聂伟+杨正
摘 要： 设计并实现了一种基于LabVIEW的模拟通信实验系统。通过模块化的设计，实现了信号、调制方式、信道噪声、解调方式以及相关参数的任意组合，直观地展示了不同模块对通信系统的影响。该系统很好地弥补了硬件实验系统的不足，帮助学生更好的理解、加深和提高了对相关知识概念的学习。
关键词： 实验教学； 调制解调； 滤波器； LabVIEW
中图分类号： TN710?34； TP39 文献标识码： A 文章编号： 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
模拟通信是通信电子线路和通信原理课程的重要内容，也是继续学习其他通信系统的基础。其特点是原理多，概念多，系统性强，理解起来很抽象[1]。开展实验教学，是加深学生对理论知识的理解，贯通各知识点的有效途径。在传统的实验教学中，因为存在着如电子元器件老化、显示设备精度受限等问题，导致硬件实验箱中产生的结果和理论教学中展示的结果有差距，使得学生对相关知识点和概念的理解不够直观、记忆不牢靠。虚拟的软件实验系统可以很好的弥补这个差距，起到了连接二者的桥梁作用，帮助学生更好的理解、加深和提高了对相关知识概念的学习；实验箱中的硬件电路固定，无法通过更换不同模块满足更多的实验要求，资源利用效率较低。可以通过软件编程的方法，使得不同功能模块相互组合，实现更多的实验项目，补充和支持了硬件实验教学。
LabVIEW是目前最具有影响力的虚拟仪器开发平台之一，其中的G语言是一种容易辨识和理解的图形化编程语言，适用于概念多，理解困难的课程教学[2?3]。基于虚拟仪器“软件就是仪器”的理念，发挥LabVIEW在构建仪器上的灵活性和创造性的特点[3]，使用软件程序替代传统硬件电路，设计和实现了本文介绍的虚拟的模拟通信，系统摆脱了时间和空间对实验的束缚，去除了实验中不可控的因素，可以根据实验需要更换功能模块。文献[4?7]介绍了利用LabVIEW对模拟通信系统中相关知识点的仿真设计。文献[8?9]对将LabVIEW应用在实验教学中进行了研究，每一个子VI都是一个小的实验项目，可以对相关知识点进行仿真验证。本文介绍的模拟通信实验系统，在上述文献取得的成果的基础上，将不同的功能模块整合进一个程序中，形成了统一的实验平台；在设计上采用了模块化设计，使得调制与解调模块可以相互组合，形成不同的通信系统；操作界面友好，可调参数多，数值范围大，波形显示界面直观清晰。可将本实验系统安装在任意一台计算机上，随时进行实验。本系统中的调制模块可选AM，DSB，SSB，FM。解调模块包括同步解调和非同步解调。
1 实验系统设计
1.1 功能模块的设计
模拟通信系统由信号源（调制信号，载波信号），调制，信道噪声，解调等部分组成，如图1所示。
图1 模拟通信系统结构图
依据图1设计的实验系统程序框图如图2所示。从左至右依次为信号发生、调制、解调、和波形显示模块。使用While程序结构来保证整个系统的循环运行。在调制和解调模块中，均采用Case结构来实现不同功能的切换。利用Build Waveform函数解决了不同调制方式，因为实现方式不同，导致数据类型不一致的问题，使得调制模块与解调模块进行任意的组合。在波形显示模块中，同样通过Build Waveform函数实现Waveform Graph接收的数据类型保持一致。为了更好地展示不同的噪声对信号的影响，对图1的结构做出适当修改，在程序框图中，将信道噪声直接加在了形式相对简单的调制信号上。
图2 功能实现程序框图
系统中，AM，DSB，FM，PM均根据数学原理实现。SSB选取的是下边带调制，信号产生方法采用的是选择性滤波器法，如图3所示。滤波器可选切比雪夫、巴特沃兹或椭圆滤波器[10]。
图3 SSB原理图
通信系统中，解调方式包括同步解调和非同步解调。同步解调原理如图4所示。
图4 同步解调框图
在实现同步解调的程序中，利用局部变量将载波的相关信息传递至解调模块，替代了利用锁相环实现载波同步的功能。
非同步解调采用的是峰值包络解调法，包络提取方法为希尔伯特变换[11]。
一个实信号[x（t）]的希尔伯特变换定义为：
[x（t）=1π-∞∞x（τ）t-πdτ] （1）
于是得到[x（t）]解析信号：
[x+（t）=x（t）+jx（t）] （2）
[x+（t）]的幅值：
[a（t）=x（t）2+x（t）2] （3）
便是原始实信号的包络。
FM信号的包络是恒定的，等于载波幅度。为了使用包络检波法解调出FM信号，可先将FM信号经过微分变成调幅?调频波，其幅度与FM信号的瞬时频率成正比。再用包络检波的方法就可解调出调制信号，如图5所示。
[fm=]1 kHz，[fc=]5 kHz，[Δf=2 ]kHz
图5 FM调制解调波形图调制信号为三角波
1.2 用户操作界面的设计
一个简洁友好的用户交互界面可以提高学生进行实验的效率。通过参数控制与显示模块，程序如图6所示，使得在一个用户界面上就可以完成不同的实验项目，将模块化设计带来的优势很好地展现出来。依据调制和解调组合方式不同，进行逻辑判断，显示与目前调制解调方式相关的参数选项控件，隐藏无关的前面板控件。
图6 参数控制与显示程序图
用户可以在前面板的左侧顶部的调制方式下拉菜单选项中选择一种调制方式，包括幅度调制AM、双边带调制DSB、单边带调制SSB、频率调制FM。当用户选择AM时，调制方式下拉菜单旁边会出现调幅灵敏度，调制百分比，以及过调制指示器控件。当选择FM时，其他调制方式的对应的参数选择则会隐藏，只出现频率灵敏度，频偏控件。
解调方式选项卡中，可以选择与调制方式相对应的解调方式。当调制方式选择AM时，可以选择同步解调或者非同步解调。选择非同步解调时，则会出现相位差设置框。当调制方式为DSB和SSB时，因为调制信号并不直接表现为调幅信号的包络，故只能采用同步解调方法才能获得无失真的解调，此时非同步解调方式被禁用。调制方式为FM时，同步解调选项被禁用，只能选择非同步解调。
调制信号和载波信号包括正弦波，方波，三角波，锯齿波，频率可在0～100 kHz间调整。用户可以选择是否给通信系统添加信道噪声，包括正太分布的白噪声，高斯分布白噪声，泊松分布噪声，伯努利噪声，周期随机噪声，每个噪声选项都有相对应的参数可供调整。一般的信号发生器实验时是无法产生叠加了上述噪声的信号。
在前面板的波形显示窗口区域，从上至下分别对应调制信号，已调信号，解调信号的时域和频域波形图。
在完成实验系统的程序和前面板设计后，通过LabVIEW的项目管理器将代码打包成安装程序，之后就可以安装到任何一台计算机上操作该实验系统了，很好地摆脱了硬件实验室在时间和空间上的限制，如图7所示。
图7 实验系统安装程序
2 仿真与结果分析
2.1 AM调制解调
假设调制信号[m（t），]调制频率[fm，]已调信号[s（t），]解调信号[v0（t），]载波幅度[A0，]载波频率[fc。]
在AM系统中：
[s（t）=Ac[1+kam（t）]cos（2πfct）] （4）
[s（t）]的傅里叶变换为：
[S（f）=Ac2δ（f-fc）+δ（f+fc）+kaAc2M（f-fc）+M（f+fc）] （5）
式中：[ka]称为调幅灵敏度。[kam（t）]取绝对值后，将其最大值乘以100，乘积称为调制百分比，记为[m。]
当[m≤1]时，已调信号[s（t）]的幅度随调制信号[m（t）]而变化，如图8（a）和（b）所示。
当[m>1]时，载波变成了过调幅，导致当因子[1+kam（t）]过零时，载波相位发生反转，已调信号出现包络失真，如图8（c）所示，此时过调制指示器亮起，在已调信号的时域波形图中可以清晰的看到载波相位反转。
图8 AM的过调制
当出现过调幅，产生了包络失真的时候，包络检波器不能正确解调出调制信号，如图9（a）所示。但是同步解调依然可以正常解调出调制信号，如图9（b）所示。
2.2 SSB中滤波器性能的比较
依次选择不同的滤波器，观察SSB已调信号频域波形图中上边带的大小，原理如图10所示。可以看出，当椭圆滤波器作为低通滤波器时，已调信号的上边带分量最小，频率选择性最好。当巴特沃兹滤波器为低通滤波器时，上边带剩余最多，频率选择性最差。
2.3 检波器的门限效应
包络检波器是非线性检测器，存在门限效应。当载噪比低于门限值的时候，检波器的噪声性能迅速恶化。在相干检测器中，不存在门限效应。
FM系统中，在载波幅度一定的情况下，噪声幅度较小时，检波器可以解调出调制信号，如图11（a）所示。当噪声幅度增大，使得载噪比超过门限值的时候，检波器性能开始急剧下降，无法解调出调制信号，如图11（b）所示。
AM系统中，在相关参数不变的情况下，只改变解调方式，如图12所示，相干解调能比检波器更好地解调出调制信号，验证了相干解调不存在门限效应。
从以上仿真中可以看出，所得结果与理论知识一致，证明了设计的正确性。
3 结 语
本虚拟实验系统操作界面友好，交互性强。覆盖了模拟通信系统理论教学中的大部分知识点，做到了将抽象的内容具体化，复杂的概念简单化。与传统的硬件实验设备相比较，由于本系统应用了模块化设计的思想，使得系统具有良好的扩展功能，能够很好地满足模拟通信系统验证性实验的需求，是一套很好的辅助教学工具。
参考文献
[1] 杨辉，刘毓，孙爱晶.通信原理教学方法的探索和实践[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] 尹念东.虚拟仪器技术及其应用前景[J].计量与测试技术，2002，29（6）：34?36.
[4] 于波，刘祥楼，韩建.基于LabVIEW的模拟调制实验仪的设计[J].微计算机信息，2007，23（5）：185?186.
[5] 张松华，何怡刚.基于LabVIEW的通信电子线路实验仿真[J].仪表技术，2009（4）：19?20.
[6] 李环，任波.虚拟仪器通信原理教学平台的设计与开发[J].现代教育技术，2011，19（6）：107?110.
[7] 练峰海，石启亮.基于LabVIEW的调制器设计与实现[J].科学技术与工程，2012，12（25）：89?91.
[8] 刘翠响，王宝珠，贾志成.LabVIEW在“高频电子线路”实验教学中的应用[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：89?91.
[9] 王莉，陈虹.基于LabVIEW的通信原理试验研究与实现[J].仪表技术，2007（10）：10?12.
[10] 周蓉，马胜前.高阶开关电容滤波器的设计和仿真[J].电子测量技术，2010，33（2）：22?25.
[11] 张绪省，朱贻盛，成晓雄，等.信号包络提取方法：从希尔伯特变换到小波变换[J].电子科学学刊，1997（1）：120?123.
FM系统中，在载波幅度一定的情况下，噪声幅度较小时，检波器可以解调出调制信号，如图11（a）所示。当噪声幅度增大，使得载噪比超过门限值的时候，检波器性能开始急剧下降，无法解调出调制信号，如图11（b）所示。
AM系统中，在相关参数不变的情况下，只改变解调方式，如图12所示，相干解调能比检波器更好地解调出调制信号，验证了相干解调不存在门限效应。
从以上仿真中可以看出，所得结果与理论知识一致，证明了设计的正确性。
3 结 语
本虚拟实验系统操作界面友好，交互性强。覆盖了模拟通信系统理论教学中的大部分知识点，做到了将抽象的内容具体化，复杂的概念简单化。与传统的硬件实验设备相比较，由于本系统应用了模块化设计的思想，使得系统具有良好的扩展功能，能够很好地满足模拟通信系统验证性实验的需求，是一套很好的辅助教学工具。
参考文献
[1] 杨辉，刘毓，孙爱晶.通信原理教学方法的探索和实践[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] 尹念东.虚拟仪器技术及其应用前景[J].计量与测试技术，2002，29（6）：34?36.
[4] 于波，刘祥楼，韩建.基于LabVIEW的模拟调制实验仪的设计[J].微计算机信息，2007，23（5）：185?186.
[5] 张松华，何怡刚.基于LabVIEW的通信电子线路实验仿真[J].仪表技术，2009（4）：19?20.
[6] 李环，任波.虚拟仪器通信原理教学平台的设计与开发[J].现代教育技术，2011，19（6）：107?110.
[7] 练峰海，石启亮.基于LabVIEW的调制器设计与实现[J].科学技术与工程，2012，12（25）：89?91.
[8] 刘翠响，王宝珠，贾志成.LabVIEW在“高频电子线路”实验教学中的应用[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：89?91.
[9] 王莉，陈虹.基于LabVIEW的通信原理试验研究与实现[J].仪表技术，2007（10）：10?12.
[10] 周蓉，马胜前.高阶开关电容滤波器的设计和仿真[J].电子测量技术，2010，33（2）：22?25.
[11] 张绪省，朱贻盛，成晓雄，等.信号包络提取方法：从希尔伯特变换到小波变换[J].电子科学学刊，1997（1）：120?123.
FM系统中，在载波幅度一定的情况下，噪声幅度较小时，检波器可以解调出调制信号，如图11（a）所示。当噪声幅度增大，使得载噪比超过门限值的时候，检波器性能开始急剧下降，无法解调出调制信号，如图11（b）所示。
AM系统中，在相关参数不变的情况下，只改变解调方式，如图12所示，相干解调能比检波器更好地解调出调制信号，验证了相干解调不存在门限效应。
从以上仿真中可以看出，所得结果与理论知识一致，证明了设计的正确性。
3 结 语
本虚拟实验系统操作界面友好，交互性强。覆盖了模拟通信系统理论教学中的大部分知识点，做到了将抽象的内容具体化，复杂的概念简单化。与传统的硬件实验设备相比较，由于本系统应用了模块化设计的思想，使得系统具有良好的扩展功能，能够很好地满足模拟通信系统验证性实验的需求，是一套很好的辅助教学工具。
参考文献
[1] 杨辉，刘毓，孙爱晶.通信原理教学方法的探索和实践[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] 尹念东.虚拟仪器技术及其应用前景[J].计量与测试技术，2002，29（6）：34?36.
[4] 于波，刘祥楼，韩建.基于LabVIEW的模拟调制实验仪的设计[J].微计算机信息，2007，23（5）：185?186.
[5] 张松华，何怡刚.基于LabVIEW的通信电子线路实验仿真[J].仪表技术，2009（4）：19?20.
[6] 李环，任波.虚拟仪器通信原理教学平台的设计与开发[J].现代教育技术，2011，19（6）：107?110.
[7] 练峰海，石启亮.基于LabVIEW的调制器设计与实现[J].科学技术与工程，2012，12（25）：89?91.
[8] 刘翠响，王宝珠，贾志成.LabVIEW在“高频电子线路”实验教学中的应用[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：89?91.
[9] 王莉，陈虹.基于LabVIEW的通信原理试验研究与实现[J].仪表技术，2007（10）：10?12.
[10] 周蓉，马胜前.高阶开关电容滤波器的设计和仿真[J].电子测量技术，2010，33（2）：22?25.
[11] 张绪省，朱贻盛，成晓雄，等.信号包络提取方法：从希尔伯特变换到小波变换[J].电子科学学刊，1997（1）：120?123.
