劉葉鋒，周楚婷，朱海榮（通迅作者）

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

0 引言

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

1 系統(tǒng)簡介

根據(jù)通信原理課程的學(xué)習(xí)要求，本系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了10個(gè)實(shí)驗(yàn)，AM 系統(tǒng)、DSB 系統(tǒng)、SSB 系統(tǒng)、FM 系統(tǒng)、PM系統(tǒng)、碼型變換、2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK。幫助學(xué)生更好的理解書本上基本原理，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的作用，從而達(dá)到更加好的教學(xué)效果，本系統(tǒng)所有實(shí)驗(yàn)支持參數(shù)任意調(diào)節(jié)，界面設(shè)計(jì)簡潔友好，能直觀的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并設(shè)計(jì)有系統(tǒng)登錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存，輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告等功能，系統(tǒng)功能完善，能很好的輔助通信原理這門課的學(xué)習(xí)，同時(shí)也適用于工程應(yīng)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(jí)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(jí)語言不一樣的是，labview 提供了非常強(qiáng)大的工具包，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、仿真調(diào)試工具等等，且labview 能夠非常簡單高效的構(gòu)建友好的顯示界面?；谝陨系奶攸c(diǎn)，labview 可以方便的構(gòu)建類似實(shí)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(jīng)常改變儀器參數(shù)和功能的實(shí)驗(yàn)室以及小批量的生產(chǎn)線等場合，本系統(tǒng)正是利用了labveiw 的這些特點(diǎn)，構(gòu)建了類似于實(shí)際通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬儀器系統(tǒng)[2]，擁有實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備的全部功能，且擁有實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備所不具有的靈活更新的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、選擇實(shí)驗(yàn)、輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告、退出系統(tǒng)幾個(gè)部分組成，在登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分，要求輸入學(xué)生的班級(jí)姓名學(xué)號(hào)，選擇實(shí)驗(yàn)部分通過選項(xiàng)卡來選擇所需要做的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)完成后，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來自主選擇是否輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后退出實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

在選擇進(jìn)入每個(gè)實(shí)驗(yàn)后，單個(gè)實(shí)驗(yàn)可以先閱讀實(shí)驗(yàn)說明，然后開始根據(jù)實(shí)驗(yàn)課本要求，進(jìn)行具體參數(shù)的更改，單個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以選擇是否在指定路徑輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后退出實(shí)驗(yàn)，單個(gè)實(shí)驗(yàn)的框架如圖2 所示。

圖2 單個(gè)實(shí)驗(yàn)的框架

■3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的核心是10 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)，采用先分再總的設(shè)計(jì)方式[3]，先設(shè)計(jì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（總共10 個(gè)），最后把10 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過選項(xiàng)卡的方式整合到一個(gè)VI 中。由于篇幅有限下面用FM 系統(tǒng)、碼型變換中的AMI 碼、AM 系統(tǒng)以及最后平臺(tái)的整合來說明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

3.2.1 FM 系統(tǒng)

頻率調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的前面板后面板如圖3 和4 所示。前面板中可設(shè)置各類參數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)、采樣率、載波頻率等。設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后即可得信號(hào)抽樣值、頻率已調(diào)信號(hào)及頻率解調(diào)信號(hào)。以及可以通過波形圖觀察到基帶信號(hào)波形、頻率已調(diào)信號(hào)波形、頻率解調(diào)信號(hào)波形、基帶信號(hào)頻譜、頻率已調(diào)信號(hào)波形。單擊停止按鈕則可以停止While 循環(huán)。

圖3 FM 系統(tǒng)前面板

圖4 FM 系統(tǒng)后面板

在頻率調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成中共調(diào)用三個(gè)子VI 分別為抽樣前后面板如圖5 和圖6 所示，F(xiàn)M 調(diào)制前后面板如圖7和8 所示，F(xiàn)M 解調(diào)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(diào)制前面板

圖8 FM 調(diào)制后面板

圖9 FM 解調(diào)前面板

圖10 FM 解調(diào)后面板

抽樣前面板含有相應(yīng)參數(shù)輸入控件以及抽樣值數(shù)組還可觀察抽樣信號(hào)波形及其頻譜圖，通過改變信號(hào)類型也可改變抽樣信號(hào)結(jié)果。

FM 調(diào)制前面板輸入載波頻率和采樣點(diǎn)數(shù)即可得到調(diào)制信號(hào)波形圖及頻譜圖。

將抽樣信號(hào)經(jīng)微分后與采樣點(diǎn)數(shù)和KF 整除的結(jié)果相乘，在將各類參數(shù)經(jīng)；變化后得到FM 已調(diào)信號(hào)，將已調(diào)信號(hào)經(jīng)FFT 運(yùn)算后得到FM 信號(hào)頻譜圖。

前面板為各類參數(shù)以及FM 解調(diào)后波形。

后面板中將已調(diào)信號(hào)微分得出微分后波形將載波過；變換得出信號(hào)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(diǎn)數(shù)相乘求導(dǎo)后再通過低通濾波器，將所得出波形與采樣點(diǎn)數(shù)的附屬相乘即可得FM 解調(diào)信號(hào)。

3.2.2 碼型變換中的AMI 碼

AMI（Alternative Mark Inversion）碼的全程是傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼，編碼規(guī)則是將信息碼中的“1”交替性的變?yōu)椤?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(shù)據(jù)類型為U32 二進(jìn)制。實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入需要變換的碼型，即可得到相應(yīng)的AMI碼和其波形，單擊停止按鈕可以退出While 循環(huán)。

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(zhuǎn)數(shù)組 子VI 轉(zhuǎn)換為數(shù)組形式，再通過二進(jìn)制有效位數(shù) 子VI 得到消息碼的位數(shù)，輸入至For 循環(huán)，決定循環(huán)的次數(shù)。再讓轉(zhuǎn)為數(shù)組后的消息代碼進(jìn)入For 循環(huán)，若消息碼為“1”則為真進(jìn)入下一條件結(jié)構(gòu)，若為偶數(shù)次“1”則為真輸出“-1”，若為奇數(shù)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(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅也就是一般的雙邊帶調(diào)制，簡稱為AM 調(diào)幅。假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)信號(hào)將這個(gè)信號(hào)與一直流偏離量疊加，再將疊加后的信號(hào)與載波相乘，我們就可以得到這個(gè)信號(hào)的調(diào)幅信號(hào)。當(dāng)原信號(hào)的最大值小于直流偏離時(shí)，AM 波形的包絡(luò)和原信號(hào)的形狀是完全一樣，所以應(yīng)用包絡(luò)檢波法會(huì)更加容易解調(diào)出原始的傳輸信號(hào)。

AM 調(diào)制系統(tǒng)前面板如圖13 所示。通過前面板對基帶頻率、信號(hào)類型、基帶幅值、載波頻率、載波幅值等參數(shù)的設(shè)置，得到所需要的AM 調(diào)制信號(hào)，然后通過波形圖將信號(hào)的基帶、調(diào)制、解調(diào)波形顯示出來。改變一定的參數(shù)值就可以看到相應(yīng)的波形圖發(fā)生變化。

圖13 AM系統(tǒng)前面板

通過圖14 我們可以清楚的看到，發(fā)送端的各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)模塊AM 后產(chǎn)生基帶信號(hào)與AM 信號(hào)，其中AM 信號(hào)產(chǎn)生波形為時(shí)域波形，將基帶信號(hào)和AM 信號(hào)相加后經(jīng)過運(yùn)算得到兩信號(hào)的頻譜圖。另一端將一路AM 信號(hào)送入信道噪聲發(fā)生子VI，其作用為噪聲的添加，再將從信道出來的加噪信號(hào)輸送至接收端，接收端會(huì)將接收到的AM信號(hào)與載波相乘，再將相乘后的信號(hào)送入一個(gè)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(hào)的頻率高，這樣信號(hào)通過濾波器后就能得到解調(diào)后的AM 信號(hào)。

圖14 AM系統(tǒng)后面板

3.2.4 平臺(tái)的整合

類似上面展示的2 個(gè)實(shí)驗(yàn)，將10 個(gè)實(shí)驗(yàn)全部完成后，將所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合后前面板就如圖15 所示，操作者可直接點(diǎn)擊選項(xiàng)卡對實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目進(jìn)行切換，這樣為操作者節(jié)省一個(gè)個(gè)將實(shí)驗(yàn)打開的加載時(shí)間，并且節(jié)約內(nèi)存，所有同樣的子VI 直接調(diào)用即可，不用多次保存，占用資源也拖慢程序的運(yùn)行。

圖15 整合后的實(shí)驗(yàn)前面板

將系統(tǒng)整合之后，新建一個(gè)項(xiàng)目，將整合后的文件添加至創(chuàng)建的項(xiàng)目下，添加登錄界面和保存界面，最后生成應(yīng)用程序，包括源文件位置、生成位置、源文件設(shè)置、程序圖標(biāo)設(shè)計(jì)、調(diào)試優(yōu)化、版本信息、預(yù)覽等和程序有關(guān)的信息。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，由2G 時(shí)代到現(xiàn)在5G 時(shí)代，已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，我們的課本教材內(nèi)容也在不斷的更新，所需要實(shí)驗(yàn)儀器也在不斷的更新?lián)Q代，造成了很多不必要的浪費(fèi)，減少這方面的浪費(fèi)是所有實(shí)驗(yàn)室都要面對的問題，而labview 的特點(diǎn)[4]很好的解決了這個(gè)問題，快捷方便的構(gòu)建和實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器類似的界面，實(shí)現(xiàn)一樣的功能，而且由于是純軟件系統(tǒng)，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(fèi)。相信隨著節(jié)能減排，節(jié)約資源的措施不斷的推進(jìn)，虛擬儀器代替實(shí)體儀器的進(jìn)程會(huì)進(jìn)一步加快，虛擬儀器會(huì)在更多的領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。