基于Nextboard平臺(tái)和LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻帶系統(tǒng)仿真

吉淑嬌，宋冬杰

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于Nextboard平臺(tái)和LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻帶系統(tǒng)仿真

吉淑嬌，宋冬杰

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

利用Nextboard平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻帶系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，采用LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字頻帶系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)。實(shí)驗(yàn)效果表明可以提高學(xué)生創(chuàng)新能力，使所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更靈活。

數(shù)字頻帶系統(tǒng)；仿真；調(diào)制；解調(diào)

0 引言

Nextboard是泛華公司設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便學(xué)生在平臺(tái)上利用實(shí)驗(yàn)?zāi)K搭建電路，并結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，在平臺(tái)的軟面板上實(shí)時(shí)顯示仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，是很不錯(cuò)的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力教學(xué)平臺(tái)[1]。虛擬儀器技術(shù)在教學(xué)設(shè)計(jì)中已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用[2-3]，本設(shè)計(jì)結(jié)合第三方自主開(kāi)發(fā)的通信原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括信號(hào)發(fā)生器模塊、濾波模塊以及擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括二進(jìn)制幅值鍵控(2ASK)的調(diào)制和解調(diào)；二進(jìn)制頻率鍵控(2FSK)的調(diào)制及解調(diào)。這樣的實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生更直觀地了解數(shù)字頻帶系統(tǒng)的信號(hào)傳遞過(guò)程，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟固定、實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后以及學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)程度不高等情況，使學(xué)生邊實(shí)驗(yàn)邊融入自己的思想，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)即可以看到不同情況下的結(jié)果，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣。

1 2ASK調(diào)制及解調(diào)

1.1 2ASK調(diào)制

2ASK調(diào)制原理是2ASK幅移鍵控，即載波的幅度隨著調(diào)制信號(hào)而變化，最簡(jiǎn)單的形式就是載波在二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)控制下的通斷情況，這種方式稱為通-斷鍵控或者開(kāi)關(guān)鍵控。

利用信號(hào)發(fā)生器模塊和雙模開(kāi)關(guān)模塊，在Nextboard上搭建2ASK調(diào)制的硬件電路，如圖2所示，調(diào)用LabVIEW的2ASK調(diào)制程序，在軟面板顯示結(jié)果，和仿真軟件相同。

圖1 ASK解調(diào)硬件電路圖

圖2 ASK調(diào)制軟面板顯示結(jié)果

在LabVIEW編程環(huán)境下，前面板添加“數(shù)值輸入控件”用來(lái)改變輸入數(shù)字序列，添加兩個(gè)“波形圖”用于顯示方波和載波調(diào)制后信號(hào)；在程序面板添加“任意發(fā)生器”模塊結(jié)合for和while循環(huán)，實(shí)現(xiàn)2ASK信號(hào)仿真，其前面板和程序框如圖3和圖4所示。

圖3 ASK調(diào)制信號(hào)前面板

圖4 ASK調(diào)制信號(hào)程序面板

1.2 2ASK解調(diào)

2ASK解調(diào)采用相干解調(diào)法，相干解調(diào)通過(guò)帶通濾波器，再和載波相乘，通過(guò)低通濾波器輸出為解調(diào)信號(hào)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，邏輯值0和1是用方波而非正弦波表示[4]。

在Nextboard硬件平臺(tái)上利用搭建的2ASK解調(diào)硬件電路如圖5所示，用到的模塊包括信號(hào)發(fā)生器、濾波模塊以及擴(kuò)展模塊。通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)展模塊的增益和頻率旋鈕解調(diào)出2ASK解調(diào)結(jié)果如圖6所示，結(jié)果有部分失真，但根據(jù)判別規(guī)則可以得出原始信號(hào)。

圖5 2ASK解調(diào)硬件電路圖

圖6 2ASK調(diào)制軟面板顯示結(jié)果

在LabVIEW編程環(huán)境下，前面板添加兩個(gè)“數(shù)值旋鈕”，用于調(diào)整“載波相位差”和“本地載波頻率”；放置3個(gè)“波形圖”控件分別顯示ASK調(diào)制信號(hào)、相干解調(diào)信號(hào)以及解調(diào)信號(hào)和原序列對(duì)比信號(hào)，解調(diào)后效果良好。程序面板添加“任意發(fā)生器”模塊以及濾波器函數(shù)等實(shí)現(xiàn)2ASK信號(hào)仿真，相干解調(diào)的低通濾波器將信號(hào)的高次諧波去掉了一部分，從而使恢復(fù)出的信號(hào)波形扭曲。由于在經(jīng)過(guò)低通濾波時(shí)不可避免地濾除了部分高頻分量，因此看到的方波并不完美，可用比較器調(diào)節(jié)。

其前面板和程序框如圖7和圖8所示。

圖7 2ASK解調(diào)信號(hào)前面板

圖8 2ASK解調(diào)信號(hào)程序面板

2 2FSK調(diào)制及解調(diào)

2.1 2FSK調(diào)制

2FSK頻移鍵控是二進(jìn)制頻移鍵控，載波頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。2FSK頻移鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種：一種是采用模擬調(diào)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的；第二種是用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)，相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。

在Nextboard硬件平臺(tái)上利用“信號(hào)發(fā)生模塊”和“擴(kuò)展模塊”搭建的2FSK調(diào)制硬件電路圖如圖9所示。實(shí)驗(yàn)前將線性編碼的開(kāi)關(guān)設(shè)置為00，即為NRZ-L模式，將VCO開(kāi)關(guān)切換至低頻狀態(tài)，調(diào)節(jié)頻率旋鈕，使波形頻率最高，在軟面板顯示調(diào)制結(jié)果如圖10所示，信號(hào)頻率不一樣，表現(xiàn)出疏密程度不一。

圖9 2FSK調(diào)制硬件電路圖

圖10 2FSK調(diào)制軟面板顯示結(jié)果

在LabVIEW編程環(huán)境下，程序面板采用兩個(gè)“任意發(fā)生器”模塊結(jié)合兩個(gè)for循環(huán)和case結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制信號(hào)仿真，前面板“載波頻率”以及兩個(gè)信號(hào)的偏差都可調(diào)，前面板和程序框圖如圖11和圖12所示。

圖11 FSK 調(diào)制信號(hào)前面板

圖12 FSK調(diào)制信號(hào)程序面板

2.2 FSK解調(diào)

FSK信號(hào)的調(diào)制方式包含相干解調(diào)、非相干解調(diào)、正交相乘非相干解調(diào)。本仿真實(shí)驗(yàn)采用非相干解調(diào)。FSK的非相干解調(diào)一般采用濾波非相干解調(diào)。輸入的FSK中頻信號(hào)分別經(jīng)過(guò)中心頻率為f1和f2的帶通濾波器，然后分別經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波輸出。最后根據(jù)包絡(luò)檢波器輸出的大小，判斷數(shù)據(jù)比較是1還是0 。

在Nextboard硬件平臺(tái)上利用模塊搭建的FSK解調(diào)硬件電路如圖13所示。將序列生成切換至00編碼方式，調(diào)節(jié)頻率旋鈕，2FSK解調(diào)結(jié)果在軟面板顯示如圖14所示，方波并不完美，可通過(guò)比較器調(diào)節(jié)。

圖13 2 FSK解調(diào)硬件電路圖

圖14 2FSK解調(diào)軟面板顯示結(jié)果

在LabVIEW編程環(huán)境下，前面板放置可調(diào)的“調(diào)制信號(hào)頻率”，放置“旋鈕”控件用于調(diào)整VCO電壓的幅值，“載波頻率”和“FM頻偏”均可調(diào)，幫助輸出信號(hào)達(dá)到所需要的效果，如圖15所示。程序面板由case結(jié)構(gòu)以及濾波器函數(shù)，傅里葉變換函數(shù)等組成，連線如圖16所示，實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制信號(hào)仿真。

圖15 2FSK解調(diào)信號(hào)前面板

圖16 2FSK解調(diào)信號(hào)程序面板

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)結(jié)合硬件電路和軟件仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)頻率系統(tǒng)仿真。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可靈活修改輸入?yún)?shù)，實(shí)時(shí)觀察顯示結(jié)果，并通過(guò)調(diào)整硬件電路的跳線，靈活創(chuàng)建需要的硬件電路，在軟件平臺(tái)也可以通過(guò)更改“載波頻率”、“調(diào)制信號(hào)頻率”等信息，觀察系統(tǒng)輸出結(jié)果，給學(xué)生提供了參與和動(dòng)手的平臺(tái)，取得很好的教學(xué)效果。Nextboard產(chǎn)品具備了模塊化、平臺(tái)化、信息化等特點(diǎn)，這也正是泛華未來(lái)高校產(chǎn)品的研發(fā)趨勢(shì)，區(qū)別于傳統(tǒng)的工程教育產(chǎn)品，它更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用中的生動(dòng)性、交互性、形象性，這也是Nextboard最具創(chuàng)新性的地方，學(xué)生可以在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[5]。

[1] Nextboard.使用手冊(cè)[M].上海：上海泛華測(cè)控系統(tǒng)有限公司，2012.

[2] 吉淑嬌.基于LabVIEW的信號(hào)分析與處理平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,22(2):157-159.

[3] 吉淑嬌，姜利.基于LabVIEW的2PSK系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23(4):415-417.

[4] 孔令彬,李穎,陳向文.2ASK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2010,47 (4):46-47.

[5] 王桔，丁銳.基于Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“測(cè)控電路”課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與探索[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2016, 26(10):122-124.

責(zé)任編輯：程艷艷

Implementation of Simulation of Digital Frequency Band System Based on Nextboard Platform and Lab VIEW

JI Shujiao，SONG Dongjie

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The design for the hardware of digital frequency band system is implemented by using Nextboard platform. The simulation experiment of the system is carried out by LabVIEW. The modulation and demodulation of the digital frequency system is realized on the basis of virtual instrument technology. Experimental results show that the system with more flexible experimental contents can improve students' innovative ability.

digital frequency band system; simulation; modulation; demodulation

2017-01-22

吉淑嬌(1978-)，女，吉林農(nóng)安人，講師，博士，主要從事虛擬儀器及數(shù)字圖像處理等方面研究。

TP391.9

A

1009-3907(2017)04-0004-04