基于LabVIEW的通信原理虛擬實驗平臺設計

【摘要】為了避免學生受到傳統實驗教學局限于固定地點、固定時間的限制，開發一基于LabVIEW軟件的通信原理實驗教學平臺，首先對平臺的構架和設計目標進行了詳細描述，然后以FM系統的仿真為例介紹實驗平臺在通信原理課程中的具體應用以及在遠程教學中的應用。

【關鍵詞】LabVIEW；通信原理；虛擬實驗；遠程教育

1.引言

《通信原理》課程是我校通信工程專業、電子信息工程專業的一門專業基礎課，學生對本門課程的掌握程度直接影響到后續專業課程的學習。在實際教學中認識到由于其理論性比較強，學生容易產生厭煩心理。因此，需要大量相關的實驗操作實現對理論知識進行理解、消化。實際的通信系統實驗又很難都在實驗室中完成，通過進行虛擬實驗平臺的建設可以很好的解決這樣的問題。虛擬實驗除了具有在時間上和空間上的應用都非常靈活的特點，還可以減少實驗室中實驗設備的損壞維修費用。現已被越來越多的高等院校校所認可，并逐步實現采用虛擬實驗室對傳統的實驗室進行補充和替代[1-3]。

2.通信原理虛擬實驗平臺總體結構

建設通信原理虛擬實驗室平臺的目標就是在結合理論教學的基礎上，構造適合本校學生學習、運用及研究該課程的實驗環境[4]。為了盡可能多的包括通信原理課程的實驗，該平臺設計了幾乎涵蓋了通信原理課程的所有重點理論內容。實驗平臺設計的總體結構如圖1所示。

3.通信原理虛擬實驗平臺設計及實現

3.1 設計目標

通信原理虛擬實驗整體平臺設計不能太復雜，以免使得學生望而生畏，應能較好的運用虛實結合的特點，給出參考范例，學生可以自行搭建設計。

具體的設計目標如下：努力使系統的內容將通信原理課程大多數實驗內容都包含進去。整個實驗平臺應該保證每個子模塊是相對獨立的，以便進行后續的擴展；系統應具有較強的健壯性，提供的實驗環境應該是非常穩定的，避免由于學生的不正確操作而出現系統崩潰的情況；系統的用戶界面要比較友好，具有較好的交互性，包含完整的幫助文檔，操作簡單，能夠及時響應操作。

3.2 設計實例

LabVIEW程序主要包括前面板和方框圖程序兩部分。前者主要是模擬真實儀器的面板操作，可進行輸入數值設置、文本顯示等操作。方框圖程序主要是應用圖形編程語言進行編寫，類似于傳統程序（如C語言）的源代碼，可以傳送前面板輸入的命令參數到具體儀器，然后進行相應的操作。LabVIEW的特點之一就是流程圖程序設計語言，這與傳統程序語言線性結構不同。下面以實驗平臺中模擬通信系統的非線性調制的仿真平臺為例進行敘述。頻率調制（FM）是一種載波頻率隨基帶信號的變化而改變的一種調制方式，是參考教材第五章第三節的內容[5]。虛擬實驗平臺的進入界面如圖2所示。

點擊入口按鈕后進入實驗系統選擇模塊，如圖3所示。選擇模擬通信系統→非線性調制進入非線性調制（FM）實驗平臺，對應的前面板及程序框圖如圖4、圖5所示。

在給學生頻率調制實驗的講解時，需要從更實用的角度進行介紹，應該考察載波頻率和FM偏移對于調制所得的FM信號產生的影響。

在這里需要對基帶頻率、載波頻率和FM偏移三個基本參數進行調整。基帶頻率可以調整信息信號的頻率。

載波頻率則是用來傳輸信息信號的頻率。而FM偏移則確定了載波信號和調制信號的最大瞬時頻率差。首先對基帶頻率進行調整，觀察由此對FM調制波形圖所產生的影響。然后改變載波頻率，觀察對FM調制信號的影響，頻率偏移可以自動進行調整，以免超過載波頻率。載波頻率等于基帶頻率情況下的波形圖如圖6所示。由于這些頻率是完全一致的，因此FM調制信號不再是純粹的正弦信號。

從圖6中可以看出，調制后的信號已經不能清晰地表示基帶信號。在理想情況下，載波頻率應該遠高于基帶信號的頻率。在圖7中，能看到載波頻率提升之后的結果。這里每個頻率的整周期信號都已經被表示出來了。

下面考察調制指數對與FM信號的影響。將載波頻率調整到最大值1MHz。注意到FM偏移的最大值已經自動調整為500kHz。然后拖動滑動條將FM偏移設定為1MHz，并觀察結果。所得到的時域信號的頻率波動非常明顯。如圖8所示，基帶信號的最低電平是由0Hz頻率所表示的，而基帶信號的最高電平則是由2MHz頻率所表示。

較大的FM偏移值從視覺上而言比較直觀，而較小的FM偏移值則不然。為了證明這點，把FM偏移值設定為200kHz，在這種情況下，基帶信號的不同電平將由800kHz至1.2MHz的頻率表示。調制后的時域波形如圖9所示。此時，頻率偏移的變化在時域上不再那么明顯。但是，這種影響對于通信系統而言則是至關重要的。理想情況下，一個通信系統應該采用最大的頻率偏移，以便更精確地表示基帶信號，但增加頻率偏移的代價則是提高信號發生的功率以及所占用的頻帶寬度。

可以通過點擊“頻域”標簽，觀察調制后信號的FFT功率譜。同時逐漸調整頻率偏移變量，觀察對信道寬度的影響。注意到頻率偏移較高的情況下，信道將占據較寬的頻帶。圖10中是一個載波頻率為1MHz，頻率偏移為500kHz的FM信號。可以從圖10中看出，調制信號占據了超過1MHz的帶寬。

實踐證明通過這樣的講解，學生可以很輕松的掌握頻率調制的原理，收到了實驗輔助理論教學的作用。

4.虛擬實驗室在遠程教育中的應用

LABVIEW還具有非常強大的網絡功能[6-7]，本實驗平臺利用LabVIEW虛擬儀器技術與Web技術，將實驗平臺放在實驗室服務器中，遠程客戶端可以通過網絡訪問服務器進行虛擬實驗。實現了學生在宿舍也可以進行實驗的目的。LabVIEW中集成了Remote panel技術，在實驗室的服務器程序設計完成之后，可以通過LabVIEW程序中的網絡發布工具將程序嵌入到HTML文件中，然后通過LabVIEW提供的網絡服務器向網上進行發布，可以實現瀏覽器訪問.此時，當用戶在瀏覽器環境下鍵入產生的HTML文件網絡路徑后便可在自己的PC機上使用Web上的虛擬儀器進行通信原理的相關實驗了。

5.結束語

通信原理虛擬實驗平臺涵蓋了通信原理課程中的主要內容，提供了所有仿真實驗的源代碼，學生可以自己進行程序的修改，可以充分調動學生的學習積極性，提高學生對通信原理課程的學習興趣。一方面可以彌補實驗箱覆蓋面有限的問題，另一方面又可以加深學生對通信原理理論的理解。使學生從被動應付實驗變為主動設計實驗，使學生脫離了固定實驗室時間和地點的限制，有利于充分發揮學生的主觀能動性和創造性。

參考文獻

[1]魏蕓.基于《微機原理與接口技術》的虛擬實驗研究[J].自動化與儀器儀表，2013（2）：32-33.

[2]楊勇，楊艷麗，羅海燕.基于LabView信號的處理網絡虛擬實驗室設計方法[J].沈陽農業大學學報，2009，40（5）：627-629.

[3]王秀芳，魏宇恒，張昆，等.通信原理網絡虛擬實驗室的開發[J].實驗室科學，2010，13（5）：133-134.

[4]劉亞榮，謝曉蘭，楊曉斐，等.通信原理虛擬實驗平臺開發[J].桂林理工大學學報，2013，33（2）：345-348.

[5]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社， 2006.

[6]劉君華.基于LABVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[7]豈興明.LabView 8.2虛擬儀器設計入門和開發[M].北京：人民郵電出版社，2008.

作者簡介：

唐萬偉，碩士，唐山學院講師。

高雅深，大學本科，副教授，唐山學院主任。

王金紅，碩士，唐山學院講師。