基于Simulink的VHF通信系统射频信号动态分析与仿真

张德 张怀才 杨雨航

摘 要：VHF通信系统在民航空中交通管制业务中具有广泛应用，其射频信号形式为AM信号。本文借助Simulink基础仿真工具，从时域、频域两个角度对VHF信号特性进行动态分析;依据分析结果，对信号进行建模、仿真，简明、直观、动态地展示VHF信号在调制过程中信号传输与变换。对于VHF通信系统射频信号的设计、仿真与调试，具有一定的理论指导意义。

关键词：VHF;Simulink;时域;频域

中图分类号：TN911.72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0019-02

0 引言

VHF通信系统作为民航系统主用通信手段，在空中交通管制业务中具有广泛的应用[1]。VHF通信系统射频信号形式为AM信号，信号特性符合动态系统传输的一般特征，文章以VHF通信系統射频信号为基础，重点讨论AM信号在动态系统中的传输特性。

动态系统是输出信号随时间变化的系统。传统的建模方法是先对系统的输入信号和输出信号进行分析，得到它们的系统方程，然后编写程序进行仿真。这种仿真方法有两个缺点。首先是不够直观，缺乏足够的人机交互。另外，这种方法缺乏系统性，尤其在对复杂系统的处理过程中，难以采用模块化方法，从而降低了仿真程序的可读性[2]。

1 Simulink简介

Simulink是一种用来对动态系统进行建模软件包，它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型。利用Simulink进行系统的建模仿真，最大的优点是简洁、易用，并能依托MATLAB提供的丰富的仿真资源[3]。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率[4]。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，提供了一种更快捷、直接明了的方式。

2 VHF通信系统射频信号特征

VHF射频信号为AM信号，AM是用调制信号控制高频载波振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。

设调制信号m（t）的频谱为M（ω），冲激响应h（t）=δ（t），即滤波器H（ω）=1为全通网络，调制信号m（t）叠加直流信号A0后与载波相乘，就可形成AM信号。

其时域和频域表示式分别为：

式中，A0为外加直流分量。

3 信号建模与分析

3.1 信号建模

以上述AM信号特征分析为基础，依据信号传输流程，从时域、频域两个维度，建立系统模型如图1所示。

在该系统模型主要包含以下模块：

（1）随机整数产生器模块（Random Integer Generator）。参数设置：M-ary number设为7，Initial seed设为1234，Sample time设为1/10，Fram-based outputs不选中。

（2）减法器模块（Subtract、Subtract1）。值设为3。

（3）调幅模块（DSBAM Modulator Pasband）。参数设置为Input signal offset设为4，其他参数采用默认值。

（4）量化器模块（Quantizer、Quantizer l）。Quantization interval设为0.001，Sample time设为0.001。

（5）频谱分析器（msg signal spectrum、Modulated Signal Specturm）。参数设置分别是：在“Scope Properties”选项中，Buffer input选中，Buffer size设为512，Buffer overlap设为256;Specify FFT length选中，FFT length设为512。在“Axis Properties”选项中，Frequency range选为[-Fs/2...Fs/2]。Minimum Y-limit设为-50，Maximum Y-limit设为50。

（6）数学函数模块（Math Function）。参数设置：Function 选为magnitude2。

（7）求均值模块（Mean）。参数设置：选中Running mean，整个仿真时间内得到的功率均值。

（8）除法器模块（Divide）。在参数设置中，把Number of inputs设为/*。

（9）显示模块。包括显示消息信号时域波形（Scope l），已调信号时域波形（Scope）。

3.2 信号分析

依据上述系统模型，设置各模块参数。在仿真参数设置中把Max step size设为0.001，Stop time设为10。所有设置完成后，运行仿真，在仿真过程中可以动态地观察到调制信号和已调信号的波形以及它们的频谱。

调制信号的时域信号如图2所示，调制信号是由随机整数产生器模块（Random Integer Generator）产生的消息信号，消息信号的信号范围是[0，6]内的随机整数;调制信号的频域信号如图3所示，是消息信号经频谱分析器模块生成，由图可知它主要由一个频率分量组成，这与数学分析模型相一致。

已调信号的时域信号如图4所示，已调信号是由消息信号和载波信号相乘得到的;已调信号的频域信号如图5所示，由图可知它主要由两个频率分量组成，两个频谱分量分别为ω-ωc与（ω-ωc），较直观的反应了调制信号的频谱分布。

4 结语

文章以VHF通信系统为切入点，重点分析了VHF射频信号特征与动态传输特性，建立了AM信号数学模型进行定量分析;借助动态系统仿真工具Simulink，搭建了VHF调制系统模型，进行动态仿真，并从时域、频域两个角度对调制信号和已调信号进行分析;系统动态、直观、定量的描述了VHF通信系统AM信号传输过程，对AM信号的解调分析具备一定的基础理论指导意义。

参考文献

[1] MH/T 4001.1-2016甚高频地空通信地面系统第一部分[S].

[2] 陈莉.SIMULINK下基带传输系统的设计[J].电子设计工程，2010（12）：14.

[3] 席在芳，邬书跃，唐志军，曾照福.基于SIMULINK的现代通信系统仿真[J].系统仿真学报，2006（10）：2966.

[4] 朱静，杨晓静.不同信道下的超宽带无线通信系统Simulink仿真研究[J].系统仿真学报，2008（10）：2709.