虛擬的模擬通信實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

聶偉+楊正

摘 要： 設計并實現(xiàn)了一種基于LabVIEW的模擬通信實驗系統(tǒng)。通過模塊化的設計，實現(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)很好地彌補了硬件實驗系統(tǒng)的不足，幫助學生更好的理解、加深和提高了對相關(guān)知識概念的學習。

關(guān)鍵詞： 實驗教學； 調(diào)制解調(diào)； 濾波器； LabVIEW

中圖分類號： TN710?34； TP39 文獻標識碼： 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)學習其他通信系統(tǒng)的基礎。其特點是原理多，概念多，系統(tǒng)性強，理解起來很抽象[1]。開展實驗教學，是加深學生對理論知識的理解，貫通各知識點的有效途徑。在傳統(tǒng)的實驗教學中，因為存在著如電子元器件老化、顯示設備精度受限等問題，導致硬件實驗箱中產(chǎn)生的結(jié)果和理論教學中展示的結(jié)果有差距，使得學生對相關(guān)知識點和概念的理解不夠直觀、記憶不牢靠。虛擬的軟件實驗系統(tǒng)可以很好的彌補這個差距，起到了連接二者的橋梁作用，幫助學生更好的理解、加深和提高了對相關(guān)知識概念的學習；實驗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驗要求，資源利用效率較低。可以通過軟件編程的方法，使得不同功能模塊相互組合，實現(xiàn)更多的實驗項目，補充和支持了硬件實驗教學。

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[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[3]，使用軟件程序替代傳統(tǒng)硬件電路，設計和實現(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驗的束縛，去除了實驗中不可控的因素，可以根據(jù)實驗需要更換功能模塊。文獻[4?7]介紹了利用LabVIEW對模擬通信系統(tǒng)中相關(guān)知識點的仿真設計。文獻[8?9]對將LabVIEW應用在實驗教學中進行了研究，每一個子VI都是一個小的實驗項目，可以對相關(guān)知識點進行仿真驗證。本文介紹的模擬通信實驗系統(tǒng)，在上述文獻取得的成果的基礎上，將不同的功能模塊整合進一個程序中，形成了統(tǒng)一的實驗平臺；在設計上采用了模塊化設計，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。可將本實驗系統(tǒng)安裝在任意一臺計算機上，隨時進行實驗。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 實驗系統(tǒng)設計

1.1 功能模塊的設計

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設計的實驗系統(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)運行。在調(diào)制和解調(diào)模塊中，均采用Case結(jié)構(gòu)來實現(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，因為實現(xiàn)方式不同，導致數(shù)據(jù)類型不一致的問題，使得調(diào)制模塊與解調(diào)模塊進行任意的組合。在波形顯示模塊中，同樣通過Build Waveform函數(shù)實現(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 功能實現(xiàn)程序框圖

系統(tǒng)中，AM，DSB，F(xiàn)M，PM均根據(jù)數(shù)學原理實現(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)實現(xiàn)載波同步的功能。

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

一個實信號[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）

便是原始實信號的包絡。

FM信號的包絡是恒定的，等于載波幅度。為了使用包絡檢波法解調(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 用戶操作界面的設計

一個簡潔友好的用戶交互界面可以提高學生進行實驗的效率。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驗項目，將模塊化設計帶來的優(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)選項控件，隱藏無關(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。當選擇FM時，其他調(diào)制方式的對應的參數(shù)選擇則會隱藏，只出現(xiàn)頻率靈敏度，頻偏控件。

解調(diào)方式選項卡中，可以選擇與調(diào)制方式相對應的解調(diào)方式。當調(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)相位差設置框。當調(diào)制方式為DSB和SSB時，因為調(diào)制信號并不直接表現(xiàn)為調(diào)幅信號的包絡，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，周期隨機噪聲，每個噪聲選項都有相對應的參數(shù)可供調(diào)整。一般的信號發(fā)生器實驗時是無法產(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。

在完成實驗系統(tǒng)的程序和前面板設計后，通過LabVIEW的項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算機上操作該實驗系統(tǒng)了，很好地擺脫了硬件實驗室在時間和空間上的限制，如圖7所示。

圖7 實驗系統(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[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[m>1]時，載波變成了過調(diào)幅，導致當因子[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

當出現(xiàn)過調(diào)幅，產(chǎn)生了包絡失真的時候，包絡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

包絡檢波器是非線性檢測器，存在門限效應。當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。

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，驗證了相干解調(diào)不存在門限效應。

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

3 結(jié) 語

本虛擬實驗系統(tǒng)操作界面友好，交互性強。覆蓋了模擬通信系統(tǒng)理論教學中的大部分知識點，做到了將抽象的內(nèi)容具體化，復雜的概念簡單化。與傳統(tǒng)的硬件實驗設備相比較，由于本系統(tǒng)應用了模塊化設計的思想，使得系統(tǒng)具有良好的擴展功能，能夠很好地滿足模擬通信系統(tǒng)驗證性實驗的需求，是一套很好的輔助教學工具。

參考文獻

[1] 楊輝，劉毓，孫愛晶.通信原理教學方法的探索和實踐[C]//Proceedings of 2010 Asia?Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security （2010APCID）. 2010.

[2] BO R， HUAN L. The design of communication platform for teaching by virtual instrument [C]// 2010 International Confe?rence on Computer Design and Applications （ICCDA）. [S.l.]： IEEE， 2010， 5： 519?522.

[3] 尹念東.虛擬儀器技術(shù)及其應用前景[J].計量與測試技術(shù)，2002，29（6）：34?36.

[4] 于波，劉祥樓，韓建.基于LabVIEW的模擬調(diào)制實驗儀的設計[J].微計算機信息，2007，23（5）：185?186.

[5] 張松華，何怡剛.基于LabVIEW的通信電子線路實驗仿真[J].儀表技術(shù)，2009（4）：19?20.

[6] 李環(huán)，任波.虛擬儀器通信原理教學平臺的設計與開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，19（6）：107?110.

[7] 練峰海，石啟亮.基于LabVIEW的調(diào)制器設計與實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程，2012，12（25）：89?91.

[8] 劉翠響，王寶珠，賈志成.LabVIEW在“高頻電子線路”實驗教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：89?91.

[9] 王莉，陳虹.基于LabVIEW的通信原理試驗研究與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2007（10）：10?12.

[10] 周蓉，馬勝前.高階開關(guān)電容濾波器的設計和仿真[J].電子測量技術(shù)，2010，33（2）：22?25.

[11] 張緒省，朱貽盛，成曉雄，等.信號包絡提取方法：從希爾伯特變換到小波變換[J].電子科學學刊，1997（1）：120?123.

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，驗證了相干解調(diào)不存在門限效應。

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

3 結(jié) 語

本虛擬實驗系統(tǒng)操作界面友好，交互性強。覆蓋了模擬通信系統(tǒng)理論教學中的大部分知識點，做到了將抽象的內(nèi)容具體化，復雜的概念簡單化。與傳統(tǒng)的硬件實驗設備相比較，由于本系統(tǒng)應用了模塊化設計的思想，使得系統(tǒng)具有良好的擴展功能，能夠很好地滿足模擬通信系統(tǒng)驗證性實驗的需求，是一套很好的輔助教學工具。

參考文獻

[1] 楊輝，劉毓，孫愛晶.通信原理教學方法的探索和實踐[C]//Proceedings of 2010 Asia?Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security （2010APCID）. 2010.

[2] BO R， HUAN L. The design of communication platform for teaching by virtual instrument [C]// 2010 International Confe?rence on Computer Design and Applications （ICCDA）. [S.l.]： IEEE， 2010， 5： 519?522.

[3] 尹念東.虛擬儀器技術(shù)及其應用前景[J].計量與測試技術(shù)，2002，29（6）：34?36.

[4] 于波，劉祥樓，韓建.基于LabVIEW的模擬調(diào)制實驗儀的設計[J].微計算機信息，2007，23（5）：185?186.

[5] 張松華，何怡剛.基于LabVIEW的通信電子線路實驗仿真[J].儀表技術(shù)，2009（4）：19?20.

[6] 李環(huán)，任波.虛擬儀器通信原理教學平臺的設計與開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，19（6）：107?110.

[7] 練峰海，石啟亮.基于LabVIEW的調(diào)制器設計與實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程，2012，12（25）：89?91.

[8] 劉翠響，王寶珠，賈志成.LabVIEW在“高頻電子線路”實驗教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：89?91.

[9] 王莉，陳虹.基于LabVIEW的通信原理試驗研究與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2007（10）：10?12.

[10] 周蓉，馬勝前.高階開關(guān)電容濾波器的設計和仿真[J].電子測量技術(shù)，2010，33（2）：22?25.

[11] 張緒省，朱貽盛，成曉雄，等.信號包絡提取方法：從希爾伯特變換到小波變換[J].電子科學學刊，1997（1）：120?123.

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，驗證了相干解調(diào)不存在門限效應。

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

3 結(jié) 語

本虛擬實驗系統(tǒng)操作界面友好，交互性強。覆蓋了模擬通信系統(tǒng)理論教學中的大部分知識點，做到了將抽象的內(nèi)容具體化，復雜的概念簡單化。與傳統(tǒng)的硬件實驗設備相比較，由于本系統(tǒng)應用了模塊化設計的思想，使得系統(tǒng)具有良好的擴展功能，能夠很好地滿足模擬通信系統(tǒng)驗證性實驗的需求，是一套很好的輔助教學工具。

參考文獻

[1] 楊輝，劉毓，孫愛晶.通信原理教學方法的探索和實踐[C]//Proceedings of 2010 Asia?Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security （2010APCID）. 2010.

[2] BO R， HUAN L. The design of communication platform for teaching by virtual instrument [C]// 2010 International Confe?rence on Computer Design and Applications （ICCDA）. [S.l.]： IEEE， 2010， 5： 519?522.

[3] 尹念東.虛擬儀器技術(shù)及其應用前景[J].計量與測試技術(shù)，2002，29（6）：34?36.

[4] 于波，劉祥樓，韓建.基于LabVIEW的模擬調(diào)制實驗儀的設計[J].微計算機信息，2007，23（5）：185?186.

[5] 張松華，何怡剛.基于LabVIEW的通信電子線路實驗仿真[J].儀表技術(shù)，2009（4）：19?20.

[6] 李環(huán)，任波.虛擬儀器通信原理教學平臺的設計與開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，19（6）：107?110.

[7] 練峰海，石啟亮.基于LabVIEW的調(diào)制器設計與實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程，2012，12（25）：89?91.

[8] 劉翠響，王寶珠，賈志成.LabVIEW在“高頻電子線路”實驗教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：89?91.

[9] 王莉，陳虹.基于LabVIEW的通信原理試驗研究與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2007（10）：10?12.

[10] 周蓉，馬勝前.高階開關(guān)電容濾波器的設計和仿真[J].電子測量技術(shù)，2010，33（2）：22?25.

[11] 張緒省，朱貽盛，成曉雄，等.信號包絡提取方法：從希爾伯特變換到小波變換[J].電子科學學刊，1997（1）：120?123.