基于LabVIEW的通信原理教辅平台设计

刘婉妮，雷 欣

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

《通信原理》是通信工程专业一门重要的专业课程，特别是随着计算机技术与通信技术的紧密结合，该课程越来越显示出其重要性。然而该课程特点是：知识面广、内容多、概念抽象，学生学起来比较吃力，加强实验教学是解决这一问题的主要途径。目前多数高等院校的实验环节采取 “实验+仪器”的传统模式。通过调研分析，了解到我校即西安欧亚学院在通信原理课程实验教学中存在一定问题：

1）实验成本高，设备数量有限。在本课程已开设的实验中，所需的仪器有实验箱、信号发生器、示波器等。这些设备价格都非常昂贵，而学校投资有限，设备购置少，更新慢。

2）仪器损耗大。实验过程中，学生素质参差不齐，不熟悉电路连接，仪器损坏，设备烧毁等现象也时有发生。这不仅导致设备的非正常损耗，也可能威胁学生的人身安全。据调查，我校平均每年需花费一定的财力进行设备的维修、仪器的重复引进和消耗材料的资金投入。

3）实验时间、空间受限。目前由于实验设备昂贵，实验室由专人管理，不能随意开放，学生只能在规定的时间进行实验操作，设备的利用率为40%～60%左右。这样既不能充分发挥现有仪器的作用，学生的创作潜能也受到限制。

4）实验涉及面窄，知识点涵盖不全。该课程所安排的实验内容多为演示、验证性实验。另外，实验结果一般也只能使用示波器进行时域分析，作为频域分析必备的频谱分析仪在教学实验中有着非常重要的作用，但因其价格的昂贵，并没有配备，因此实验环节不能够达到全面辅助教学的目的。

5）学生学习兴趣低。传统实验教学中，实验教师通常会详细介绍实验内容和操作步骤，以避免学生由于知识掌握不透彻引起各种突发事件。据调查显示，这一教学模式尽管降低了仪器损毁的几率，但同时也降低了学生的学习兴趣。

鉴于上述原因，针对我校通信原理课程实验教学各方面因素及当前国内外虚拟实验现状，建设开发通信原理教学辅助平台主要是为了解决我校根本没有财力购买昂贵的硬件通信实验设备，又必须解决通信课程的实验教学问题。以便在不增加教学成本的前提下，提高教学质量，打破时间、空间限制，增加学生学习兴趣。

1 LabVIEW的特点

美国NI公司推出的LabVIEW语言是一种面向对象的图形化编程语言，使用图标代替文本代码创建应用程序，拥有大量与其他应用程序通信的VI库。LabVIEW作为目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、通信仿真等领域获得了广泛的应用[1]。

LabVIEW程序主要包括两部分：前面板（即人机界面）和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器的面板操作，可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示[2]。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码，用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序。LabVIEW拥有流程图程序设计语言的特点，摆脱了传统程序语言线性结构的束缚。在编写方块图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后再以线条相互连接，即可实现数据的传输。下面以数字基带仿真系统综合设计为例进行叙述。

2 数字基带系统综合设计仿真

2.1 设计思路

数字基带通信系统的基本结构如图1所示，主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器、和抽样判决器构成[3]。

图1 数字基带通信系统结构图Fig.1 System structure of digital baseband communication

依据数字基带通信系统的结构，设计调试后的综合数字基带仿真系统的前后面板如图2、图3所示，本系统的仿真思路是将每个组成部分单独设计成一个VI程序，每个子VI均可作为一个功能模块被重复使用。前面板可以进行原消息代码、高斯噪声等参数的设置，运行后可以观察信道的输出波形及眼图，分析接收码元的准确性。改变Ts或噪声幅度，可以对比前后输出波形的变化。后面板由CMI码.vi、发送滤波器.vi、噪声.vi、接收滤波器.vi、模 2判决器.vi、眼图.vi 6个模块构成。

图2 数字基带通信仿真系统的前面板Fig.2 Front panel of digital baseband communication simulation system

图3 数字基带通信仿真系统的后面板Fig.3 Rearpanelofthedigitalbasebandcommunicationsimulationsystem

2.2 仿真系统各子VI的设计

1）CMI码变换器 传输码的选择取决于实际信道特性和系统工作条件，传输码型种类较多，本系统采用双向码，这种码既能提供足够的定时分量，又无直流漂移，编码过程简单。双向码变换器的后面板如图4所示，在For语句中，“二进制位数”子VI确定循环次数N，每次从数组中提取一个元素进行判断，当元素为“1”时，生成“10”码元，为“0”时，生成“01”码元，再经“二维转一维”子 VI赋值给输出控件[4]。

图4 CMI码变换器后面板Fig.4 Rear panel of CMI code converter

2）发送滤波器 输入码元ak先经预编码得到bk，再利用For循环以次用bk的每个码元与g（t）相乘，形成一组二维数组，最后再经过第二个For循环，利用移位寄存器将形成的二维数组列向相加，形成输出波形送入信道。发送滤波器后面板如图5所示。

图5 发送滤波器后面板Fig.5 Rear panel of sending filter

3）信道 “信道噪声.VI”是利用“Uniform White Noise Waveform”子VI，生成均衡白噪声波形，用 “Get Waveform Components”函数将生成的数据作为噪声与送进来的CMI信号相加。

4）接收滤波器 其作用是用来接收信号，尽可能排除信道噪声和其他干扰，并对失真波形均衡，从而产生有利于抽样判决器判决的波形。该程序的主要功能是完成对信道中接收的码元进行抽样。在For语句中，通过“码元个数”确定循环次数，通过（50-Ts/2+Ts*i）来判断抽取哪个值。

5）抽样判决器 在噪声背景下用来判定与再生基带信号，在接收数字信号时只要在规定时刻（由定时脉冲控制）判别出它是“1”还是“0”即可。仿真时是对抽样输出的值进行模2判断，从而恢复信号。在For语句中，逐个对抽样值进行判决，当抽样值在0.5与1.5之间时，输出为1，其余为0。

图6 接收滤波器后面板Fig.6 Rear panel of receiving filter

图7 抽样判决器后面板Fig.7 Rear panel of sampling decision device

6）眼图 眼图是用示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期与接收码元的周期严格同步，一般用位定时信号作为扫描同步信号，利用示波器显示屏的余辉效应，连续扫描的使得各码元的波形重叠起来，产生象眼睛的图像[5]。

调用上述VI模块，可以设计一个完整的数字基带通信系统。通过调整参数，记录各点数据，观察波形变化，对系统的频带利用率、码间干扰性能、眼图等进行分析。

3 结束语

基于LabVIEW的通信原理教辅平台涵盖通信原理课程的主要内容，提供了可供调用的通信模块，各子模块相互独立，便于后续的扩充和完善，提高了学生学习兴趣，解决了理论教学的难题。但是在实际应用中要把握好虚拟仿真与实际实验的关系。虚拟实验只是实际实验的补充和扩展，它不能从根本上替代实际实验以达到培养和提高学生实际能力的功能，只能尽可能给学生提供更多理解抽象原理、模拟实验的条件，相当于对学生进入实验室之前进行模拟训练，仿真教辅平台必须与实际实验相辅相成，共同作用，增强学生的实践能力[6]。

[1]李瑞，周冰，胡仁喜.LabVIEW 2009中文版虚拟仪器从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]樊昌信.通信原理 [M].6版.北京：国防工业出版社，2006.

[4]李环，任波，华宇宁.通信系统仿真设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[6]田丰.虚拟实验与真实实验的整合研究[J].实验技术与管理，2005，22（11）：89-90.

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