中波调幅发射机工作原理ＭＡＴＬＡＢ仿真 林斌 （国家新闻出版广电总局五五二台，３５０００７） 摘要：ＭＡＴＬＡＢ是一个很好的科研教学和工程应用仿真软件，它将可视化的方框图模型与编程形式的仿真模型综合起来加以 利用。本文利用ＭＡＴＬＡＢ实现对中波调幅发射机工作原理进行仿真。从系统建模原理和仿真的数值计算方法入手，对发射机理 论研究、性能分析验证等方面为值机员提供深刻的从量到质的认识机会。 关键词：ＭＡＴＬＡＢ；ＳＩＭＵＬ［ＮＫ；调幅仿真；正弦波信源模块；中波调幅发射机建模和仿真 Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｗａｖｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｌｉｎ Ｂｉｎ （Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｐｒｅｓｓ ａｎｄ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ５５２，３５０００７） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭＡＴＬＡＢ ｉＳ ａ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ ｗｉ１１ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＣＯｍｂｉｎｅｄ ｆｏｒｍ ｏｆ ｖｉｓｕｍ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏ ｕｓｅ．Ｉｎ ｔｈｉＳ ｐａｐｅｒ，ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎａｌｙｓｉＳ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｄｅｅｐ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ｆｒｏｍ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｔｏ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＡＴＬＡＢ：ＳＩＭＵＬＩＮＫ：ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｏｕｒｃｅ ｍｏｄｕｌｅ：Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｕ 刖昌 在一类物理系统中，所需要研究的系统响应只与系统当前时 ＭＡＴＬＡＢ具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简 单、编程效率高、易学易用，被通俗地称为演算纸式科学算法语 言。本文以中波发射机工作原理为背景，分节介绍中波发射机系 统的建模、音频信号调制和解调分析。让值班员通过ＭＡＴＬＡＢ这把 钥匙开启发射机从粗浅认识到深入了解的钥匙。 刻的输入有关，而与系统的状态以及过去或者未来的输入信号无 关，这样的系统就称为静态系统，也称无记忆系统。在通信系统中 常见的调幅解调器也是无记忆系统，载波频率为ｆ 的双边带调 幅的调制输出信号ｖ（ｔ）与输入被调制信号ｍ（ｔ）之间的关系描 述为ｖ（ｔ）＝ｒｅ（ｔ）ＣＯＳ ２ ｎ ｆｃｔ。 １．２幅度调制建模分析 １幅度调制ＭＡＴＬＡＢ仿真 １．１无记忆系统 幅度调制其实就是一个静态系统的仿真过程。静态系统的仿 真过程就是相应代数方程的数值计算或求解过程。下面我们试仿 在ＭＡＴＬＡＢ中将可视化的方框图模型与编程形式的仿真模型 真得出一个幅度调制系统的输入输出波形。设输入被调制信号是 个幅度为２ｖ，频率为１ＫＨＺ的余弦波，调幅度为０．６，调制载波 综合起来，灵活应用，可以使两者相得益彰。 一在现代通信系统中，通常以随时间变化的物理量电压或者电 信号是一个幅度为５ｖ，频率为ＩＯＫＨＺ的余弦波，所有余弦波的初 流（统称电平）来表示信号，称为电信号。动态电系统的状态是指 相位为０。系统中的储能情况，也以电容、电感等储能元件上的电压或者电 流来表示。系统中的状态数称为系统的阶数，数量上等于描 述该系统的微分或差分方程的阶数。系统状态、输入和输出信号 在数学上都是时间的函数，工程上也把电信号称为电波形。 １．３数学模型 根据条件，该调幅系统的输入输出关系表达式为 （ｔ）＝（Ｍ＋ｎｌａＭ ＣＯＳ ２ ｎ‘ｎｔ）×ＡＣＯＳ ｎ ｆｃｔ．．．．…．．．（４—１） 其中，Ｍ＝２是被调幅信号的振幅，ｆｍ：ｌＯ００是其频率，Ａ＝５ ２ｏ１５．７ ｓｙｓ＝ｍｄｌ０ｕｔｐｕｔｓ（ｔ，ａｍｐ，ｆｒｅｑ，ｐｈａ）： ｃａｓｅ｛１，２，４，９）， ％其他不处理的ｆｌａｇ ｓｙｓ＝口： ％无用的ｆｌａｇ时返回ｓｙｓ为空矩阵 ｏｔｈｅｒｗｉ ｓｅ ％异常处理 ｅｒｒｏｒ（［’Ｕｎｈａｎｄｌｅｄ ｆｌａｇ＝’，ｎｕｍ２ｓｔｒ（ｆｌａｇ）］）： ｅｎｄ ％子函数ｍｄｌＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＳｉｚｅｓ实现（１）初始化函数 ｆｕｎｃｔｉｏｎ［ｓｙｓ，ｘＯ，ｓｔｒ，ｔｓ］＝ｍｄｌＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＳｉｚｅｓ ｓｉｚｅｓ＝ｓｉｍｓｉｚｅｓ： ％获取 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真变量结构 Ｓｉｚｅｓ．ＮｕｍＣｏｎｔＳｔａｔｅｓ＝０： ％连续系统的 状态数为０ Ｓｉｚｅｓ．ＮｕｍＤｉｓｃＳｔａｔｅｓ＝０： ％设置离散状 态变量的个数为０ ｓｉｚｅｓ．ＮｕｍＯｕｔｐｕｔｓ ＝１： ％设置系统输 出变量的个数为１ Ｓｉｚｅｓ．ＮｕｍＩｎｐｕｔｓ ＝０： ％设置系统输 入变量的个数为０ Ｓｉｚｅｓ．ＤｉｒＦｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ＝０： ％谚￡ 置系统不是直通 ｓｉｚｅｓ．ＮｕｍＳａｍｐｌｅＴｉｍｅｓ＝１： ％这 里必须为１ ｓｙｓ＝ｓｉｍｓｉｚｅｓ（ｓｉｚｅｓ）： ％设 置系统参数 ｓｔｒ＝口：％通常为空矩阵 ｘＯ＝［］：％初始状态矩阵ｘ０（零状态情况） ｔｓ＝［０ ０］： ％表 示连续取样时间仿真 ％初始化函数结束 ％子函数实现（２）系统输出方程函数 ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｙｓ＝ｍｄｌＯｕｔｐｕｔｓ（ｔ，ａｍｐ，ｆｒｅｑ，ｐｈａｓｅ） ｓｙｓ＝ａｍｐ＊ｓｉｎ（２却ｉ￥ｆｒｅｑ ｔ＋ｐｈａ）：％这里写入系 统的输出方程矩阵形式即可 ％修改这个函数可以得到任意的波形输出 ％系统输出方程函数结束 在该ｓ函数接口中使用了３个输入参数分别作为正弦波的 幅度、频率和初相位的输入，最后，设置好示波器显示范围和仿真 参数就可以启动仿真实验。 ３信号切换开关 信号切换开关有３个输入端，其中两个是传输信号输入端， 一个是切换控制信号端。切换开关通过控制信号电平与设计门限 值相比较来判断选择其中一个输入信号作为输出。显然，信号切 换开关是一个无记忆系统。 ４中波发射机系统的建模与仿真分析 中波发射机采用的调制方式主要是模拟幅度调制。即用正弦 波作为载波信号的调制方式。 电磁波的频率ｆ（单位为Ｈｚ）、波长 （单位为ｍ）和传播速 ｒ 度ｃ（单位为ｍ／ｓ）之间关系是 ………．（６．１） ／ 自由空间中电磁波的传输速率为Ｃ＝３Ｘ１０ ／如显然，电磁 波的频率和波长呈反比关系。根据电磁学理论：要使波动的电信 号要能够有效地从天线辐射出去，需要天线等效长度至少达到 ÷、。实际中不可能制造出这样高度的天线进行有效信号发送。因 此需要将待传送的信号寄载到高频电波上（该手段称为调制）， 以便通过较短的天线发射出去。中波波段范围从５３５．５ｋＨＺ到 １６０５．５ｋＨＺ，声音信号转换成电信号加载在中波高频载波上面，其 所需要的天线的长度大大减小，只要几十米到几百米。 人耳对语音的频率敏感区域为３０ ３０ｋＨｚ，中波波段是各国 使用的主要波段，按９ｋＨｚ的间隔分配频率，只有１２０个频率可供 使用。，调幅广播除了传输话音以外，还要播送音乐节目，这就需 要更宽的频带。频率十分拥挤，存在着互相干扰的问题。由于广播 节目的动态范围过宽故在调幅广播传输系统里都使用音频处理 器对音频信号进行压缩加工处理。 现在就试对我台中波调幅广播发送系统进行仿真，模型参数 指标按照实际系统设置。 （１）广播节目信号：即待传送信号，最大幅度为１。基带测试 信号频率在１００ ６０００Ｈｚ内可调。 （２）载波：载波频率为１０８９ＫＨｚ和７６５ＫＨｚ。其中波形为正弦 波，设定初相位为零。 （３）带通滤波器：即接收机的选频滤波器 Ｂ＝Ｉ２ＫＨｚ，ｆＯ＝ＩＯ００ＫＨｚ。 （４）在信道中加入噪音。假设当调幅度为０．７时，接收机的选 频滤波器的输出信噪比为２０ｄＢ，测量带通滤波器实际输出信噪 比。 仿真参数设计如下： 系统工作量最高频率为调幅载波频率１０８９ＫＨｚ，设 计仿真采样频率为最高频率的１０倍，因此取仿真步长为 ｌ ｍ … １ １０ ………．（６．２） Ｉ ｌ 相应的仿真带宽为仿真采样率的一半，即” ：× 一５４４６６Ｋｔｔｚ 一 ’， ’ …．．．…．（６．３） ２０１５．７ 设基带（晋频）信号为止弦信号 ”《，） 一４ｃｏｓ２ ，载波 Ｓ ｉｇｍａ２＝Ｐ／ｓＮＲ ｗ／Ｂ ％计算结果，信道噪声方差 其中，系统仿真步进以及零阶保持器采样时间间隔、噪声源 采样时间均设置为９．１８×１０～Ｓ，基带信号为幅度是０．３的１０００Ｈｚ 为ｃｑ）＝ｃｏｓ２ ，，则调幅度为 的调制输出信号Ｓ（ｔ）为 ’（，） （ Ｊｌｌ ｃｏｓ２ ，）．．．．．．．．．．（６．４） ｓ（ｔ）的平均功率为， 】 …．．…．．（６．５） 正弦波，载波为幅度为１的１ＭＨｚ正弦波。用加法器和乘法器实 现调幅，用Ｒａｎｄｏｍ Ｎｕｍｂｅｒ模型产生零均值方差等于３．４９４５的 设信道无衰减，其中加入的白噪声功率谱密度为 ，那 噪声样值序列，并用加法器实现ＡＷＧＮ信道。接收带通滤波器用 Ａｎａｌｏｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ模块实现，可设置为２阶带通的，带通为 么仿真带宽（一ｗ，ｗ）内噪声样值的方差为 ： ………．２Ｗ： （６．６） ２×ｐｉｘ（１ｅ６—６ｅ３）～２ ｐｉ×（１ｅ６＋６ｅ３）ｒａｄ／ｓｅｃ。为了钡０量输出性 噪比，以参数完全相同的另外两个滤波器模块分别对纯信号和纯 噪声滤波，最后利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，进 而计算输出信噪比。 设接收选频滤波器的功率增益为１，带宽为Ｂ，则选频滤波器 输出噪声功率为Ｎ：＿＝＿Ｎｏ ２Ｂ：ＮＢ．．．…．．．．（６．７） ｏ发射机的输出 １￣＠Ｌｋ￣ｏｓＮＲｍ ’≤ 相关￣ＴＬＡＢ程序： Ｃｌｅａｒ ａｌ１： ．．．．．（６．８） ５结束语 以上是我在检修和维护中一些经验总结起来和大家分享。不 当之处，望同行批评指正。 ＳＮＲ ｄＢ＝２０： ％设计要求的输出信噪比（ｄＢ） ＳＮＲ＝１０． （ＳＮＲ ｄＢ／１０）： 参考文献 ［１］《广播发送技术》王春生．合肥工业大学出版社 ［２］《ＭＡＴＬ＾ＪＢ通信工程仿真》张德丰．机械工业出版社 ［３］《广播电视发送与传输维护手册》 ｍａ＝Ｏ．５： ％调制度 Ｐ＝Ｏ．５＋（ｍａ ２）／４： Ｗ＝８０２５．７ｅ３： ％信号功率 ％仿真带宽Ｈｚ Ｂ＝１２ｅ３： ％接收选频滤波器带宽Ｈｚ （上接７２页） 医技科室的检查结果出现危急值或阳性值时，系统给对应医生工 法。平台实现消息单一发送、群发、定时发送等技术，可先预置角 作站发送消息并提示警告，医生能迅速对患者采取抢救措施。医 色，根据科室、角色群发按指定路线发送至对应计算机终端或全 生第一时间收到消息后需立刻回复，如１分钟内未收到医生的确 院所有终端。系统可满足医护协同、患者危机值处理、院内报警、 认回复信息，系统将自动给患者经管医生发送手机短信并提醒医 入院协同、会诊协同、行政协同、手术协同等最广泛的综合医疗协 技人员电话通知医生。 同的应用。系统对硬件要求低，部署方便，即可单独应用、也可根 院内报警：在医院所有计算机终端上安装报警客户端，出现 据接口集成应用。 火灾、医患冲突等紧急情况可以第一时间触发保卫科的警报，并 提示报警区域，保证保卫人员最短时间内到达现场。 数据准确、高效地传输是局域网络软件中的核心部分。这方 面处理得好，将大大提高软件的质量，也是此类软件的关键任务 患者入院协同：导医入院处接收到新病人，可发送消息到被 所在。该中间件已开发完成并在我院多个系统上得到了应用，达 服中心，告知科室、床位等信息，被服中心便能提前准备好患者衣 到了非常好的效果。 服及床铺用品，节省了病人入院等待时间。 行政办公协同（紧急通知）：平台将实现消息单一发送、群发、 定时发送等功能，可先预置角色，根据科室、角色群发按指定路线 参考文献 ［１］陈帅刘玉秀杨国斌．基于协同管理的医院办公自动化系 统研究［Ｊ］．中国数字医学．２０１３ ８（３）． ［２］熊芳黄玉成冯嵩胡建中．基于消息机制的医疗信息平台 发送至对应计算机终端或全院所有终端。 ４结束语 系统采用双队列消息机制将医院所有通讯消息集中转发，并 采用智能重发机制，处理灵活，扩展方便。通过划分通讯消息的 ［Ｊ］．中国数字医学．２０１２ ０７（７）． ［３］邬月．陈建兵．Ｓｏｃｋｅｔ的网络编程研究与实现［Ｊ］．电脑编 程技巧与维护．２００８（１）． 优先级，区分急缓，使得紧急的消息能够更快、更准确的通知到相 关科室及人员。根据消息机密程度划分密级，采用不同的加密算 ［４］周炎涛，李立明．ＴＣＰ／ＩＰ协议下网络编程技术的实现［Ｊ］． 航空计算技术，２００２（３）
