聶偉+楊正

摘 要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于LabVIEW的模擬通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過模塊化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號、調(diào)制方式、信道噪聲、解調(diào)方式以及相關(guān)參數(shù)的任意組合，直觀地展示了不同模塊對通信系統(tǒng)的影響。該系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足，幫助學(xué)生更好的理解、加深和提高了對相關(guān)知識概念的學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 調(diào)制解調(diào)； 濾波器； LabVIEW

中圖分類號： TN710?34； TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0159?04

Design and implementation of virtual analog communication experiment system

NIE Wei， YANG Zheng

（Center of Computer System and Communication Laboratory， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Abstract： The design and implement of analogue communication experiment system based on LabVIEW are introduced in this paper. The arbitrary combination of signal， modulation mode， channel noise， demodulation mode and relevant parameters was realized by the modular design. The effect of different modules on communication system was demonstrated intuitively. The system remedied the insufficiency of traditional experiment teaching system， and can assist students to understand the knowledge concept better.

Keywords： experiment teaching； modulation & demodulation； filter； LabVIEW

0 引 言

模擬通信是通信電子線路和通信原理課程的重要內(nèi)容，也是繼續(xù)學(xué)習(xí)其他通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其特點(diǎn)是原理多，概念多，系統(tǒng)性強(qiáng)，理解起來很抽象[1]。開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是加深學(xué)生對理論知識的理解，貫通各知識點(diǎn)的有效途徑。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，因?yàn)榇嬖谥珉娮釉骷匣@示設(shè)備精度受限等問題，導(dǎo)致硬件實(shí)驗(yàn)箱中產(chǎn)生的結(jié)果和理論教學(xué)中展示的結(jié)果有差距，使得學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)和概念的理解不夠直觀、記憶不牢靠。虛擬的軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以很好的彌補(bǔ)這個差距，起到了連接二者的橋梁作用，幫助學(xué)生更好的理解、加深和提高了對相關(guān)知識概念的學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)箱中的硬件電路固定，無法通過更換不同模塊滿足更多的實(shí)驗(yàn)要求，資源利用效率較低?？梢酝ㄟ^軟件編程的方法，使得不同功能模塊相互組合，實(shí)現(xiàn)更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，補(bǔ)充和支持了硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

LabVIEW是目前最具有影響力的虛擬儀器開發(fā)平臺之一，其中的G語言是一種容易辨識和理解的圖形化編程語言，適用于概念多，理解困難的課程教學(xué)[2?3]。基于虛擬儀器“軟件就是儀器”的理念，發(fā)揮LabVIEW在構(gòu)建儀器上的靈活性和創(chuàng)造性的特點(diǎn)[3]，使用軟件程序替代傳統(tǒng)硬件電路，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了本文介紹的虛擬的模擬通信，系統(tǒng)擺脫了時間和空間對實(shí)驗(yàn)的束縛，去除了實(shí)驗(yàn)中不可控的因素，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要更換功能模塊。文獻(xiàn)[4?7]介紹了利用LabVIEW對模擬通信系統(tǒng)中相關(guān)知識點(diǎn)的仿真設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8?9]對將LabVIEW應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了研究，每一個子VI都是一個小的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文介紹的模擬通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在上述文獻(xiàn)取得的成果的基礎(chǔ)上，將不同的功能模塊整合進(jìn)一個程序中，形成了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺；在設(shè)計(jì)上采用了模塊化設(shè)計(jì)，使得調(diào)制與解調(diào)模塊可以相互組合，形成不同的通信系統(tǒng)；操作界面友好，可調(diào)參數(shù)多，數(shù)值范圍大，波形顯示界面直觀清晰?？蓪⒈緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝在任意一臺計(jì)算機(jī)上，隨時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本系統(tǒng)中的調(diào)制模塊可選AM，DSB，SSB，F(xiàn)M。解調(diào)模塊包括同步解調(diào)和非同步解調(diào)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能模塊的設(shè)計(jì)

模擬通信系統(tǒng)由信號源（調(diào)制信號，載波信號），調(diào)制，信道噪聲，解調(diào)等部分組成，如圖1所示。

圖1 模擬通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)圖1設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序框圖如圖2所示。從左至右依次為信號發(fā)生、調(diào)制、解調(diào)、和波形顯示模塊。使用While程序結(jié)構(gòu)來保證整個系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。在調(diào)制和解調(diào)模塊中，均采用Case結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不同功能的切換。利用Build Waveform函數(shù)解決了不同調(diào)制方式，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方式不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)類型不一致的問題，使得調(diào)制模塊與解調(diào)模塊進(jìn)行任意的組合。在波形顯示模塊中，同樣通過Build Waveform函數(shù)實(shí)現(xiàn)Waveform Graph接收的數(shù)據(jù)類型保持一致。為了更好地展示不同的噪聲對信號的影響，對圖1的結(jié)構(gòu)做出適當(dāng)修改，在程序框圖中，將信道噪聲直接加在了形式相對簡單的調(diào)制信號上。

圖2 功能實(shí)現(xiàn)程序框圖

系統(tǒng)中，AM，DSB，F(xiàn)M，PM均根據(jù)數(shù)學(xué)原理實(shí)現(xiàn)。SSB選取的是下邊帶調(diào)制，信號產(chǎn)生方法采用的是選擇性濾波器法，如圖3所示。濾波器可選切比雪夫、巴特沃茲或橢圓濾波器[10]。

圖3 SSB原理圖

通信系統(tǒng)中，解調(diào)方式包括同步解調(diào)和非同步解調(diào)。同步解調(diào)原理如圖4所示。

圖4 同步解調(diào)框圖

在實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)的程序中，利用局部變量將載波的相關(guān)信息傳遞至解調(diào)模塊，替代了利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)載波同步的功能。

非同步解調(diào)采用的是峰值包絡(luò)解調(diào)法，包絡(luò)提取方法為希爾伯特變換[11]。

一個實(shí)信號[x（t）]的希爾伯特變換定義為：

[x（t）=1π-∞∞x（τ）t-πdτ] （1）

于是得到[x（t）]解析信號：

[x+（t）=x（t）+jx（t）] （2）

[x+（t）]的幅值：

[a（t）=x（t）2+x（t）2] （3）

便是原始實(shí)信號的包絡(luò)。

FM信號的包絡(luò)是恒定的，等于載波幅度。為了使用包絡(luò)檢波法解調(diào)出FM信號，可先將FM信號經(jīng)過微分變成調(diào)幅?調(diào)頻波，其幅度與FM信號的瞬時頻率成正比。再用包絡(luò)檢波的方法就可解調(diào)出調(diào)制信號，如圖5所示。

[fm=]1 kHz，[fc=]5 kHz，[Δf=2 ]kHz

圖5 FM調(diào)制解調(diào)波形圖調(diào)制信號為三角波

1.2 用戶操作界面的設(shè)計(jì)

一個簡潔友好的用戶交互界面可以提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效率。通過參數(shù)控制與顯示模塊，程序如圖6所示，使得在一個用戶界面上就可以完成不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將模塊化設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢很好地展現(xiàn)出來。依據(jù)調(diào)制和解調(diào)組合方式不同，進(jìn)行邏輯判斷，顯示與目前調(diào)制解調(diào)方式相關(guān)的參數(shù)選項(xiàng)控件，隱藏?zé)o關(guān)的前面板控件。

圖6 參數(shù)控制與顯示程序圖

用戶可以在前面板的左側(cè)頂部的調(diào)制方式下拉菜單選項(xiàng)中選擇一種調(diào)制方式，包括幅度調(diào)制AM、雙邊帶調(diào)制DSB、單邊帶調(diào)制SSB、頻率調(diào)制FM。當(dāng)用戶選擇AM時，調(diào)制方式下拉菜單旁邊會出現(xiàn)調(diào)幅靈敏度，調(diào)制百分比，以及過調(diào)制指示器控件。當(dāng)選擇FM時，其他調(diào)制方式的對應(yīng)的參數(shù)選擇則會隱藏，只出現(xiàn)頻率靈敏度，頻偏控件。

解調(diào)方式選項(xiàng)卡中，可以選擇與調(diào)制方式相對應(yīng)的解調(diào)方式。當(dāng)調(diào)制方式選擇AM時，可以選擇同步解調(diào)或者非同步解調(diào)。選擇非同步解調(diào)時，則會出現(xiàn)相位差設(shè)置框。當(dāng)調(diào)制方式為DSB和SSB時，因?yàn)檎{(diào)制信號并不直接表現(xiàn)為調(diào)幅信號的包絡(luò)，故只能采用同步解調(diào)方法才能獲得無失真的解調(diào)，此時非同步解調(diào)方式被禁用。調(diào)制方式為FM時，同步解調(diào)選項(xiàng)被禁用，只能選擇非同步解調(diào)。

調(diào)制信號和載波信號包括正弦波，方波，三角波，鋸齒波，頻率可在0～100 kHz間調(diào)整。用戶可以選擇是否給通信系統(tǒng)添加信道噪聲，包括正太分布的白噪聲，高斯分布白噪聲，泊松分布噪聲，伯努利噪聲，周期隨機(jī)噪聲，每個噪聲選項(xiàng)都有相對應(yīng)的參數(shù)可供調(diào)整。一般的信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)時是無法產(chǎn)生疊加了上述噪聲的信號。

在前面板的波形顯示窗口區(qū)域，從上至下分別對應(yīng)調(diào)制信號，已調(diào)信號，解調(diào)信號的時域和頻域波形圖。

在完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的程序和前面板設(shè)計(jì)后，通過LabVIEW的項(xiàng)目管理器將代碼打包成安裝程序，之后就可以安裝到任何一臺計(jì)算機(jī)上操作該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)了，很好地?cái)[脫了硬件實(shí)驗(yàn)室在時間和空間上的限制，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝程序

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 AM調(diào)制解調(diào)

假設(shè)調(diào)制信號[m（t），]調(diào)制頻率[fm，]已調(diào)信號[s（t），]解調(diào)信號[v0（t），]載波幅度[A0，]載波頻率[fc。]

在AM系統(tǒng)中：

[s（t）=Ac[1+kam（t）]cos（2πfct）] （4）

[s（t）]的傅里葉變換為：

[S（f）=Ac2δ（f-fc）+δ（f+fc）+kaAc2M（f-fc）+M（f+fc）] （5）

式中：[ka]稱為調(diào)幅靈敏度。[kam（t）]取絕對值后，將其最大值乘以100，乘積稱為調(diào)制百分比，記為[m。]

當(dāng)[m≤1]時，已調(diào)信號[s（t）]的幅度隨調(diào)制信號[m（t）]而變化，如圖8（a）和（b）所示。

當(dāng)[m>1]時，載波變成了過調(diào)幅，導(dǎo)致當(dāng)因子[1+kam（t）]過零時，載波相位發(fā)生反轉(zhuǎn)，已調(diào)信號出現(xiàn)包絡(luò)失真，如圖8（c）所示，此時過調(diào)制指示器亮起，在已調(diào)信號的時域波形圖中可以清晰的看到載波相位反轉(zhuǎn)。

圖8 AM的過調(diào)制

當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)幅，產(chǎn)生了包絡(luò)失真的時候，包絡(luò)檢波器不能正確解調(diào)出調(diào)制信號，如圖9（a）所示。但是同步解調(diào)依然可以正常解調(diào)出調(diào)制信號，如圖9（b）所示。

2.2 SSB中濾波器性能的比較

依次選擇不同的濾波器，觀察SSB已調(diào)信號頻域波形圖中上邊帶的大小，原理如圖10所示。可以看出，當(dāng)橢圓濾波器作為低通濾波器時，已調(diào)信號的上邊帶分量最小，頻率選擇性最好。當(dāng)巴特沃茲濾波器為低通濾波器時，上邊帶剩余最多，頻率選擇性最差。

2.3 檢波器的門限效應(yīng)

包絡(luò)檢波器是非線性檢測器，存在門限效應(yīng)。當(dāng)載噪比低于門限值的時候，檢波器的噪聲性能迅速惡化。在相干檢測器中，不存在門限效應(yīng)。

FM系統(tǒng)中，在載波幅度一定的情況下，噪聲幅度較小時，檢波器可以解調(diào)出調(diào)制信號，如圖11（a）所示。當(dāng)噪聲幅度增大，使得載噪比超過門限值的時候，檢波器性能開始急劇下降，無法解調(diào)出調(diào)制信號，如圖11（b）所示。

AM系統(tǒng)中，在相關(guān)參數(shù)不變的情況下，只改變解調(diào)方式，如圖12所示，相干解調(diào)能比檢波器更好地解調(diào)出調(diào)制信號，驗(yàn)證了相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)。

從以上仿真中可以看出，所得結(jié)果與理論知識一致，證明了設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié) 語

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面友好，交互性強(qiáng)。覆蓋了模擬通信系統(tǒng)理論教學(xué)中的大部分知識點(diǎn)，做到了將抽象的內(nèi)容具體化，復(fù)雜的概念簡單化。與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比較，由于本系統(tǒng)應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，使得系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展功能，能夠很好地滿足模擬通信系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的需求，是一套很好的輔助教學(xué)工具。

參考文獻(xiàn)

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FM系統(tǒng)中，在載波幅度一定的情況下，噪聲幅度較小時，檢波器可以解調(diào)出調(diào)制信號，如圖11（a）所示。當(dāng)噪聲幅度增大，使得載噪比超過門限值的時候，檢波器性能開始急劇下降，無法解調(diào)出調(diào)制信號，如圖11（b）所示。

AM系統(tǒng)中，在相關(guān)參數(shù)不變的情況下，只改變解調(diào)方式，如圖12所示，相干解調(diào)能比檢波器更好地解調(diào)出調(diào)制信號，驗(yàn)證了相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)。

從以上仿真中可以看出，所得結(jié)果與理論知識一致，證明了設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié) 語

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面友好，交互性強(qiáng)。覆蓋了模擬通信系統(tǒng)理論教學(xué)中的大部分知識點(diǎn)，做到了將抽象的內(nèi)容具體化，復(fù)雜的概念簡單化。與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比較，由于本系統(tǒng)應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，使得系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展功能，能夠很好地滿足模擬通信系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的需求，是一套很好的輔助教學(xué)工具。

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FM系統(tǒng)中，在載波幅度一定的情況下，噪聲幅度較小時，檢波器可以解調(diào)出調(diào)制信號，如圖11（a）所示。當(dāng)噪聲幅度增大，使得載噪比超過門限值的時候，檢波器性能開始急劇下降，無法解調(diào)出調(diào)制信號，如圖11（b）所示。

AM系統(tǒng)中，在相關(guān)參數(shù)不變的情況下，只改變解調(diào)方式，如圖12所示，相干解調(diào)能比檢波器更好地解調(diào)出調(diào)制信號，驗(yàn)證了相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)。

從以上仿真中可以看出，所得結(jié)果與理論知識一致，證明了設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié) 語

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面友好，交互性強(qiáng)。覆蓋了模擬通信系統(tǒng)理論教學(xué)中的大部分知識點(diǎn)，做到了將抽象的內(nèi)容具體化，復(fù)雜的概念簡單化。與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比較，由于本系統(tǒng)應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，使得系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展功能，能夠很好地滿足模擬通信系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的需求，是一套很好的輔助教學(xué)工具。

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