基于LabVIEW的通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

李艷 馮仲國

摘? 要：新工科背景下，高校對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性和綜合性提出了更高的要求。針對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)有的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。以DSB和2DPSK實(shí)驗(yàn)為例，介紹了該實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的具體設(shè)計(jì)過程與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于LabVIEW的虛擬仿真平臺(tái)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，有助于提高教學(xué)的實(shí)用性和趣味性，提升學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，滿足新工科發(fā)展的需求。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；通信原理；虛擬儀器；仿真平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN911.4；G642.423? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)室最早在1989年由美國的William Wolf教授提出，用來描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境[1]。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)可以不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，只需一臺(tái)與該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)，便可通過局域網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)[2]。

隨著LabVIEW、MATLAB、System View等虛擬仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用，使得通信原理實(shí)驗(yàn)變得豐富[3，4]。為了研究通信原理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展研究現(xiàn)狀，通過在CNKI數(shù)據(jù)庫中，以“通信原理實(shí)驗(yàn)”為檢索詞，檢索1991年至2021年通信原理實(shí)驗(yàn)的研究文獻(xiàn)，共得到文獻(xiàn)數(shù)據(jù)信息467條，年份與發(fā)文量之間的趨勢(shì)如圖1所示，主題關(guān)鍵詞與發(fā)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(fā)展，高校對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)不再局限于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，開始進(jìn)行改革與創(chuàng)新，而通過圖1（b）的主題關(guān)鍵詞與文獻(xiàn)數(shù)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(xiàn)，說明“新工科”背景下，通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較多的改革與創(chuàng)新。

眾所周知，“通信原理實(shí)驗(yàn)”課程是電子信息以及相關(guān)大類專業(yè)本科學(xué)生的必修課[5]，其教學(xué)手段一般是理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合[6]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限，可擴(kuò)展性差，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是集成化的模塊[7，8]，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)達(dá)不到預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)。本文基于LabVIEW的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)更加便捷的線上線下實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，使之成為真正的開放實(shí)驗(yàn)室。

1? LabVIEW介紹

LabVIEW是一種用圖標(biāo)創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程的方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流決定了程序的執(zhí)行順序，它用圖標(biāo)表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)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(chuàng)建用戶界面[9]，通過相關(guān)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)前面板上對(duì)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(shè)計(jì)步驟包括[11，12]：（1）創(chuàng)建前面板，前面板是現(xiàn)實(shí)儀器的界面，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶對(duì)前面板的操作就是相當(dāng)于對(duì)儀器的操作；（2）創(chuàng)建程序框圖，程序框圖用于實(shí)現(xiàn)功能，相當(dāng)于實(shí)際儀器中內(nèi)部的電路。通過在程序框圖中編程，根據(jù)設(shè)計(jì)的儀器，再根據(jù)程序框圖的特點(diǎn)，理清各個(gè)部分的關(guān)系，連線，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等，完成程序設(shè)計(jì)；（3）目標(biāo)和連接器的配置，完成前面板和程序框圖創(chuàng)建后會(huì)有很多的錯(cuò)誤，這時(shí)需要進(jìn)行調(diào)配置，直至理論分析與仿真結(jié)果相符。

2? 通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)

通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)劃分為用戶登錄界面、實(shí)驗(yàn)主界面兩大功能模塊，在實(shí)驗(yàn)主界面模塊中包含有8個(gè)子模塊，即4個(gè)模擬通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和4個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。整體框架如圖3所示。

圖4為登錄界面：用戶登錄界面的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了事件嵌套的邏輯功能，在該結(jié)構(gòu)內(nèi)包含一個(gè)事件結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)。登錄界面程序框圖如圖4（a）所示。用戶用給定的賬號(hào)和密碼進(jìn)行登錄，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，登錄界面如圖4（b）所示。

實(shí)驗(yàn)主界面：實(shí)驗(yàn)選擇引導(dǎo)界面，該界面包含了模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)的相關(guān)驗(yàn)，共計(jì)8個(gè)測(cè)試子模塊功能。用戶通過點(diǎn)擊相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)按鈕，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面，擁有多樣性和選擇性。該界面的程序框圖主要是一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)事件結(jié)構(gòu)，其中事件1到事件8為實(shí)驗(yàn)類型事件，用戶通過對(duì)事件的選擇可以跳轉(zhuǎn)到不同的VI界面，從而進(jìn)入不同的實(shí)驗(yàn)界面，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作。事件0是一個(gè)判斷按鈕，當(dāng)用戶點(diǎn)擊該按鈕時(shí)為T，則系統(tǒng)會(huì)跳出循環(huán)結(jié)構(gòu)，終止運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)主界面顯示圖如圖5所示。

3? 通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)子模塊實(shí)例

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中每個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)主要包括3部分，即前面板的設(shè)計(jì)、框圖和程序的設(shè)計(jì)、目標(biāo)和連接器的配置[13]。模擬通信虛擬實(shí)驗(yàn)包括AM、DSB、SSB、FM，數(shù)字通信虛擬實(shí)驗(yàn)包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK。本文以DSB和2DPSK實(shí)驗(yàn)為例，展示了基于LabVIEW的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般流程。

3.1? 模擬調(diào)制解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例

抑制載波的雙邊帶信號(hào)（DSB-SC）時(shí)域表達(dá)式為[14]：

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

其中m（t）為基帶調(diào)制信號(hào)，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(shè)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(diào)制過程是簡單地將信號(hào)m（t）的頻譜搬到了±fc處。由于DSB信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)不一致，故采用相干解調(diào)法對(duì)DSB信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。DSB系統(tǒng)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(hào)幅值為1 V、高斯標(biāo)準(zhǔn)差為0.23的正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行DSB調(diào)制，對(duì)DSB信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)?？傻谜{(diào)制信號(hào)、DSB信號(hào)、DSB解調(diào)信號(hào)、DSB頻譜波形如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，DSB信號(hào)的帶寬是基帶信號(hào)的2倍，可見DSB信號(hào)是以犧牲帶寬換取了較小的載波功率。對(duì)DSB信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析可得，頻譜的上邊帶和下邊帶呈鏡像對(duì)稱，取任何一個(gè)邊帶都能包含DSB信號(hào)的所有頻譜成分。

3.2? 數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)實(shí)例

由于2PSK在解調(diào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“倒π”現(xiàn)象[14]，所以采用2DPSK方式克服上述缺點(diǎn)。

2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為[15]：

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

式中：φn為第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位，即

（4）

2DPSK調(diào)制規(guī)則為：

（5）

2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生是通過兩個(gè)基本操作實(shí)現(xiàn)的。一是將絕對(duì)碼{an}變?yōu)橄鄬?duì)碼{bn}，變換方法如式（6）。二是對(duì){bn}進(jìn)行2PSK調(diào)制，得到2DPSK信號(hào)。

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

在2DPSK相干解調(diào)中，需要進(jìn)行碼反變換，即將相對(duì)碼{bn}解碼，譯回絕對(duì)碼{an}，恢復(fù)出基帶信號(hào)：

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

2DPSK系統(tǒng)程序框圖如圖7（a）所示。在前面板中，將調(diào)制方式選擇為DPSK調(diào)制，解調(diào)方式為相干解調(diào)，此時(shí)在輸入序列和解調(diào)序列中會(huì)出現(xiàn)一列相對(duì)碼序列。輸入的絕對(duì)碼序列為11111000，則相對(duì)碼序列為10101111，樣本數(shù)1 000，碼速率10 Hz，高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差0.5，載波頻率設(shè)為10 Hz，相位為0。得到的相對(duì)碼序列（參考相位為0），調(diào)制的時(shí)域波形、頻域波形和解調(diào)波形分別如圖7（b）所示。從圖7（b）可得，2PSK與2DPSK信號(hào)從波形上沒有本質(zhì)區(qū)別。但從解調(diào)結(jié)果看，2DPSK波形的前后碼元相位差決定數(shù)字信息符號(hào)，而2PSK波形的一個(gè)碼元相位決定數(shù)字信息符號(hào)。這說明，要想恢復(fù)出正確的原信息，必須知道是PSK還是DPSK。

4? 結(jié)? 論

通過LabVIEW的通信原理實(shí)驗(yàn)改革設(shè)計(jì)，不但可以實(shí)現(xiàn)通信原理實(shí)驗(yàn)相關(guān)功能，而且還可實(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)化，通過動(dòng)態(tài)載入的方式將這些實(shí)驗(yàn)?zāi)K整合封裝在一起，并對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使得實(shí)驗(yàn)人員通過互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程操作，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。綜上，該設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)用性強(qiáng)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力，是傳統(tǒng)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，這也為新工科背景下高校電子類專業(yè)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革奠定了一定的基礎(chǔ)。

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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(hào)處理。

收稿日期：2022-09-15

基金項(xiàng)目：寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022AAC03318）；寧夏師范學(xué)院校級(jí)本科教學(xué)項(xiàng)目（NJYKCSZ2209）