基于LabVIEW 虛實結合的通信原理實驗仿真系統的設計

展 慧 李志敏

（武昌工學院，湖北 武漢430065）

通信原理是電子信息類專業一門重要的專業基礎課程、核心課程，在本科教學中具有及其重要的作用，本課程概念抽象，理論性強，內容多、公式推導復雜、枯燥感較強、理論更新快的特點，需要通過實驗鞏固和加強對理論的掌握，因此對實驗要求高。但目前大多數高校的實驗教學內容以驗證型實驗為主，實驗設備采用的多是模塊化的實驗箱，一般只能進行簡單的連線、顯示、分析，學生可操作的模塊少、無法進行實驗的自主設計；另外設備更新速度慢，形式單一，學生學習時間也很受限。

隨著虛擬儀器技術的發展，仿真研究方法在各個領域學科方向上應用的越來越廣泛，在課程的教學中的利用虛實結合的仿真教學法也成為一種趨勢，它極大的豐富了教學手段，提升了學生的學習興趣，也使教學效果有了很大的提高。而對于理論性、綜合性和實踐性都有很高要求的《通信原理》課程的教學，采用虛實結合的仿真教學具有更為重要的研究和應用意義。為豐富理論教學環節，使抽象的理論知識更為生動形象、簡單直觀，加深學生對知識的理解，本文將虛實結合的教學方法引入通信原理課程的實驗教學中，設計了一種基于LabVIEW 虛實結合的通信原理實驗仿真系統。該系統包括模擬通信仿真系統模塊（具體包括AM、DSB、SSB、FM 等）、數字通信仿真系統（具體包括2ASK、2FSK、2PSK 等）模塊和信源編碼模塊（具體包括PCM、PAM等），并設計了實驗登錄界面，使用者根據需要選擇需要驗證的實驗項目。

1 實驗仿真系統整體設計

目前，仿真實驗主要分為兩大類：軟件仿真和硬件仿真。軟件模擬包括一系列用于系統仿真分析的可視化軟件工具，主要功能用于描述程序，如Matlab ，Simulmk，SystemView 等；硬件仿真是模擬由實部組成的電路和系統，如EWB，Multisim，PSpice，Protel 等。以上仿真軟件的相關通信工具都封裝在功能模塊中，無法看到各個模塊的具體實現。因此，這些軟件只能驗證相關原理，即系統級仿真，而不能觀察系統中信號的變化情況。

LabVIEW 是圖形編程語言，是基于數據流和圖形編程模式，該程序可提取文本程序，同時提供豐富的前面板控制和控制性能，比其它仿真軟件具有更高的通用性。LabVIEW 可以實現系統級和波形級兩者的模擬，非常適合于對基礎的理論知識的實驗性教學。

本設計就是采用LabVIEW 實現的實驗仿真系統設計。本系統分為模擬通信、數字通信和信源編碼三個部分本，將通信原理這門課程中的常規實驗如AM，DSB，2ASK，2PSK 等每個實驗做成一個VI 程序，再將每個VI 集成到一起成為一個系統；在每個實驗的程序框圖中，可以清楚的了解仿真實驗的過程以及原理，在程序的前面板可以選擇觀察到各個時刻的信號波形。基于LabVIEW 系統的整體架構如圖1 所示。

圖1 通信原理實驗仿真系統的整體架構圖

其中系統交互界面用于用戶輸入數據及波形顯示，用戶登錄為登錄用戶才能使用系統功能。用戶登錄后可以選擇模擬通信仿真實驗或者數字仿真實驗項目，選擇實驗項目后進入單個實驗仿真系統交互界面，然后進行實驗參數設置和選擇，運行實驗并進行結果觀察和分析。

2 基于LabVIEW 的2ASK 仿真系統設計

2ASK 為振幅鍵控其頻率和初始相位不變，依靠載波的幅度變化來傳遞數字信息。這種調制也稱為通- 斷鍵控（OOK）。2ASK 調制解調原理框圖如圖2 所示。

圖2 2ASK 調制解調原理框圖

2ASK 仿真系統總體框圖設計如圖3 所示。信源（轉下頁）模塊部分：首先使用For 循環函數和條件選擇函數生成一個二進制數組，利用數值大小、For 循環和條件選擇函數使輸入數組的有效值設置為0 和1，使數組連續；再利用二維數組轉成一維數組控件，使輸入序列波形變成理想脈沖方波，最后將這個模塊設置成一個可以調用的子VI 以便在后續的編程中使用。

解調模塊部分采用相干解調方式，將調制信號經過一個有高斯噪聲的信道控件，在使用相乘器與本地載波相乘，再通過低通濾波控件，最后通過抽樣判決器即可得到解調信號。

圖3 2ASK 仿真系統框圖

將輸入序列設置為1110111100，碼元速率為10，將采樣點數和采樣率都設為1000；將載波設置為正弦波，頻率為10，幅度為1，相位為0。使用圖形控件中的示波器控件觀察波形圖。數值控件輸出的序列為1110111100。其前面板設計及仿真效果如圖4 所示。

圖4 2ASK 仿真系統的前面板

在該仿真系統設計中可以對比觀察和分析系統中各點的波形和頻譜，通過波形圖的觀察和輸出序列的比較，可以看出，仿真結果與理論分析是一致的。其它實驗項目如AM、DSB、SSB、2FSK、2PSK、2DPSK、PCM、PAM 等的仿真系統設計與2ASK 系統的設計方法相似，這里就不一一詳細敘述了。

3 基于LabVIEW 通信原理實驗仿真系統的總體設計

本仿真實驗系統的登錄界面前面板和程序框圖設計如圖5和圖6 所示。利用前面板中的界面設計添加相應的圖片和文字，進入按鈕和取消按鈕布爾型控件，鼠標左鍵點擊取消就退出了程序，點擊進入即可進行相應的仿真實驗主界面。

本設計的總體框圖采用的是一個平鋪式順序結構，利用選項卡控件和事件結構來構成整個仿真實驗的操作，點擊相應的選項卡控件就會運行相應的事件結構，將上述各個仿真實驗封裝為子VI，加入到事件結構中，就可以達到自行選擇進行相應的仿真實驗，并且還可以通過添加事件分支來添加新的仿真實驗。

圖5 仿真實驗登錄界面及主界面前面板設計

圖6 仿真實驗登錄界面程序框圖

4 結論

該實驗仿真平臺可以實現模擬通信和數字通信相關實驗的仿真。可以預見在以后通信原理及其他課程的實驗教學過程中將會廣泛的使用虛擬儀器實驗平臺來輔助教學。

本文設計的實驗仿真系統只包含了部分的通信原理實驗，在后續的研究中還可以根據課程的要求增加更多的實驗仿真，以便全面配合實驗教學，形成一套完整的虛擬仿真實驗系統。實踐結果表明，在教學過程中引入LabVIEW 仿真系統平臺，有助于增加教學方法的多樣性，提高通信專業課程教學效率和學生的學習興趣，同時能有效的節省實驗成本。同時，系統完善后還可以將整個仿真系統打包發布，讓老師和學生可以遠程登錄訪問進行仿真實驗的學習，并且可以實現多人共同操作，成為一個真正的虛擬實驗室，為高校教學和學生自學服務。