基于labview 的通信原理虛擬實驗系統設計

劉葉鋒，周楚婷，朱海榮（通迅作者）

（1.廣西科技師范學院，廣西來賓，546199；2.賀州學院，廣西賀州，542899）

0 引言

通信原理是電子、通信類專業的骨干核心課程[1]，在本科階段的專業學習中有著十分重要的作用，通過本門課的學習，讓學生對信息通信的基本原理有深刻的認識，為后續的課程打下堅實的基礎。但通信原理這門課本身理論比較枯燥，不容易理解，需要實驗的輔助，讓學生更加直觀的理解這門課，目前的通信原理實驗主要是通過硬件實驗平臺和matlab 仿真，硬件實驗平臺有這成本高，實驗效果不直觀，容易受外界干擾，升級困難等缺陷，matlab 仿真可以很好的解決硬件實驗平臺的缺陷，但matlab 的仿真需要先學習matlab 編程，需要一定編程基礎，增加了學習困難度，而labview 圖形化的編程語言和直觀的人機交互界面，可以很容易上手，學生學習起來也比較容易，可以極大的提高學生的學習積極性，以及學生的學習效果。

1 系統簡介

根據通信原理課程的學習要求，本系統一共設計了10個實驗，AM 系統、DSB 系統、SSB 系統、FM 系統、PM系統、碼型變換、2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK。幫助學生更好的理解書本上基本原理，達到理論聯系實際的作用，從而達到更加好的教學效果，本系統所有實驗支持參數任意調節，界面設計簡潔友好，能直觀的展示實驗結果，并設計有系統登錄，實驗數據保存，輸出實驗報告等功能，系統功能完善，能很好的輔助通信原理這門課的學習，同時也適用于工程應用分析。

2 LABVIEW 介紹

Labview 與我們常用的編程語言如C 或者VB 一樣，也是一種高級編程語言，只是它是一種圖形化的編程語言，也就是G 語言。與C 或其他常見的高級語言不一樣的是，labview 提供了非常強大的工具包，包括數據采集、數據分析、數據顯示、仿真調試工具等等，且labview 能夠非常簡單高效的構建友好的顯示界面。基于以上的特點，labview 可以方便的構建類似實際的儀器操作顯示界面，以及功能，因此labview 也被稱為虛擬儀器，特別適用于需要經常改變儀器參數和功能的實驗室以及小批量的生產線等場合，本系統正是利用了labveiw 的這些特點，構建了類似于實際通信原理實驗設備的虛擬儀器系統[2]，擁有實際實驗設備的全部功能，且擁有實際實驗設備所不具有的靈活更新的特點。

3 系統設計

■3.1 系統結構

本系統由登錄實驗系統、選擇實驗、輸出實驗報告、退出系統幾個部分組成，在登錄實驗系統部分，要求輸入學生的班級姓名學號，選擇實驗部分通過選項卡來選擇所需要做的實驗，在實驗完成后，可以根據實驗結果來自主選擇是否輸出實驗報告，最后退出實驗。系統整體框架如圖1 所示。

圖1 系統整體框架

在選擇進入每個實驗后，單個實驗可以先閱讀實驗說明，然后開始根據實驗課本要求，進行具體參數的更改，單個實驗結束后，可以選擇是否在指定路徑輸出實驗報告，最后退出實驗，單個實驗的框架如圖2 所示。

圖2 單個實驗的框架

■3.2 系統實現

本系統的核心是10 個實驗模塊的設計，采用先分再總的設計方式[3]，先設計每一個實驗模塊（總共10 個），最后把10 個實驗模塊通過選項卡的方式整合到一個VI 中。由于篇幅有限下面用FM 系統、碼型變換中的AMI 碼、AM 系統以及最后平臺的整合來說明系統的實現過程。

3.2.1 FM 系統

頻率調制解調系統的前面板后面板如圖3 和4 所示。前面板中可設置各類參數，采樣點數、采樣率、載波頻率等。設置相應參數后即可得信號抽樣值、頻率已調信號及頻率解調信號。以及可以通過波形圖觀察到基帶信號波形、頻率已調信號波形、頻率解調信號波形、基帶信號頻譜、頻率已調信號波形。單擊停止按鈕則可以停止While 循環。

圖3 FM 系統前面板

圖4 FM 系統后面板

在頻率調制解調系統的構成中共調用三個子VI 分別為抽樣前后面板如圖5 和圖6 所示，FM 調制前后面板如圖7和8 所示，FM 解調前后面板如圖9 和10 所示。

圖5 抽樣前面板

圖6 抽樣后面板

圖7 FM 調制前面板

圖8 FM 調制后面板

圖9 FM 解調前面板

圖10 FM 解調后面板

抽樣前面板含有相應參數輸入控件以及抽樣值數組還可觀察抽樣信號波形及其頻譜圖，通過改變信號類型也可改變抽樣信號結果。

FM 調制前面板輸入載波頻率和采樣點數即可得到調制信號波形圖及頻譜圖。

將抽樣信號經微分后與采樣點數和KF 整除的結果相乘，在將各類參數經；變化后得到FM 已調信號，將已調信號經FFT 運算后得到FM 信號頻譜圖。

前面板為各類參數以及FM 解調后波形。

后面板中將已調信號微分得出微分后波形將載波過；變換得出信號與微分后波形相乘，后通過低通濾波器將濾出波形與采樣點數相乘求導后再通過低通濾波器，將所得出波形與采樣點數的附屬相乘即可得FM 解調信號。

3.2.2 碼型變換中的AMI 碼

AMI（Alternative Mark Inversion）碼的全程是傳號交替反轉碼，編碼規則是將信息碼中的“1”交替性的變為“+1”和“-1”，消息碼中的“0”則保持輸出“0”。

例如：

信息碼:0 1 0 1 1 1 0 0 0 1

AMI 碼:0 +1 0 -1 +1 -1 0 0 0 +1

AMI 碼:0 -1 0 +1 -1 +1 0 0 0 -1

AMI 碼的碼型變換前面板如圖11，后面板見圖12。前面板中通過輸入原消息代碼輸入信息碼，控件的數據類型為U32 二進制。實驗時輸入需要變換的碼型，即可得到相應的AMI碼和其波形，單擊停止按鈕可以退出While 循環。

圖11 AMI碼的碼型變換前面板

圖12 AMI碼的碼型變換后面板

先將原消息代碼通過輸轉數組 子VI 轉換為數組形式，再通過二進制有效位數 子VI 得到消息碼的位數，輸入至For 循環，決定循環的次數。再讓轉為數組后的消息代碼進入For 循環，若消息碼為“1”則為真進入下一條件結構，若為偶數次“1”則為真輸出“-1”，若為奇數次“1”則為假輸出“+1”，若消息碼為“0”則直接輸出“0”，即可得變換后的AMI 碼。

3.2.3 AM 系統

標準的調幅也就是一般的雙邊帶調制，簡稱為AM 調幅。假設現在有一個信號將這個信號與一直流偏離量疊加，再將疊加后的信號與載波相乘，我們就可以得到這個信號的調幅信號。當原信號的最大值小于直流偏離時，AM 波形的包絡和原信號的形狀是完全一樣，所以應用包絡檢波法會更加容易解調出原始的傳輸信號。

AM 調制系統前面板如圖13 所示。通過前面板對基帶頻率、信號類型、基帶幅值、載波頻率、載波幅值等參數的設置，得到所需要的AM 調制信號，然后通過波形圖將信號的基帶、調制、解調波形顯示出來。改變一定的參數值就可以看到相應的波形圖發生變化。

圖13 AM系統前面板

通過圖14 我們可以清楚的看到，發送端的各項參數經模塊AM 后產生基帶信號與AM 信號，其中AM 信號產生波形為時域波形，將基帶信號和AM 信號相加后經過運算得到兩信號的頻譜圖。另一端將一路AM 信號送入信道噪聲發生子VI，其作用為噪聲的添加，再將從信道出來的加噪信號輸送至接收端，接收端會將接收到的AM信號與載波相乘，再將相乘后的信號送入一個低通濾波器，且該低通濾波器的截止頻率一定要比基帶信號的頻率高，這樣信號通過濾波器后就能得到解調后的AM 信號。

圖14 AM系統后面板

3.2.4 平臺的整合

類似上面展示的2 個實驗，將10 個實驗全部完成后，將所有實驗項目整合后前面板就如圖15 所示，操作者可直接點擊選項卡對實驗的項目進行切換，這樣為操作者節省一個個將實驗打開的加載時間，并且節約內存，所有同樣的子VI 直接調用即可，不用多次保存，占用資源也拖慢程序的運行。

圖15 整合后的實驗前面板

將系統整合之后，新建一個項目，將整合后的文件添加至創建的項目下，添加登錄界面和保存界面，最后生成應用程序，包括源文件位置、生成位置、源文件設置、程序圖標設計、調試優化、版本信息、預覽等和程序有關的信息。

4 結束語

隨著信息技術的高速發展，由2G 時代到現在5G 時代，已經有了質的飛躍，我們的課本教材內容也在不斷的更新，所需要實驗儀器也在不斷的更新換代，造成了很多不必要的浪費，減少這方面的浪費是所有實驗室都要面對的問題，而labview 的特點[4]很好的解決了這個問題，快捷方便的構建和實體實驗儀器類似的界面，實現一樣的功能，而且由于是純軟件系統，只需要更改軟件程序就可以完成新功能的添加，大大減少了昂貴的硬件更替所造成的資源浪費。相信隨著節能減排，節約資源的措施不斷的推進，虛擬儀器代替實體儀器的進程會進一步加快，虛擬儀器會在更多的領域得到更加廣泛的應用。