基于LabVIEW的频分复用系统仿真

邵 芬，姜恩华，赵庆平，李 峥

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

将多路独立的信号在同一信道上传输的方法称为“复用”.信道复用通常采用按频率或时间来区分信号.频分复用（Frequency-division multiplexing，FDM）即是按频率区分信号，它是模拟通信的主要手段.传统模拟电话系统即是采用FDM的方法确保在同一信道上传输的各语音信号不致相互影响［1］.

LabVIEW 是由美国国家仪器公司研制的虚拟仪器开发平台软件，它采用图形化编程语言——G 语言，产生的程序是框图的形式，易学易用［2］.用LabVIEW仿真FDM系统，通过改变具体的参数，观察输出信号的波形能否达到设计的要求，更加方便地分析实验结果和实验数据统计，加深对FDM的理解.

1 FDM的原理

通信系统中传输一路信号所需的带宽只占信道资源的一小部分.若只有一路信号在信道上传输比较浪费频带资源，而采用FDM的方法即可充分利用信道的带宽.将信道分成多个互不交叠的频段，每个频段均可作为一个独立的信道传输其中一路信号，在接收端用滤波器将各路信号分别滤出来再解调接收.由上述原理分析知，FDM的理论基础是信号的调制和解调，通常FDM系统采用单边带调制方式.

消息信号并不是严格的限带信号，各路信号在发送端先经过低通滤波限制其最高频率，然后对各路信号进行线性调制，各路调制器的载波频率不同.为了避免频谱重叠，各路已调信号在传入信道前需经过带通滤波器限制信号的频带范围［3］.在FDM系统的接收端，首先用带通滤波器将各路信号分别提取，然后用和调制端同频同相的载波进行解调，再经低通滤波后得到解调信号.

2 系统设计

2.1 系统设计思路

FDM 系统是单边带调制和解调的典型应用.本系统的设计思路是：以三路振幅不等频率相同的正弦信号为例，将正弦信号用不同频率的载波调制到不同的频段，然后在同一信道上传输.在解调端将三路已调信号分别利用带通滤波器滤出然后进行分路，再对三路已调信号分别进行解调，然后通过低通滤波器滤出三路解调信号.

2.2 设计

FDM系统全部的程序设计将在While循环结构中完成.首先利用信号产生模块产生调制信号和载波信号，本系统中调制信号和载波信号均为正弦波.改变信号频率输入框的值可以产生不同频率的正弦波.调制信号要经过低通滤波器以滤除高频分量和噪声，调制信号滤波后与载波相乘.通过上述步骤后，调制信号的频谱被载波信号搬移到不同的频段，完成信号的调制［4］.

已调信号经过边带滤波器滤除信号频谱的上边带，保留下边带，然后各路单边带调制信号经过加法器相加，混合信号被传输到同一信道上同时传输.在信号的接收端，各子信道分别用不同设置的带通滤波器滤出相应频率的信号，它们在各自独立的三个子信道上传输，然后经过和调制端同步的载波解调各信号，最后由低通滤波器滤出各解调信号.已调信号经过载波解调后得到解调信号，经过低通滤波器滤出后和原始信号的波形一起在图形显示控件上显示.在LabVIEW中，信号的频域分析用到FFT变换子模块，其他两路信号的设计流程和上述的方法一致.系统的程序流图如图1所示：

图1 FDM系统程序流图

在本系统的前面板设计中，输入型数字控件供使用者键入采样率、采样点数及信号的频率、幅值和初始相位，以及滤波器的截止频率等.

在FDM系统中低通滤波器的作用是滤除各路信号的高频分量，边带滤波器的作用是进行信号的单边带调制以节省频带，在接收端用带通滤波器区分信号的频谱，调制信号通过各自的相干解调器和低通滤波器便可恢复出来.

在流程图中执行Functions＞＞Signal Processing＞＞Filter＞＞Chebyshev Filter.vi 操作，即可调入切比雪夫滤波器图标［5］.7个输出显示型图形控件是用来显示调制信号及解调信号的波形和频谱.图形显示包括时域显示和频域显示两部分.其中时域显示包括各子信道的已调信号，频域显示包括调制信号频谱、已调信号频谱、多路信号的频谱和解调信号频谱.

本系统的前面板设计如图2所示：

图2 FDM系统的前面板

2.3 运行结果

设置三路调制信号的频率都是50 Hz，幅值分别为3.00 V、2.60 V、1.60 V，初始相位均为0；设置三路载波信号的频率分别为200 Hz、600 Hz、1 000 Hz，幅值均为2 V，初始相位均为0.选择滤波器的类型均为三阶的切比雪夫滤波器，各滤波器参数设置如图2所示.

调制信号频谱图如图3所示.三路信号经过载波分别为200 Hz、600 Hz、1 000 Hz的信号调制后，三路调制信号频谱分别被搬移到不同的频段，频谱图如图4所示：

图3 调制信号的频谱

图4 已调信号的频谱

三路独立的已调信号分别经过各自的边带滤波器滤除了上边带，保留了下边带，经过加法器后，被传输到同一个传输信道上进行传输，此时三路信号完成了信道的复用，每路信号占用同一个传输信道上的不同频段.此时公共信道上的信号频谱图如图5所示：

图5 合路信号的频谱

在接收端，各信号的频谱用相应的带通滤波器来区分，通过相干解调器恢复各调制信号.第一信道的调制信号和解调信号波形图如图6所示：

由图6可知，解调信号的性质和频率没有发生变化，只是解调信号比调制信号有些延迟，即可无失真地恢复出原调制信号.同样，第二信道和第三信道也可无失真地恢复出原调制信号.

图6 调制信号与解调信号波形图

3 结论

用LabVIEW软件实现FDM仿真系统，不会因为滤波器件特性不够理想或信道内存在非线性而产生路间干扰，仿真过程操作简单.信号从调制、复用以及解调各阶段的波形和频谱均可在仿真过程中观察，这样就能更加直观地把信号在不同阶段的频谱特性显示出来，便于分析信号的性质.

［1］樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［2］侯国屏，王坤，叶齐鑫，等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［3］周红鸥.频分复用中的线性调制［J］.西南民族大学学报(自然科学版)，2006，32（5）：1033-1035.

［4］李善翠，刘佳，宋铁成，等.一种适用于教学实验的OFDM系统的设计与实现［J］.电气电子教学学报，2006，28（5）：65-68.

［5］邵芬，李素文，姜恩华，等，LabVIEW在《通信原理》实验教学中的应用［J］.实验科学与技术，2013，11（3）：4-6.