基于LabVIEW的通信原理虛擬實驗平臺的設計

李艷 馮仲國

摘? 要：新工科背景下，高校對通信原理實驗教學的創新性和綜合性提出了更高的要求。針對通信原理實驗教學現有的問題，設計并實現了基于LabVIEW的實驗仿真平臺。以DSB和2DPSK實驗為例，介紹了該實驗仿真平臺的具體設計過程與實現。實驗結果表明，基于LabVIEW的虛擬仿真平臺與傳統實驗平臺相結合，有助于提高教學的實用性和趣味性，提升學生的知識應用能力和創新能力，滿足新工科發展的需求。

關鍵詞：LabVIEW；通信原理；虛擬儀器；仿真平臺

中圖分類號：TN911.4；G642.423? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）01-0182-05

Design of Virtual Experiment Platform for Communication Principle Based on LabVIEW

LI Yan， FENG Zhongguo

（College of Physics and Electronic Information Engineering， Ningxia Normal University， Guyuan? 756000， China）

Abstract： Under the background of new engineering courses， colleges and universities have put forward higher requirements for the innovation and comprehensiveness of the experimental teaching of communication principles. Aiming at the existing problems in the experimental teaching of communication principles， an experimental simulation platform based on LabVIEW is designed and implemented. Taking DSB and 2DPSK experiments as examples， the specific design process and implementation of the experimental simulation platform are introduced. The experimental results show that the combination of virtual simulation platform based on LabVIEW and traditional experimental platform is helpful to improve the practicality and interest of teaching， enhance students' knowledge application ability and innovation ability， and meet the needs of new engineering development.

Keywords： LabVIEW; communication principle; virtual instrument; simulation platform

0? 引? 言

虛擬實驗室最早在1989年由美國的William Wolf教授提出，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境[1]。學生做實驗時可以不受時間和地點的限制，只需一臺與該實驗室系統網絡連接的計算機，便可通過局域網進行相關實驗[2]。

隨著LabVIEW、MATLAB、System View等虛擬仿真軟件的開發與應用，使得通信原理實驗變得豐富[3，4]。為了研究通信原理實驗的發展研究現狀，通過在CNKI數據庫中，以“通信原理實驗”為檢索詞，檢索1991年至2021年通信原理實驗的研究文獻，共得到文獻數據信息467條，年份與發文量之間的趨勢如圖1所示，主題關鍵詞與發文量之間的柱狀圖如圖2所示。由圖可知，2005年以后，隨著信息化的快速發展，高校對通信原理實驗不再局限于傳統的教學模式，開始進行改革與創新，而通過圖1（b）的主題關鍵詞與文獻數量之間的分布情況可知，“虛擬仿真”“LabVIEW”“MATLAB”“System View”等詞的高頻率出現，說明“新工科”背景下，通信原理實驗設計進行了較多的改革與創新。

眾所周知，“通信原理實驗”課程是電子信息以及相關大類專業本科學生的必修課[5]，其教學手段一般是理論知識與實驗實踐相結合[6]。傳統的實驗是學生利用實驗設備在實驗室完成相關的實驗項目，實驗數量有限，可擴展性差，且實驗設備都是集成化的模塊[7，8]，導致實驗達不到預期培養目標。本文基于LabVIEW的通信原理實驗仿真平臺的設計，為實現更加便捷的線上線下實驗奠定了基礎，使之成為真正的開放實驗室。

1? LabVIEW介紹

LabVIEW是一種用圖標創建應用程序的圖形化編程語言，采用數據流編程的方式，程序框圖中節點之間的數據流決定了程序的執行順序，它用圖標表示函數，用連線表示數據流向[1]。LabVIEW提供很多逼真的控件，通過這些控件可以方便快捷的創建用戶界面[9]，通過相關編程實現對前面板上對象的控制，在LabVIEW中編寫的程序被稱為VI，即通常所說的虛擬儀器[10]。

LabVIEW設計步驟包括[11，12]：（1）創建前面板，前面板是現實儀器的界面，在實際應用中，用戶對前面板的操作就是相當于對儀器的操作；（2）創建程序框圖，程序框圖用于實現功能，相當于實際儀器中內部的電路。通過在程序框圖中編程，根據設計的儀器，再根據程序框圖的特點，理清各個部分的關系，連線，對數據進行處理等，完成程序設計；（3）目標和連接器的配置，完成前面板和程序框圖創建后會有很多的錯誤，這時需要進行調配置，直至理論分析與仿真結果相符。

2? 通信原理虛擬實驗平臺的整體架構

通信原理虛擬實驗平臺劃分為用戶登錄界面、實驗主界面兩大功能模塊，在實驗主界面模塊中包含有8個子模塊，即4個模擬通信系統實驗和4個數字通信系統實驗。整體框架如圖3所示。

圖4為登錄界面：用戶登錄界面的設計主要應用了事件嵌套的邏輯功能，在該結構內包含一個事件結構和條件結構。登錄界面程序框圖如圖4（a）所示。用戶用給定的賬號和密碼進行登錄，進入實驗界面，登錄界面如圖4（b）所示。

實驗主界面：實驗選擇引導界面，該界面包含了模擬通信系統和數字通信系統的相關驗，共計8個測試子模塊功能。用戶通過點擊相應的實驗按鈕，從而跳轉到相應的實驗界面，擁有多樣性和選擇性。該界面的程序框圖主要是一個循環結構，包含一個事件結構，其中事件1到事件8為實驗類型事件，用戶通過對事件的選擇可以跳轉到不同的VI界面，從而進入不同的實驗界面，對實驗進行操作。事件0是一個判斷按鈕，當用戶點擊該按鈕時為T，則系統會跳出循環結構，終止運行。實驗主界面顯示圖如圖5所示。

3? 通信原理虛擬實驗平臺子模塊實例

該實驗平臺中每個子模塊的設計主要包括3部分，即前面板的設計、框圖和程序的設計、目標和連接器的配置[13]。模擬通信虛擬實驗包括AM、DSB、SSB、FM，數字通信虛擬實驗包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK。本文以DSB和2DPSK實驗為例，展示了基于LabVIEW的通信原理實驗仿真平臺中實驗設計的一般流程。

3.1? 模擬調制解調仿真實驗實例

抑制載波的雙邊帶信號（DSB-SC）時域表達式為[14]：

SDSB（t）=m（t）·c（t）=m（t）·Accos（2πfct+φc）? ? ? ? ? （1）

其中m（t）為基帶調制信號，c（t）為載波，Ac為載波的幅度，fc為載波頻率，φc為載波相位。

設m（t）的傅里葉變換為Mf，則SDSB（t）的傅里葉變換為：

（2）

由（2）式可得，DSB的頻譜中無載波分量。除了比例因子的改變外，其調制過程是簡單地將信號m（t）的頻譜搬到了±fc處。由于DSB信號的包絡與調制信號不一致，故采用相干解調法對DSB信號進行解調。DSB系統程序框圖如圖6（a）所示。

在前面板中，選擇頻率為200 Hz、幅值為1 V的正弦波作為載波，選擇頻率為8 Hz、信號幅值為1 V、高斯標準差為0.23的正弦信號作為調制信號。對調制信號進行DSB調制，對DSB信號進行相干解調。可得調制信號、DSB信號、DSB解調信號、DSB頻譜波形如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，DSB信號的帶寬是基帶信號的2倍，可見DSB信號是以犧牲帶寬換取了較小的載波功率。對DSB信號的頻譜進行分析可得，頻譜的上邊帶和下邊帶呈鏡像對稱，取任何一個邊帶都能包含DSB信號的所有頻譜成分。

3.2? 數字調制解調實驗實例

由于2PSK在解調時，會出現“倒π”現象[14]，所以采用2DPSK方式克服上述缺點。

2PSK信號的時域表達式為[15]：

e2PSK=Acos（2π fct+φn）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：φn為第n個符號的絕對相位，即

（4）

2DPSK調制規則為：

（5）

2DPSK信號的產生是通過兩個基本操作實現的。一是將絕對碼{an}變為相對碼{bn}，變換方法如式（6）。二是對{bn}進行2PSK調制，得到2DPSK信號。

bn=an?bn-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

在2DPSK相干解調中，需要進行碼反變換，即將相對碼{bn}解碼，譯回絕對碼{an}，恢復出基帶信號：

an=bn?bn-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

2DPSK系統程序框圖如圖7（a）所示。在前面板中，將調制方式選擇為DPSK調制，解調方式為相干解調，此時在輸入序列和解調序列中會出現一列相對碼序列。輸入的絕對碼序列為11111000，則相對碼序列為10101111，樣本數1 000，碼速率10 Hz，高斯噪聲標準差0.5，載波頻率設為10 Hz，相位為0。得到的相對碼序列（參考相位為0），調制的時域波形、頻域波形和解調波形分別如圖7（b）所示。從圖7（b）可得，2PSK與2DPSK信號從波形上沒有本質區別。但從解調結果看，2DPSK波形的前后碼元相位差決定數字信息符號，而2PSK波形的一個碼元相位決定數字信息符號。這說明，要想恢復出正確的原信息，必須知道是PSK還是DPSK。

4? 結? 論

通過LabVIEW的通信原理實驗改革設計，不但可以實現通信原理實驗相關功能，而且還可實現在線網絡化，通過動態載入的方式將這些實驗模塊整合封裝在一起，并對該平臺進行網絡發布，使得實驗人員通過互聯網可以遠程操作，完成實驗任務。綜上，該設計平臺實用性強，有利于提高學生的學習興趣、增強學生對理論知識的應用能力，是傳統通信原理實驗教學的重要補充，這也為新工科背景下高校電子類專業通信原理實驗教學改革奠定了一定的基礎。

參考文獻：

[1] 唐輝平.LabVIEW在電類課程實驗仿真中的應用 [D].長沙：湖南師范大學，2013.

[2] 紀藝娟，高鳳強，郭一晶，等.基于LabVIEW和USRP的通信原理虛實結合實驗平臺設計 [J].實驗技術與管理，2019，36（3）：155-158.

[3] 李素平.Simulink仿真在通信原理課程實例教學中的應用 [J].實驗室研究與探索，2018，37（9）：244-247.

[4] 周細鳳，曾榮周，林愿，等.基于NI Multisim和LabVIEW的通信電子線路課程開放式虛擬實驗平臺 [J].實驗科學與技術，2020，18（5）：135-139.

[5] 傅志中，李曉峰，曹永盛，等.通信原理實驗教學改革與探索 [J].實驗室研究與探索，2020，39（5）：156-159.

[6] 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.

[7] 霍曉磊，康霞，張弛，等.通信原理實驗系統的設計與實現 [J].實驗科學與技術，2014，12（5）：136-138.

[8] 張鳴.通信原理仿真實驗系統設計與實現 [J].實驗技術與管理，2013，30（6）：54-57+61.

[9] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通 [M].北京：清華大學出版社，2007.

[10] 楊正.基于LabVIEW的通信原理實驗仿真軟件設計 [D].北京：北京化工大學，2015.

[11] 劉明珠，劉雨晴，喬季軍，等.基于LabVIEW的通信原理虛擬實驗平臺的設計 [J].實驗技術與管理，2015，32（4）：123-126+160.

[12] 屈代明，徐爭光，李瑋，等.虛擬仿真與在線實境技術在通信原理實驗教學中的應用 [J].實驗技術與管理，2020，37（12）：205-209.

[13] 朱艷萍，卞方軍，金聰偉，等.新工科背景下通信原理課程創新性實驗的探索研究 [J].實驗室研究與探索，2021，40（12）：126-131.

[14] 樊昌信，曹麗娜.通信原理：第7版 [M].北京：國防工業出版社，2021.

[15] 林青，鄭杰.2DPSK多參數調整通信系統仿真分析 [J].實驗室研究與探索，2021，40（10）：127-130.

作者簡介：李艷（1991—），女，漢族，寧夏固原人，講師，碩士研究生，研究方向：信息傳輸與信號處理。

收稿日期：2022-09-15

基金項目：寧夏自然科學基金項目（2022AAC03318）；寧夏師范學院校級本科教學項目（NJYKCSZ2209）