基于LabVIEW的通信原理教輔平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉婉妮，雷 欣

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

《通信原理》是通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的緊密結(jié)合，該課程越來越顯示出其重要性。然而該課程特點(diǎn)是：知識(shí)面廣、內(nèi)容多、概念抽象，學(xué)生學(xué)起來比較吃力，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決這一問題的主要途徑。目前多數(shù)高等院校的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采取 “實(shí)驗(yàn)+儀器”的傳統(tǒng)模式。通過調(diào)研分析，了解到我校即西安歐亞學(xué)院在通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一定問題：

1）實(shí)驗(yàn)成本高，設(shè)備數(shù)量有限。在本課程已開設(shè)的實(shí)驗(yàn)中，所需的儀器有實(shí)驗(yàn)箱、信號(hào)發(fā)生器、示波器等。這些設(shè)備價(jià)格都非常昂貴，而學(xué)校投資有限，設(shè)備購置少，更新慢。

2）儀器損耗大。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生素質(zhì)參差不齊，不熟悉電路連接，儀器損壞，設(shè)備燒毀等現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。這不僅導(dǎo)致設(shè)備的非正常損耗，也可能威脅學(xué)生的人身安全。據(jù)調(diào)查，我校平均每年需花費(fèi)一定的財(cái)力進(jìn)行設(shè)備的維修、儀器的重復(fù)引進(jìn)和消耗材料的資金投入。

3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間受限。目前由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)室由專人管理，不能隨意開放，學(xué)生只能在規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，設(shè)備的利用率為40%～60%左右。這樣既不能充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器的作用，學(xué)生的創(chuàng)作潛能也受到限制。

4）實(shí)驗(yàn)涉及面窄，知識(shí)點(diǎn)涵蓋不全。該課程所安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般也只能使用示波器進(jìn)行時(shí)域分析，作為頻域分析必備的頻譜分析儀在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著非常重要的作用，但因其價(jià)格的昂貴，并沒有配備，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不能夠達(dá)到全面輔助教學(xué)的目的。

5）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教師通常會(huì)詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作步驟，以避免學(xué)生由于知識(shí)掌握不透徹引起各種突發(fā)事件。據(jù)調(diào)查顯示，這一教學(xué)模式盡管降低了儀器損毀的幾率，但同時(shí)也降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

鑒于上述原因，針對(duì)我校通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)各方面因素及當(dāng)前國內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，建設(shè)開發(fā)通信原理教學(xué)輔助平臺(tái)主要是為了解決我校根本沒有財(cái)力購買昂貴的硬件通信實(shí)驗(yàn)設(shè)備，又必須解決通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題。以便在不增加教學(xué)成本的前提下，提高教學(xué)質(zhì)量，打破時(shí)間、空間限制，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

1 LabVIEW的特點(diǎn)

美國NI公司推出的LabVIEW語言是一種面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言，使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其他應(yīng)用程序通信的VI庫。LabVIEW作為目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、通信仿真等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。

LabVIEW程序主要包括兩部分：前面板（即人機(jī)界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示[2]。框圖程序應(yīng)用圖形編程語言編寫，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼，用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序。LabVIEW擁有流程圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)的束縛。在編寫方塊圖程序時(shí)，只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo)，然后再以線條相互連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。下面以數(shù)字基帶仿真系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)為例進(jìn)行敘述。

2 數(shù)字基帶系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)仿真

2.1 設(shè)計(jì)思路

數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由信道信號(hào)形成器、信道、接收濾波器、和抽樣判決器構(gòu)成[3]。

圖1 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of digital baseband communication

依據(jù)數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)調(diào)試后的綜合數(shù)字基帶仿真系統(tǒng)的前后面板如圖2、圖3所示，本系統(tǒng)的仿真思路是將每個(gè)組成部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)VI程序，每個(gè)子VI均可作為一個(gè)功能模塊被重復(fù)使用。前面板可以進(jìn)行原消息代碼、高斯噪聲等參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)行后可以觀察信道的輸出波形及眼圖，分析接收碼元的準(zhǔn)確性。改變Ts或噪聲幅度，可以對(duì)比前后輸出波形的變化。后面板由CMI碼.vi、發(fā)送濾波器.vi、噪聲.vi、接收濾波器.vi、模 2判決器.vi、眼圖.vi 6個(gè)模塊構(gòu)成。

圖2 數(shù)字基帶通信仿真系統(tǒng)的前面板Fig.2 Front panel of digital baseband communication simulation system

圖3 數(shù)字基帶通信仿真系統(tǒng)的后面板Fig.3 Rearpanelofthedigitalbasebandcommunicationsimulationsystem

2.2 仿真系統(tǒng)各子VI的設(shè)計(jì)

1）CMI碼變換器 傳輸碼的選擇取決于實(shí)際信道特性和系統(tǒng)工作條件，傳輸碼型種類較多，本系統(tǒng)采用雙向碼，這種碼既能提供足夠的定時(shí)分量，又無直流漂移，編碼過程簡(jiǎn)單。雙向碼變換器的后面板如圖4所示，在For語句中，“二進(jìn)制位數(shù)”子VI確定循環(huán)次數(shù)N，每次從數(shù)組中提取一個(gè)元素進(jìn)行判斷，當(dāng)元素為“1”時(shí)，生成“10”碼元，為“0”時(shí)，生成“01”碼元，再經(jīng)“二維轉(zhuǎn)一維”子 VI賦值給輸出控件[4]。

圖4 CMI碼變換器后面板Fig.4 Rear panel of CMI code converter

2）發(fā)送濾波器 輸入碼元ak先經(jīng)預(yù)編碼得到bk，再利用For循環(huán)以次用bk的每個(gè)碼元與g（t）相乘，形成一組二維數(shù)組，最后再經(jīng)過第二個(gè)For循環(huán)，利用移位寄存器將形成的二維數(shù)組列向相加，形成輸出波形送入信道。發(fā)送濾波器后面板如圖5所示。

圖5 發(fā)送濾波器后面板Fig.5 Rear panel of sending filter

3）信道 “信道噪聲.VI”是利用“Uniform White Noise Waveform”子VI，生成均衡白噪聲波形，用 “Get Waveform Components”函數(shù)將生成的數(shù)據(jù)作為噪聲與送進(jìn)來的CMI信號(hào)相加。

4）接收濾波器 其作用是用來接收信號(hào)，盡可能排除信道噪聲和其他干擾，并對(duì)失真波形均衡，從而產(chǎn)生有利于抽樣判決器判決的波形。該程序的主要功能是完成對(duì)信道中接收的碼元進(jìn)行抽樣。在For語句中，通過“碼元個(gè)數(shù)”確定循環(huán)次數(shù)，通過（50-Ts/2+Ts*i）來判斷抽取哪個(gè)值。

5）抽樣判決器 在噪聲背景下用來判定與再生基帶信號(hào)，在接收數(shù)字信號(hào)時(shí)只要在規(guī)定時(shí)刻（由定時(shí)脈沖控制）判別出它是“1”還是“0”即可。仿真時(shí)是對(duì)抽樣輸出的值進(jìn)行模2判斷，從而恢復(fù)信號(hào)。在For語句中，逐個(gè)對(duì)抽樣值進(jìn)行判決，當(dāng)抽樣值在0.5與1.5之間時(shí)，輸出為1，其余為0。

圖6 接收濾波器后面板Fig.6 Rear panel of receiving filter

圖7 抽樣判決器后面板Fig.7 Rear panel of sampling decision device

6）眼圖 眼圖是用示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期與接收碼元的周期嚴(yán)格同步，一般用位定時(shí)信號(hào)作為掃描同步信號(hào)，利用示波器顯示屏的余輝效應(yīng)，連續(xù)掃描的使得各碼元的波形重疊起來，產(chǎn)生象眼睛的圖像[5]。

調(diào)用上述VI模塊，可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的數(shù)字基帶通信系統(tǒng)。通過調(diào)整參數(shù)，記錄各點(diǎn)數(shù)據(jù)，觀察波形變化，對(duì)系統(tǒng)的頻帶利用率、碼間干擾性能、眼圖等進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語

基于LabVIEW的通信原理教輔平臺(tái)涵蓋通信原理課程的主要內(nèi)容，提供了可供調(diào)用的通信模塊，各子模塊相互獨(dú)立，便于后續(xù)的擴(kuò)充和完善，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，解決了理論教學(xué)的難題。但是在實(shí)際應(yīng)用中要把握好虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)只是實(shí)際實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，它不能從根本上替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)以達(dá)到培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)際能力的功能，只能盡可能給學(xué)生提供更多理解抽象原理、模擬實(shí)驗(yàn)的條件，相當(dāng)于對(duì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前進(jìn)行模擬訓(xùn)練，仿真教輔平臺(tái)必須與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相輔相成，共同作用，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力[6]。

[1]李瑞，周冰，胡仁喜.LabVIEW 2009中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]樊昌信.通信原理 [M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4]李環(huán)，任波，華宇寧.通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]田豐.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（11）：89-90.

TIAN Feng.The research of virtual experiment and real experimentintegration[J].ExperimentalTechnology and Management，2005，22（11）:89-90.