基于LabVIEW 虚实结合的通信原理实验仿真系统的设计

展 慧 李志敏

（武昌工学院，湖北 武汉430065）

通信原理是电子信息类专业一门重要的专业基础课程、核心课程，在本科教学中具有及其重要的作用，本课程概念抽象，理论性强，内容多、公式推导复杂、枯燥感较强、理论更新快的特点，需要通过实验巩固和加强对理论的掌握，因此对实验要求高。但目前大多数高校的实验教学内容以验证型实验为主，实验设备采用的多是模块化的实验箱，一般只能进行简单的连线、显示、分析，学生可操作的模块少、无法进行实验的自主设计；另外设备更新速度慢，形式单一，学生学习时间也很受限。

随着虚拟仪器技术的发展，仿真研究方法在各个领域学科方向上应用的越来越广泛，在课程的教学中的利用虚实结合的仿真教学法也成为一种趋势，它极大的丰富了教学手段，提升了学生的学习兴趣，也使教学效果有了很大的提高。而对于理论性、综合性和实践性都有很高要求的《通信原理》课程的教学，采用虚实结合的仿真教学具有更为重要的研究和应用意义。为丰富理论教学环节，使抽象的理论知识更为生动形象、简单直观，加深学生对知识的理解，本文将虚实结合的教学方法引入通信原理课程的实验教学中，设计了一种基于LabVIEW 虚实结合的通信原理实验仿真系统。该系统包括模拟通信仿真系统模块（具体包括AM、DSB、SSB、FM 等）、数字通信仿真系统（具体包括2ASK、2FSK、2PSK 等）模块和信源编码模块（具体包括PCM、PAM等），并设计了实验登录界面，使用者根据需要选择需要验证的实验项目。

1 实验仿真系统整体设计

目前，仿真实验主要分为两大类：软件仿真和硬件仿真。软件模拟包括一系列用于系统仿真分析的可视化软件工具，主要功能用于描述程序，如Matlab ，Simulmk，SystemView 等；硬件仿真是模拟由实部组成的电路和系统，如EWB，Multisim，PSpice，Protel 等。以上仿真软件的相关通信工具都封装在功能模块中，无法看到各个模块的具体实现。因此，这些软件只能验证相关原理，即系统级仿真，而不能观察系统中信号的变化情况。

LabVIEW 是图形编程语言，是基于数据流和图形编程模式，该程序可提取文本程序，同时提供丰富的前面板控制和控制性能，比其它仿真软件具有更高的通用性。LabVIEW 可以实现系统级和波形级两者的模拟，非常适合于对基础的理论知识的实验性教学。

本设计就是采用LabVIEW 实现的实验仿真系统设计。本系统分为模拟通信、数字通信和信源编码三个部分本，将通信原理这门课程中的常规实验如AM，DSB，2ASK，2PSK 等每个实验做成一个VI 程序，再将每个VI 集成到一起成为一个系统；在每个实验的程序框图中，可以清楚的了解仿真实验的过程以及原理，在程序的前面板可以选择观察到各个时刻的信号波形。基于LabVIEW 系统的整体架构如图1 所示。

图1 通信原理实验仿真系统的整体架构图

其中系统交互界面用于用户输入数据及波形显示，用户登录为登录用户才能使用系统功能。用户登录后可以选择模拟通信仿真实验或者数字仿真实验项目，选择实验项目后进入单个实验仿真系统交互界面，然后进行实验参数设置和选择，运行实验并进行结果观察和分析。

2 基于LabVIEW 的2ASK 仿真系统设计

2ASK 为振幅键控其频率和初始相位不变，依靠载波的幅度变化来传递数字信息。这种调制也称为通- 断键控（OOK）。2ASK 调制解调原理框图如图2 所示。

图2 2ASK 调制解调原理框图

2ASK 仿真系统总体框图设计如图3 所示。信源（转下页）模块部分：首先使用For 循环函数和条件选择函数生成一个二进制数组，利用数值大小、For 循环和条件选择函数使输入数组的有效值设置为0 和1，使数组连续；再利用二维数组转成一维数组控件，使输入序列波形变成理想脉冲方波，最后将这个模块设置成一个可以调用的子VI 以便在后续的编程中使用。

解调模块部分采用相干解调方式，将调制信号经过一个有高斯噪声的信道控件，在使用相乘器与本地载波相乘，再通过低通滤波控件，最后通过抽样判决器即可得到解调信号。

图3 2ASK 仿真系统框图

将输入序列设置为1110111100，码元速率为10，将采样点数和采样率都设为1000；将载波设置为正弦波，频率为10，幅度为1，相位为0。使用图形控件中的示波器控件观察波形图。数值控件输出的序列为1110111100。其前面板设计及仿真效果如图4 所示。

图4 2ASK 仿真系统的前面板

在该仿真系统设计中可以对比观察和分析系统中各点的波形和频谱，通过波形图的观察和输出序列的比较，可以看出，仿真结果与理论分析是一致的。其它实验项目如AM、DSB、SSB、2FSK、2PSK、2DPSK、PCM、PAM 等的仿真系统设计与2ASK 系统的设计方法相似，这里就不一一详细叙述了。

3 基于LabVIEW 通信原理实验仿真系统的总体设计

本仿真实验系统的登录界面前面板和程序框图设计如图5和图6 所示。利用前面板中的界面设计添加相应的图片和文字，进入按钮和取消按钮布尔型控件，鼠标左键点击取消就退出了程序，点击进入即可进行相应的仿真实验主界面。

本设计的总体框图采用的是一个平铺式顺序结构，利用选项卡控件和事件结构来构成整个仿真实验的操作，点击相应的选项卡控件就会运行相应的事件结构，将上述各个仿真实验封装为子VI，加入到事件结构中，就可以达到自行选择进行相应的仿真实验，并且还可以通过添加事件分支来添加新的仿真实验。

图5 仿真实验登录界面及主界面前面板设计

图6 仿真实验登录界面程序框图

4 结论

该实验仿真平台可以实现模拟通信和数字通信相关实验的仿真。可以预见在以后通信原理及其他课程的实验教学过程中将会广泛的使用虚拟仪器实验平台来辅助教学。

本文设计的实验仿真系统只包含了部分的通信原理实验，在后续的研究中还可以根据课程的要求增加更多的实验仿真，以便全面配合实验教学，形成一套完整的虚拟仿真实验系统。实践结果表明，在教学过程中引入LabVIEW 仿真系统平台，有助于增加教学方法的多样性，提高通信专业课程教学效率和学生的学习兴趣，同时能有效的节省实验成本。同时，系统完善后还可以将整个仿真系统打包发布，让老师和学生可以远程登录访问进行仿真实验的学习，并且可以实现多人共同操作，成为一个真正的虚拟实验室，为高校教学和学生自学服务。