基于虚拟仪器的2ASK数字通信系统仿真设计

付国兰, 刘晓山, 刘正奇

(江西师范大学 物理与通信电子学院，南昌 330022)

基于虚拟仪器的2ASK数字通信系统仿真设计

付国兰, 刘晓山, 刘正奇

(江西师范大学 物理与通信电子学院，南昌 330022)

根据2ASK调制和解调过程原理，采用虚拟仪器软件LabVIEW对2ASK数字通信系统进行图形化仿真，给出了仿真程序框图，并对输入序列、已调2ASK信号波形和解调输出序列等运行结果进行观察。结果表明，程序运行良好，仿真结果正确，为分析和观察通信系统以及实验教学提供了一种新方法。

虚拟仪器；二进制振幅键控；通信系统；仿真

数字通信系统以抗干扰能力强、传输差错可控、便于传输和交换、便于存储、易于集成、易于加密等优点，具有模拟通信不可比拟的优势，应用越来越广泛。因为数字基带信号具有丰富的低频成分，很难有效地进行无线传输或者远距离的有线传输,必须先将数字基带信号对载波进行调制，使频谱适合信道传输，然后，在接收端将变换后的信号进行还原。这种使数字基带信号的频谱进行变换的过程称为数字调制，而在接收端将接收信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调。在数字通信系统中, 常用的数字调制与解调技术主要有振幅键控(amplitude shift keying，ASK)、频移键控(frequency shift keying，FSK)、相移键控 (phase shift keying，PSK) 等[1]。

对通信系统进行设计、分析是一项复杂的工程，而计算机仿真技术的飞速发展,使软件替代传统硬件仿真通信实验系统成为可能。已经有很多计算机语言，如Matlab 、SystemView、LabVIEW等都可用于通信系统仿真[2]，其中，LabVIEW采用图形化编程,具备强大的信号处理与数据分析功能,非常适合通信虚拟实验系统的开发[3-5]。本文用LabVIEW对2ASK通信系统进行仿真设计。

1 2ASK调制和解调原理

振幅键控是载波的振幅随着数字基带信号的变化而变化的数字调制，其频率和初始相位保持不变。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控(2ASK)，这时载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。

一个二进制的振幅键控信号时域可以表示成

(1)

对时域表达式做傅里叶变化得

(2)

此时，已调信号的特征是抑制载波的双边带信号。

通常二进制振幅键控信号的产生(调制)有两种方法：(1)模拟幅度调制法，用乘法器实现；(2)键控法，开关电路受二进制基带信号控制。相应的调制原理框图如图1所示。

(a) 调幅法

(b) 键控法

2ASK信号有包络检波和相干解调两种方法解调，原理框图如图2所示。

接收端带通滤波器滤除带外噪声的同时让有用信号通过，包络检波法中，用全波整流器提取输入信号的包络，再经过低通滤波器和抽样判决器，得到解调后的输出信号。相干解调法中，用相乘器实现频谱的搬移，再经过低通滤波器和抽样判决器，得到解调后的输出信号。

图2 2ASK信号解调原理框图

2 2ASK调制与解调仿真设计

文中使用LabVIEW软件对2ASK通信系统进行仿真。LabVIEW具备了仪器的基本属性，其程序的基本构成包括两部分：(1)前面板，用于反映仪器的控制操作和显示；(2)程序框图，用以反映仪器内部的分析处理过程。2ASK的调制与解调分别采用模拟幅度调制法和相干解调法，将基带信号与载波信号相乘得到已调的2ASK信号[6]，用高斯白噪声模拟信道，在接收端将接收信号与同频同相的载波相乘，并经过巴特沃斯低通滤波器，滤波器的截止频率为归一化频率，最后进行抽样判决[7-9]，判决门限取0.125，从而得到输出序列，程序框图如图3所示。

图3 2ASK调制与解调.vi程序框图

在前面板中，输入序列的产生采用根据序列个数而随机产生相应个数的二进制码元，基带波形采用余弦波，根据产生的二进制码元可得到相对应的基带信号波形，载波采用正弦波。所以，前面板中需要创建码元个数、码元速率、采样点数、采样频率、载波频率数值输入控件、基带信号波形、载波波形、2ASK信号波形和频谱、滤波后波形等图形显示控件，以及输入和输出序列等数值显示控件。使用修饰控件可对前面板进行调整和修饰，最后得到2ASK调制与解调.vi前面板，如图4所示。

图4 2ASK调制与解调.vi前面板

在前面板的参数输入模块输入如图4所示的参数并运行可得到输出结果。由结果可看出，此仿真实验在调制端产生了一串码元个数为10的二进制码元序列，并得到了输入序列波形、载波波形、2ASK信号波形和频谱，2ASK信号经过高斯白噪声信道后，在接收端得到了低通滤波器滤波后的波形、抽样判决后的输出序列波形和输出序列二进制码组。对比输出序列和输入序列可看出，此系统除了一个码元的延时以外，其余部分都正确地进行了信号的还原，表明仿真实验结果正确，达到了2ASK通信系统的调制与解调在教学中的意义。

3 结束语

本文以2ASK信号调制解调为例，实现了在LabVIEW 虚拟仪器平台上设计通信系统仿真的方法。通过调节各个实验参数，对实验结果进行比较， 可以很形象地得到或验证所需要的或已有的结论，使实验效果更加清晰，从而使学生更好地理解通信系统中的基本概念和原理。LabVIEW软件把一些复杂的程序变得很直观，方便操作，而且易于修改和以后的维护，可作为老师课堂教学的辅助教学软件，将抽象的概念具体化、形象化，达到加深理解，强化记忆，提高教学质量的效果，从而调动学生的学习积极性和提高学生的创新能力，具有实际应用意义。

[1]樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 北京：国防工业出版社，2006:180-237.

[2]付国兰, 刘晓山. Systemview和Matlab在通信原理课程中的应用比较[J]. 内蒙古师范大学学报：教育科学版,2009,22(7):151-153.

[3]翁剑枫, 叶志前. Matlab, LabVIEW, SystemView 仿真分析基础[M].北京：机械工业出版社,2005:94-179.

[4]梁芳,杨光. 基于LabVIEW的虚拟数字调制解调系统设计[J].电子测试,2010(2)：43-45.

[5]范寿康. 基于LabVIEW平台的虚拟仪器实验室的实现[J].三江学院学报,2005,1(1/2)：92-96.

[6]陈玲玲,杨明, 刘新杰. LabVIEW 在数字通信原理实验教学中的应用[J].吉林化工学院学报, 2012, 29(11)：87-91.

[7]白国花, 王文玺. 基于虚拟仪器的2DPSK 数字调制解调系统的设计[J]. 电子测试,2013(6):34-37.

[8]吉淑娇,姜利. 基于LabVIEW 的2PSK 系统的仿真设计与实现[J]. 长春大学学报, 2013, 23(4): 415-417.

[9]邵芬,李素文,姜恩华,等. LabVIEW 在《通信原理》实验教学中的应用[J]. 实验科学与技术, 2013, 11(3):4-5.

Simulation Design of 2ASK Digital Communication System Based on Virtual Instrument

FU Guolan, LIU Xiaoshan, LIU Zhengqi

(College of Physics and Communication Electronics, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China)

In accordance with the principle of 2ASK modulation and demodulation, a graphical simulation of 2ASK Digital Communication System based on the Virtual Instrument LabVIEW software is realized. The simulation structure of the software is introduced in detail. The simulation results of the input sequence and 2ASK signal waveform and output sequence are observed. The results show that the program performs well and the simulation results are right. It indicated a new way to analyzing and observing communication system in teaching and experiment.

virtual experimentation; binary amplitude shift keying; communication system; simulation

2014-06-13；修改日期: 2014-07-02

江西省教育厅科技基金资助项目(GJJ13210);江西师范大学教学改革研究基金资助项目(2013042)；江西师范大学博士启动基金资助项目(4029)。

付国兰(1978-)，女，实验师，研究方向：通信工程与量子信息。

TP3919；G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.002