调制和解调的应用原理及如何利用LabVIEW实现系统设计

引言

随着信息时代的快速发展，信息科学技术已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大动力，调制和解调系统在通信、广播、电视等信息传输系统已得到了广泛的应用。调制可以使信号适用于无线信道传输，幅度、双边带、单边带调制是短波通信的三种主要方式。其中单边带调制已经成为短波通信的一种重要的调制方式；幅度调制的优点是接收设备简单，缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，目前主要用于中波和短波的调幅广播中；双边带调制设备较复杂，应用较少，一般只用于点对点的专用通信。单边带制式普遍用于频带比较拥挤的场合，如短波的无线电广播和频分多路复用系统中。该文主要是基于LabVIEW平台对幅度调制（Amplitude Modulation，AM）、双边带调制（Double Side Band，DSB）、单边带（Single Side Band，SSB）凋制、残留边带调制（Vesttigial Side Band，VSB）进行了设计。LabVIEW自从1986年在美国国家仪器公司（NI）公司问世以来，以简单易用的图形化编程语言平台和强大的图形用户界面，已被越来越多的工程技术人员所青睐，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。

1、调制原理

1．1 幅度调制

通过调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号做线性变化。它是将基带信号的m（t）与一个直流分量A0相加后与载波相乘，即可形成调幅信号，其时域表达式如式（1）所示：

幅度调制的模型图如图1所示。

在幅度信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果抑制载波，只需将直流A0去掉，即可输出抑制载波的双边带信号。

1．2 双边带调制

双边带调制是在幅度调制基础上将直流A0分量去掉后得到的一种高效的调制方式——抑制载波双边带信号。双边带调制模型图如图2所示。

1．3 单边带调制

单边带调制实现的方法主要有两种：滤波法和相移法，本文采用滤波法产生单边带信号，即先产生一个双边带调制信号，通过一个滤波器滤除一部分边带就得到了单边带信号，单边带调制模型图如图3所示。

在本系统的设计中，通过一个高通滤波器滤除下边带的频率分量，保留上边带的频率分量，其传输函数表达式和单边带频域表达表如式（5），式（6）所示。

2、 LabVIEW实现

LabVIEW程序由前面板程序和程序框图两部分组成，LabVIEW的前面板就像是一台电子仪器的操作面板，用以控制和显示实验结果；在程序框图中编写图形化程序，实现仪器的功能。基于LabVIEW产生双边带信号、单边带信号及对应的波形和频谱显示。根据调制原理，将一个低频正弦波和一个载波相乘，得到双边带信号，经过滤波器滤波得到单边带信号，直流信号与低频正弦波相加之后，再与一个载波相乘，便可得到调幅信号，同时为了更方便地观看波形和频谱图，更加直观地得出结果。调制解调前面板如图4所示，通过调制旋钮选择调制波形，调幅旋钮选择波形，通过时域波形、功率谱、解调信号显示结果波形。

调制解调系统程序框图如图5所示，该程序框图由三部分组成：调制、解调和调制显示。调制部分通过信号生成函数产生信号和载波信号，再通过调制旋钮选择何种调制；解调部分是已调信号与调制同频的载波信号相乘，经过滤波器滤波后得到解调信号；调制显示部分将通过时域波形显示，频谱测量信号通过功率谱显示结果，调制显示灯通过调制选择旋钮信号与相应数字相减，通过等0函数判断为真时，显示灯亮。

幅度调制程序框图中将调制信号与直流信号相加，再与载波信号相乘便得到了幅度调制信号，幅度调制程序框图如图6所示。幅度调制结果显示如图7所示，调制旋钮选择2，调幅旋钮选择在1～5之间，调制信号灯亮，时域波形显示时域幅度调制波形，频谱波形的中心频率为100 Hz，由于直流信号和上、下边带叠加在一起成为90～110 Hz信号，解调波形与调制波形相同。

在双边带调制的条件结构中，将调制信号与载波信号相乘后得到了双边带调制信号，双边带调制信号程序框图如图8所示。双边带调制结果如图9所示，调制旋钮选择3，双边带调制信号灯亮，时域波形图显示幅度调制波形，频谱波形的中心频率为100Hz，由上边带、下边带叠加在一起构成90～110 Hz信号。DSB的功率谱与AM相近，只显示上、下边带的中心频率中去除了载波分量，DSB信号的调制效率是100％，即全部功率都用于信息传输。

单边带调制是将调制信号与载波信号相乘后通过滤波器进行二次滤波，滤除下边带信号，已调信号通过波形显示，单边带调制信号程序框图如图10所示。单边带调制结果如图11所示，调制旋钮选择4，单边带调制信号灯亮，频谱波形只显示100～110 Hz的上边带信号。单边带凋仅传输双边带信号的一个边带（上边带或下边带），不仅可以节省载波功率，还可以节省一半传输频带。

残留边带调制程序框图如图12所示，相乘后的信号经过滤波器后便得到了残留边带信号，前面板显示调制结果如图13所示。

3、 结语

本文首先简单介绍了调制和解调原理，接着基于LabVIEW软件平台设计了调制和解调系统，并分析AM，SSB，DSB，VSB这四种信号的仿真结果，比较各自在信道传输和功率利用率方面的优缺点。在单边带调制中只采用了一级滤波，有一部分边带未完全滤除，可以通过多级滤波技术进行改善，其余三种信号仿真过程均正常。在使用LabVIEW的过程中发现它可方便、快捷地实现通信系统的仿真设计。基于LabVIEW平台设计的调制解调系统，可以在理工科的教学实验中推广运用，加深对信号和通信等课程的理解和掌握，从而提高学校在理工科的教学水平和质量。