双声道调频立体声广播系统仿真设计与分析

王晓玲

(苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006)



双声道调频立体声广播系统仿真设计与分析

王晓玲

(苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006)

双声道调频立体声广播系统是模拟调制技术的典型应用，核心技术包括调频FM、抑制载波，双边带调制DSB-SC、频分复用FDM和锁相环PLL等技术。根据系统原理，基于Matlab/Simulink仿真平台，实现了双声道调频立体声广播系统的设计，对系统测试验证观察发现系统能够正常工作，通过仿真结果分析表明，频分复用技术可以提高信道利用率;锁相环技术可以提取副载波用于DSB-SC信号解调。本文对相关研究和性能改善有一定借鉴意义，同时也为实验教学提供了新思路。

立体声广播; 频分复用; 锁相环

0 引 言

模拟广播系统是以电磁波作为载体，按不同的方式把信息装载后发射出去，再在接收端以对应的方式把信息取出来，包含调制和解调2个过程[1]。目前，模拟广播系统主要采用调幅(AM)和调频(FM)2种调制方式[2]。自上世纪90年代我国广播业“四级办广播”指导方针的贯彻落实，以抗干扰能力强、动态范围广、频谱利用率高等优点的调频广播[3]得到长足的发展。

调频广播系统是模拟通信技术的典型应用，对其仿真设计可以有助于对理论知识的理解，通过Matlab/Simulink仿真[4]有利于验证系统设计的可行性，也便于进一步改善系统性能。本文主要通过Matlab/Simulink仿真平台实现双声道调频立体声广播系统的设计。

1 系统原理及关键技术

双声道调频立体声广播系统，声音在空间上被分成两路音频信号，左声道信号和右声道信号，最高频率不大于。左声道和右声道相加形成和信号(L+R)，相减形成差信号(L-R)。差信号(L-R)对38 kHz的副载波进行抑制载波双边带调制(Double Side Band with Suppressed Carrier,DSB-SC)，然后与和信号形成一个频分复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)信号作为调频立体声广播系统的基带调制信号，双声道立体声广播信号形成示意如图1所示[5-7]。

图1 双声道立体声广播信号形成示意图

分析基带调制信号的频谱可知，0～15 kHz用于传输和信号(L+R)，23～53 kHz用于传输差信号(L-R)的DSB-SC已调信号，59～75 kHz作为辅助信道，另外，在19 kHz处发送一个单频信号用作立体声指示，并作为接收端提取同频同相相干载波使用。

接收立体声广播先进行鉴频得到频分复用信号，对频分复用信号通过滤波器进行相应的分离以恢复出和信号(L+R)、差信号(L-R)的DSB-SC已调信号和19 kHz的导频；然后将19 kHz的导频经二次倍频得到的相干载波对差信号(L-R)的DSB-SC已调信号进行相干解调；最后经过和差运算恢复出左声道信号L和右声道信号R，其原理如图2所示[8-11]。

图2 双声道立体声广播信号解调示意图

双声道调频立体声广播系统涉及FM、FDM[12]和锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)倍频器等关键技术。

FM就是将需要传输的音频信息作为调制信号去控制高频载波的瞬时频率，使其随调制信号变化。与AM比较，调频系统的已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，因此又称为非线性调制或者角度调制。FM技术的最突出的特点是以带宽为代价换得较高的抗噪声性能。因此，与AM广播系统比较，调频FM广播系统的信号更加清晰。

FDM是指载波的带宽被分为多个不重叠的子信道，各个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。在通信系统中，通常一路信号所需要的带宽较小，一个信道只传送一路信号是很浪费的，为了充分利用信道的频带，提高信道的利用率，可以采用FDM技术。

PLL是能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统，主要由相位比较器、压控振荡器、低通滤波器3部分组成，结构如图3所示。倍频器是使输出信号频率fo与输入信号频率fi具有倍数关系，即fo=nfi。在调频立体声广播系统，锁相环倍频器可以在接收端将导频信号恢复出与38 kHz的副载波严格同频同相的相干载波用于解调差信号(L-R)。

图3 锁相环PLL结构图

2 系统仿真模型

根据双声道调频立体声广播信号形成及解调原理，基于Matlab/Simulink平台设计的双声道调频立体声广播系统仿真模型如图4所示，左侧部分为发射端模型，右侧部分为接收端模型，中间部分模仿高斯信道。

图4 双声道调频立体声广播系统仿真模型

2.1 系统发射端仿真模型

如图4发射端所示，用信号发生器模块(Signal Generator)和压控振荡器模块(Voltage-Controlled Oscillator)产生的频率在0.5～15 kHz扫频信号作为音源，设置信号发生器产生振幅为1、频率为的正弦波，压控振荡器输出振幅为2，静态频率为7 750 Hz，输入灵敏度为7 250 Hz。音源信号通过通带为1～15 kHz的带通滤波器和截止频率为5 kHz的低通滤波器分别得到左声道和右声道信号；然后,左右两路信号经过相互加减、副载波DSB-SC调制和19 kHz导频叠加之后得出立体声基带调制信号，最后通过零阶保持器模块Zero-Order Hold和频谱示波器模块Spectrum Scope将其频谱显示出来，零阶保持器采样时间设置0.000 008，频谱示波器缓存长度1 024，缓存交叠512，FFT长度512，谱平均点数2。

2.2 系统接收端仿真模型

如图4接收端所示，接收端得到的频分复用信号分别经带通滤波器模块Bandpass Filter1、Bandpass Filter2和Lowpass Filter1分离出差信号(L-R)的DSB-SC已调信号、导频及和信号(L+R)，因此设置参数分别为带通23～53 kHz、带通18.8～19.2 kHz和低通0～15 kHz。

为了无失真地恢复出差信号(L-R)，要对其DSB-SC已调信号进行相干解调，接收端须提供一个与接收的已调载波严格同步(同频同相)的本地载波，此时需设计PLL倍频器。按照图3所示的PLL结构，本设计采用带通滤波器模块Bandpass Filter1、计数器模块Counter和压控振荡器模块Voltage-Controlled Oscillator2组成锁相环，如图4接收端中方框所围部分所示，此处，带通滤波器使得19 kHz的信号通过，压控振荡器输出振幅为2，静态频率为38 kHz，输入灵敏度为500 Hz，计数器最大计数值和原始值分别设成1和0，以便对压控振荡器输出的38 kHz波形进行2分频得到19 kHz波形，与提取的导频进行相位比较，最终得到满足同步要求的38 kHz相干载波。为进行比较，模型中设置了一个手动切换开关Switch来控制锁相环是否工作。

将相干载波与接收的DSB-SC已调信号相乘经低通滤波器Lowpass Filter2取出0～15 kHz的差信号(L-R)，最后差信号(L-R)与和信号(L+R)经加法器和减法器恢复出左声道信号L和右声道信号R，并分别用示波器模块Left Receive Scope和Right Receive Scope显示两路恢复信号的时域波形。

3 波形观测与结果分析

为了模仿建立信道模型，采用高斯白噪声模块，通过改变其方差值，评估系统的性能。设置系统仿真时间间隔即步长为1/106，仿真时间为10 s。

3.1 波形观测

高斯白噪声方差设置为0.1，手动开关连接导频，即锁相环工作系统处于同步方式，运行系统模型，得到如图5所示左声道和右声道发送端和接收端时域波形图，对比发现接收的信号基本上与发送的信号波形一致，说明双声道调频立体声广播系统能够正常工作。并且噪声方差在0～1范围内变动，对结果影响较小，说明该系统具有较强抗干扰能力。

(a) 左声道信号L发送波形

(b) 左声道信号L接收波形

(c) 右声道信号R发送波形

(d) 右声道信号R接收波形

3.2 结果分析

高斯白噪声方差仍旧设置0.1，将手动开关连接地，即锁相环失锁系统处于非同步方式，运行系统模型，得到如图6所示波形。与图5对比发现，锁相环失锁时相干载波不同步，差信号(L-R)无法正确解调，以至于接收的信号与发送的信号比较产生错误，说明锁相环技术在双声道调频立体声广播系统中的重要作用。

(a) 左声道信号L接收波形

(b) 右声道信号R接收波形

本系统为了高效使用带宽，采用频分复用FDM技术，系统发送端得到基带调制信号经频谱示波器输出如图7所示，观察发现频谱由3部分组成;①0～15kHz为和信号(L+R)的频谱;②19 kHz为导频;③23～53 kHz为差信号(L-R)的DSB-SC已调信号频谱。实验结果和理论分析一致。

图7 系统基带调制信号频谱仿真结果

4 结 语

本文主要完成了基于Matlab/Simulink仿真平台的双声道调频立体声广播系统仿真设计。首先对系统原理和关键技术进行研究，然后选取模块并设置参数完成系统仿真设计，最后经过调试系统能够正常运行。实验结果表明频分复用FDM技术可以提高信道利用率，锁相环PLL技术能够正确恢复出原始信号。

[1] Pizzi S, Jones G．A broadcast engineering tutorial for non-engineers[M]. CRC Press, 2014.

[2] 刘爱清，王 锋．广播电视概论[M].北京：中国广播电视出版社,1997．

[3] 高文襄．调频广播技术[M]．北京：广播电影电视部科技情报研究所，1991．

[4] 张德丰,杨文茵．MATLAB仿真技术与应用[M]．北京:清华大学出版社,2012．

[5] 岑伟德．调频立体声广播发射机[M]．北京:国防工业出版社,1990．

[6] 樊昌信，曹丽娜．通信原理[M]．6版．北京：国防工业出版社，2008．

[7] 彭 宏，李瑞麟．正交频分复用(OFDM)技术及其应用[J]．浙江工业大学学报，2003，31(3)：247-251．

[8] 徐以涛,李 浩,王金龙, 等．软件无线电中调频波形的正交解调[J]．解放军理工大学学报(自然科学版)，2006，7(4)：312-315．

[9] Ehrman L. A multimode modemfor digital FM radio[J]．IEEE Transactions on Communications,1979,27(12)：1786-1793．

[10] Mitola J．The software radio architecture [J].Communications Magazine, IEEE, 1995,33(5)：26-38.

[11] 徐以涛,王金龙.军用多波段数字接收机研究[J].军事运筹与系统工程,2002,61(3)：41-45．

[12] Wu Y, Zou Y. Orthogonal frequency division multiplexing: a multi-carrier modulation scheme[J].Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 1995, 41(3)：392-399.

Simulation and Analysis for Dual-channel FM Stereo Broadcast System

WANGXiao-ling

(School of Electronic and Information Engineering, Soochow University, 2015006， China)

Dual-channel frequency modulation stereo broadcast system is a typical application of analog modulation technique, FM, double side band with suppressed carrier (DSB-SC)，frequency division multiplexing (FDM) and phase-locked loop (PLL) are core techniques. Based on MATLAB/Simulink platform, the auther successful designed a dual-channel frequency modulation (FM) stereo broadcast system. After debugging and testing, the system can work well, system analysis indicates that FDM technique can improve channel utilization, and PLL technique can obtain sub-carrier to demodulate DSB-SC signal.It is worth to reference for related research and performance improvement, and also provide a new exploration to experiment teaching.

stereo broadcast; frequency division multiplexing; phase-locked loop

《计算机与信息技术国家级实验教学示范中心》开放性实验教学项目(5731518314)

王晓玲(1981-)，女，满族，河北唐山人，博士在读，讲师，研究方向：计算机通信技术、光网络通信。

Tel.:15851680076;E-mail:wangxl2012@suda.edu.cn

TN 935.2

A

1006-7167(2015)11-0129-04

收日期：2015-08-24