Matlab/Simulink软件对语音通信传输过程中调制和解调过程进行模拟仿真模型构建，在此基础上比较了包络检波和相干解调两种解調方式的效果，且实验结果验证相干解调性能优于包络检波。而后利用Matlab GUI 设计了语音调制解调的用户界面，可将其应用到高频电子电路或通信原理的仿真实验室建设中，以便学生更直观地理解调制解调的原理。
关键词 Matlab/Simulink 调制解调 相干解调 包络检波 GUI
中图分类号：TN915.05 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.087
Construction of Simulation Laboratory for Modulation and
Demodulation Based on Simulink
OU Shifeng， CUI Jiao， GAO Ying
（School of Opto-electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）
Abstract Modulation and demodulation are important components of communication systems. In this paper， Matlab/Simulink software simulation model of modulation and demodulation of voice communication during the transmission process based on， on the basis of comparison of envelope detection and coherent demodulation of two demodulation results， and the experimental results show better performance than the coherent demodulation envelope detection. Then use Matlab GUI to design the voice modulation and demodulation of the user interface， which can be applied to the construction of the simulation laboratory of high frequency electronic circuit or communication principle in principle， so that students can better understand the modulation and demodulation.
Keywords Matlab/Simulink； modulation demodulation； coherent demodulation； envelope detection； GUI
0 引言
随着计算机发展的日新月异以及通信系统设计复杂程度的增加，通信仿真实验的优点逐渐显现，为通信系统的教学设计提供了一条可靠而又便捷的途径。Matlab是一款用于数据分析、数据可视化的高级技术语言和交互环境，且Simulink是Matlab中的一种图形可视化的交互环境，与传统的仿真实验软件相比，具有更直观、灵活、方便的优点。本文以语音信号的调制与解调为例，简述在Simulink软件环境下建立仿真模型，从而进行仿真实验并对实验结果进行分析。同时利用Matlab GUI设计语音信号的调制解调的人机交互界面，可使学生对调制解调过程中所涉及到的信号的时域及频域特性有更为直观的认识，有助于学生更好地理解调制解调的原理，而且GUI界面还可应用于通信原理或高频电子电路等课程的仿真实验教学。
1 通信系统的基本原理
通信的目的是传递消息中包含的信息，通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个信宿。对于通信系统而言，首先要将信源产生的信号经过调制器调制转化成适合在信道中传输的信号形式而后送入信道；在信号接收端，则利用解调器对接收信号进行与调制器功能相逆的变换，而后送给信宿再转换成原始信号。调制和解调在通信系统中发挥着重要的作用。调制就是把基带信号转变成适合在信道中传输的通带信号。调制分为模拟调制和数字调制，本文探究内容为模拟幅度调制简称调幅。标准的调幅就是常规的双边带调制。在常规调幅实验中将频率为的调制信号与一个较高频率 的载波信号相乘，得到一个变频的通带信号，则此时载波的幅度变化传递了消息信号所携带的信息。解调就是把通带信号转换成基带信号送给信宿，同时应将附加的干扰信号等影响降至最低，其从频域上看就是把通带信号的边带搬回到低频，也就是属于线性频谱搬移。解调的方法又分为相干解调和包络检波。
2 语音通信系统的Simulink建模
假设是语音信号，叠加了强度为的直流分量后得到 ；载波信号为，式中为载波幅度、为载波角频率；为分析简便，初相假设为0。对常规已调信号进行傅里叶变换，得到调幅信号的频谱。基于幅度调制理论建立Simulink的语音通信模型，其中包含语音输入、调制、解调和信噪比检测模块等。
信源采用From Multimedia File模块，以采样频率为8000Hz的速度从语音信源signal1.wav中度读入时长为2s的语音信号；后采用Buffer模块将基于帧的并行信号进行串并转换，转化为基于样值的格式；再通过Dumax模块将语音信号一路读出成为。载波采用Simulink中信号发生器Signal Generator产生一个幅度为1、频率的正弦信号作为高频载波。模型中将直流信号和相加后再与载波相乘生成已调信号；将此已调信号分成两路，分别使用模拟滤波器Analog Filter Design对信号进行滤波，其中一路为未受到噪声干扰的已调信号；另一路为加入由Random Number模块产生的加性高斯噪声干扰的已调信号，并用示波器Scope观察两路信号的差异。Simulink语音通信模型中解调过程分为相干解调和包络检波，旨在比较二者解调效果。包络检波是由Saturation模块来模拟单向导通的非线性器件，后经过截止频率为6kHz（因语音信号的频率集中在0.3至3.4 kHz）的低通滤波器；相干解调则是由同频同相的高频正弦波相乘后经低通滤波实现，其中，用Scope1显示采用相关解调和包络检波两种解调方式所得到的解调后的信号波形。最后，在调制解调系统模型末端增加了信噪比检测模块。在该模块中，输入的解调信号通过滤波器后将信号与噪声分离，以分别计算信号和噪声的功率，进而计算输入输出信噪比。由于调制解调模块较多，可以利用Simulink中具有层次结构的子系统模块。
3 仿真实验结果及分析
3.1 Simulink仿真实验
本实验采用的版本为Matlab R2014a；语音传输信道中加入了均值为0、方差为0.5的加性高斯白噪声；Simulink仿真时间设定为2s。通过示波器Scope3可以看到输入的原始语音信号如图1，通过示波器Scope1可以看到两路解调后所得到的基带信号（上一路波形为包络检波后所得到的基带信号，下一路波形为相干解调后所得到的基带信号）如图2所示。由图2中解调后所得到的语音信号的时域波形可知，相干解调性能明显优于包络检波。另外，通过信噪比检测模块，得出在上述条件下，相干解调的输出信噪比为11.203 dB，包络检波的输出信噪比为10.832dB，进而客观地说明相干解调性能优于包络检波性能。
3.2 GUI仿真实验
模拟语音信号输入调制解调输出过程，通过GUI封装可以直观地看出语音信号传输过程中信号时域及频域特点（见图3至图8），有助于学生进一步理解调制解调过程的原理。
4 总结
利用Matlab/Simulink对完成语音信号传输的通信系统进行了系统构建、模型设计、仿真实验和最终的结果显示，并利用Matlab/GUI设计用于显示该系统中基带、已调、解调信号的时域及频域波形的人机交互界面。文中的Simulink通信模型可应用于高频电子电路及通信原理的课堂演示教学和仿真实验中，进而助于学生更形象地理解调制解调系统的原理，激发学生的主观能动性和创新能力，提高学生的学习兴趣。
参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006.
[2] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2006.
[3] 许可，李敏，罗鹏飞.基于Simulink的语音通信调制解调仿真实验[J].电气电子教学学报，2007.29（5）：79-81.
[4] 高颖，冯浩，张顺等.基于Simulink的模拟与数字通信系统建模与仿真[J].现代电子技术，2013.36（7）：64-67.
关键词 Matlab/Simulink 调制解调 相干解调 包络检波 GUI
中图分类号：TN915.05 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.087
Construction of Simulation Laboratory for Modulation and
Demodulation Based on Simulink
OU Shifeng， CUI Jiao， GAO Ying
（School of Opto-electronic Information Science and Technology， Yantai University， Yantai， Shandong 264005）
Abstract Modulation and demodulation are important components of communication systems. In this paper， Matlab/Simulink software simulation model of modulation and demodulation of voice communication during the transmission process based on， on the basis of comparison of envelope detection and coherent demodulation of two demodulation results， and the experimental results show better performance than the coherent demodulation envelope detection. Then use Matlab GUI to design the voice modulation and demodulation of the user interface， which can be applied to the construction of the simulation laboratory of high frequency electronic circuit or communication principle in principle， so that students can better understand the modulation and demodulation.
Keywords Matlab/Simulink； modulation demodulation； coherent demodulation； envelope detection； GUI
0 引言
随着计算机发展的日新月异以及通信系统设计复杂程度的增加，通信仿真实验的优点逐渐显现，为通信系统的教学设计提供了一条可靠而又便捷的途径。Matlab是一款用于数据分析、数据可视化的高级技术语言和交互环境，且Simulink是Matlab中的一种图形可视化的交互环境，与传统的仿真实验软件相比，具有更直观、灵活、方便的优点。本文以语音信号的调制与解调为例，简述在Simulink软件环境下建立仿真模型，从而进行仿真实验并对实验结果进行分析。同时利用Matlab GUI设计语音信号的调制解调的人机交互界面，可使学生对调制解调过程中所涉及到的信号的时域及频域特性有更为直观的认识，有助于学生更好地理解调制解调的原理，而且GUI界面还可应用于通信原理或高频电子电路等课程的仿真实验教学。
1 通信系统的基本原理
通信的目的是传递消息中包含的信息，通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个信宿。对于通信系统而言，首先要将信源产生的信号经过调制器调制转化成适合在信道中传输的信号形式而后送入信道；在信号接收端，则利用解调器对接收信号进行与调制器功能相逆的变换，而后送给信宿再转换成原始信号。调制和解调在通信系统中发挥着重要的作用。调制就是把基带信号转变成适合在信道中传输的通带信号。调制分为模拟调制和数字调制，本文探究内容为模拟幅度调制简称调幅。标准的调幅就是常规的双边带调制。在常规调幅实验中将频率为的调制信号与一个较高频率 的载波信号相乘，得到一个变频的通带信号，则此时载波的幅度变化传递了消息信号所携带的信息。解调就是把通带信号转换成基带信号送给信宿，同时应将附加的干扰信号等影响降至最低，其从频域上看就是把通带信号的边带搬回到低频，也就是属于线性频谱搬移。解调的方法又分为相干解调和包络检波。
2 语音通信系统的Simulink建模
假设是语音信号，叠加了强度为的直流分量后得到 ；载波信号为，式中为载波幅度、为载波角频率；为分析简便，初相假设为0。对常规已调信号进行傅里叶变换，得到调幅信号的频谱。基于幅度调制理论建立Simulink的语音通信模型，其中包含语音输入、调制、解调和信噪比检测模块等。
信源采用From Multimedia File模块，以采样频率为8000Hz的速度从语音信源signal1.wav中度读入时长为2s的语音信号；后采用Buffer模块将基于帧的并行信号进行串并转换，转化为基于样值的格式；再通过Dumax模块将语音信号一路读出成为。载波采用Simulink中信号发生器Signal Generator产生一个幅度为1、频率的正弦信号作为高频载波。模型中将直流信号和相加后再与载波相乘生成已调信号；将此已调信号分成两路，分别使用模拟滤波器Analog Filter Design对信号进行滤波，其中一路为未受到噪声干扰的已调信号；另一路为加入由Random Number模块产生的加性高斯噪声干扰的已调信号，并用示波器Scope观察两路信号的差异。Simulink语音通信模型中解调过程分为相干解调和包络检波，旨在比较二者解调效果。包络检波是由Saturation模块来模拟单向导通的非线性器件，后经过截止频率为6kHz（因语音信号的频率集中在0.3至3.4 kHz）的低通滤波器；相干解调则是由同频同相的高频正弦波相乘后经低通滤波实现，其中，用Scope1显示采用相关解调和包络检波两种解调方式所得到的解调后的信号波形。最后，在调制解调系统模型末端增加了信噪比检测模块。在该模块中，输入的解调信号通过滤波器后将信号与噪声分离，以分别计算信号和噪声的功率，进而计算输入输出信噪比。由于调制解调模块较多，可以利用Simulink中具有层次结构的子系统模块。
3 仿真实验结果及分析
3.1 Simulink仿真实验
本实验采用的版本为Matlab R2014a；语音传输信道中加入了均值为0、方差为0.5的加性高斯白噪声；Simulink仿真时间设定为2s。通过示波器Scope3可以看到输入的原始语音信号如图1，通过示波器Scope1可以看到两路解调后所得到的基带信号（上一路波形为包络检波后所得到的基带信号，下一路波形为相干解调后所得到的基带信号）如图2所示。由图2中解调后所得到的语音信号的时域波形可知，相干解调性能明显优于包络检波。另外，通过信噪比检测模块，得出在上述条件下，相干解调的输出信噪比为11.203 dB，包络检波的输出信噪比为10.832dB，进而客观地说明相干解调性能优于包络检波性能。
3.2 GUI仿真实验
模拟语音信号输入调制解调输出过程，通过GUI封装可以直观地看出语音信号传输过程中信号时域及频域特点（见图3至图8），有助于学生进一步理解调制解调过程的原理。
4 总结
利用Matlab/Simulink对完成语音信号传输的通信系统进行了系统构建、模型设计、仿真实验和最终的结果显示，并利用Matlab/GUI设计用于显示该系统中基带、已调、解调信号的时域及频域波形的人机交互界面。文中的Simulink通信模型可应用于高频电子电路及通信原理的课堂演示教学和仿真实验中，进而助于学生更形象地理解调制解调系统的原理，激发学生的主观能动性和创新能力，提高学生的学习兴趣。
参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006.
[2] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2006.
[3] 许可，李敏，罗鹏飞.基于Simulink的语音通信调制解调仿真实验[J].电气电子教学学报，2007.29（5）：79-81.
[4] 高颖，冯浩，张顺等.基于Simulink的模拟与数字通信系统建模与仿真[J].现代电子技术，2013.36（7）：64-67.