基于LabVIEW的通信原理教輔平臺設計

劉婉妮，雷 欣

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

《通信原理》是通信工程專業一門重要的專業課程，特別是隨著計算機技術與通信技術的緊密結合，該課程越來越顯示出其重要性。然而該課程特點是：知識面廣、內容多、概念抽象，學生學起來比較吃力，加強實驗教學是解決這一問題的主要途徑。目前多數高等院校的實驗環節采取 “實驗+儀器”的傳統模式。通過調研分析，了解到我校即西安歐亞學院在通信原理課程實驗教學中存在一定問題：

1）實驗成本高，設備數量有限。在本課程已開設的實驗中，所需的儀器有實驗箱、信號發生器、示波器等。這些設備價格都非常昂貴，而學校投資有限，設備購置少，更新慢。

2）儀器損耗大。實驗過程中，學生素質參差不齊，不熟悉電路連接，儀器損壞，設備燒毀等現象也時有發生。這不僅導致設備的非正常損耗，也可能威脅學生的人身安全。據調查，我校平均每年需花費一定的財力進行設備的維修、儀器的重復引進和消耗材料的資金投入。

3）實驗時間、空間受限。目前由于實驗設備昂貴，實驗室由專人管理，不能隨意開放，學生只能在規定的時間進行實驗操作，設備的利用率為40%～60%左右。這樣既不能充分發揮現有儀器的作用，學生的創作潛能也受到限制。

4）實驗涉及面窄，知識點涵蓋不全。該課程所安排的實驗內容多為演示、驗證性實驗。另外，實驗結果一般也只能使用示波器進行時域分析，作為頻域分析必備的頻譜分析儀在教學實驗中有著非常重要的作用，但因其價格的昂貴，并沒有配備，因此實驗環節不能夠達到全面輔助教學的目的。

5）學生學習興趣低。傳統實驗教學中，實驗教師通常會詳細介紹實驗內容和操作步驟，以避免學生由于知識掌握不透徹引起各種突發事件。據調查顯示，這一教學模式盡管降低了儀器損毀的幾率，但同時也降低了學生的學習興趣。

鑒于上述原因，針對我校通信原理課程實驗教學各方面因素及當前國內外虛擬實驗現狀，建設開發通信原理教學輔助平臺主要是為了解決我校根本沒有財力購買昂貴的硬件通信實驗設備，又必須解決通信課程的實驗教學問題。以便在不增加教學成本的前提下，提高教學質量，打破時間、空間限制，增加學生學習興趣。

1 LabVIEW的特點

美國NI公司推出的LabVIEW語言是一種面向對象的圖形化編程語言，使用圖標代替文本代碼創建應用程序，擁有大量與其他應用程序通信的VI庫。LabVIEW作為目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，在測試與測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析、通信仿真等領域獲得了廣泛的應用[1]。

LabVIEW程序主要包括兩部分：前面板（即人機界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實儀器的面板操作，可設置輸入數值、觀察輸出值以及實現圖表、文本等顯示[2]。框圖程序應用圖形編程語言編寫，相當于傳統程序的源代碼，用于傳送前面板輸入的命令參數到儀器以執行相應的操作。用戶可以把創建的VI程序當作子程序調用，以創建更復雜的程序。LabVIEW擁有流程圖程序設計語言的特點，擺脫了傳統程序語言線性結構的束縛。在編寫方塊圖程序時，只需從功能模塊中選用不同的函數圖標，然后再以線條相互連接，即可實現數據的傳輸。下面以數字基帶仿真系統綜合設計為例進行敘述。

2 數字基帶系統綜合設計仿真

2.1 設計思路

數字基帶通信系統的基本結構如圖1所示，主要由信道信號形成器、信道、接收濾波器、和抽樣判決器構成[3]。

圖1 數字基帶通信系統結構圖Fig.1 System structure of digital baseband communication

依據數字基帶通信系統的結構，設計調試后的綜合數字基帶仿真系統的前后面板如圖2、圖3所示，本系統的仿真思路是將每個組成部分單獨設計成一個VI程序，每個子VI均可作為一個功能模塊被重復使用。前面板可以進行原消息代碼、高斯噪聲等參數的設置，運行后可以觀察信道的輸出波形及眼圖，分析接收碼元的準確性。改變Ts或噪聲幅度，可以對比前后輸出波形的變化。后面板由CMI碼.vi、發送濾波器.vi、噪聲.vi、接收濾波器.vi、模 2判決器.vi、眼圖.vi 6個模塊構成。

圖2 數字基帶通信仿真系統的前面板Fig.2 Front panel of digital baseband communication simulation system

圖3 數字基帶通信仿真系統的后面板Fig.3 Rearpanelofthedigitalbasebandcommunicationsimulationsystem

2.2 仿真系統各子VI的設計

1）CMI碼變換器 傳輸碼的選擇取決于實際信道特性和系統工作條件，傳輸碼型種類較多，本系統采用雙向碼，這種碼既能提供足夠的定時分量，又無直流漂移，編碼過程簡單。雙向碼變換器的后面板如圖4所示，在For語句中，“二進制位數”子VI確定循環次數N，每次從數組中提取一個元素進行判斷，當元素為“1”時，生成“10”碼元，為“0”時，生成“01”碼元，再經“二維轉一維”子 VI賦值給輸出控件[4]。

圖4 CMI碼變換器后面板Fig.4 Rear panel of CMI code converter

2）發送濾波器 輸入碼元ak先經預編碼得到bk，再利用For循環以次用bk的每個碼元與g（t）相乘，形成一組二維數組，最后再經過第二個For循環，利用移位寄存器將形成的二維數組列向相加，形成輸出波形送入信道。發送濾波器后面板如圖5所示。

圖5 發送濾波器后面板Fig.5 Rear panel of sending filter

3）信道 “信道噪聲.VI”是利用“Uniform White Noise Waveform”子VI，生成均衡白噪聲波形，用 “Get Waveform Components”函數將生成的數據作為噪聲與送進來的CMI信號相加。

4）接收濾波器 其作用是用來接收信號，盡可能排除信道噪聲和其他干擾，并對失真波形均衡，從而產生有利于抽樣判決器判決的波形。該程序的主要功能是完成對信道中接收的碼元進行抽樣。在For語句中，通過“碼元個數”確定循環次數，通過（50-Ts/2+Ts*i）來判斷抽取哪個值。

5）抽樣判決器 在噪聲背景下用來判定與再生基帶信號，在接收數字信號時只要在規定時刻（由定時脈沖控制）判別出它是“1”還是“0”即可。仿真時是對抽樣輸出的值進行模2判斷，從而恢復信號。在For語句中，逐個對抽樣值進行判決，當抽樣值在0.5與1.5之間時，輸出為1，其余為0。

圖6 接收濾波器后面板Fig.6 Rear panel of receiving filter

圖7 抽樣判決器后面板Fig.7 Rear panel of sampling decision device

6）眼圖 眼圖是用示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調整示波器掃描周期與接收碼元的周期嚴格同步，一般用位定時信號作為掃描同步信號，利用示波器顯示屏的余輝效應，連續掃描的使得各碼元的波形重疊起來，產生象眼睛的圖像[5]。

調用上述VI模塊，可以設計一個完整的數字基帶通信系統。通過調整參數，記錄各點數據，觀察波形變化，對系統的頻帶利用率、碼間干擾性能、眼圖等進行分析。

3 結束語

基于LabVIEW的通信原理教輔平臺涵蓋通信原理課程的主要內容，提供了可供調用的通信模塊，各子模塊相互獨立，便于后續的擴充和完善，提高了學生學習興趣，解決了理論教學的難題。但是在實際應用中要把握好虛擬仿真與實際實驗的關系。虛擬實驗只是實際實驗的補充和擴展，它不能從根本上替代實際實驗以達到培養和提高學生實際能力的功能，只能盡可能給學生提供更多理解抽象原理、模擬實驗的條件，相當于對學生進入實驗室之前進行模擬訓練，仿真教輔平臺必須與實際實驗相輔相成，共同作用，增強學生的實踐能力[6]。

[1]李瑞，周冰，胡仁喜.LabVIEW 2009中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]樊昌信.通信原理 [M].6版.北京：國防工業出版社，2006.

[4]李環，任波，華宇寧.通信系統仿真設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5]劉學勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2011.

[6]田豐.虛擬實驗與真實實驗的整合研究[J].實驗技術與管理，2005，22（11）：89-90.

TIAN Feng.The research of virtual experiment and real experimentintegration[J].ExperimentalTechnology and Management，2005，22（11）:89-90.