基于LabVIEW的通信原理虚拟实验平台的设计

李艳 冯仲国

摘  要：新工科背景下，高校对通信原理实验教学的创新性和综合性提出了更高的要求。针对通信原理实验教学现有的问题，设计并实现了基于LabVIEW的实验仿真平台。以DSB和2DPSK实验为例，介绍了该实验仿真平台的具体设计过程与实现。实验结果表明，基于LabVIEW的虚拟仿真平台与传统实验平台相结合，有助于提高教学的实用性和趣味性，提升学生的知识应用能力和创新能力，满足新工科发展的需求。

关键词：LabVIEW；通信原理；虚拟仪器；仿真平台

中图分类号：TN911.4；G642.423  文献标识码：A  文章编号：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

虛拟实验室最早在1989年由美国的William Wolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境[1]。学生做实验时可以不受时间和地点的限制，只需一台与该实验室系统网络连接的计算机，便可通过局域网进行相关实验[2]。

随着LabVIEW、MATLAB、System View等虚拟仿真软件的开发与应用，使得通信原理实验变得丰富[3，4]。为了研究通信原理实验的发展研究现状，通过在CNKI数据库中，以“通信原理实验”为检索词，检索1991年至2021年通信原理实验的研究文献，共得到文献数据信息467条，年份与发文量之间的趋势如图1所示，主题关键词与发文量之间的柱状图如图2所示。由图可知，2005年以后，随着信息化的快速发展，高校对通信原理实验不再局限于传统的教学模式，开始进行改革与创新，而通过图1（b）的主题关键词与文献数量之间的分布情况可知，“虚拟仿真”“LabVIEW”“MATLAB”“System View”等词的高频率出现，说明“新工科”背景下，通信原理实验设计进行了较多的改革与创新。

众所周知，“通信原理实验”课程是电子信息以及相关大类专业本科学生的必修课[5]，其教学手段一般是理论知识与实验实践相结合[6]。传统的实验是学生利用实验设备在实验室完成相关的实验项目，实验数量有限，可扩展性差，且实验设备都是集成化的模块[7，8]，导致实验达不到预期培养目标。本文基于LabVIEW的通信原理实验仿真平台的设计，为实现更加便捷的线上线下实验奠定了基础，使之成为真正的开放实验室。

1  LabVIEW介绍

LabVIEW是一种用图标创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流编程的方式，程序框图中节点之间的数据流决定了程序的执行顺序，它用图标表示函数，用连线表示数据流向[1]。LabVIEW提供很多逼真的控件，通过这些控件可以方便快捷的创建用户界面[9]，通过相关编程实现对前面板上对象的控制，在LabVIEW中编写的程序被称为VI，即通常所说的虚拟仪器[10]。

LabVIEW设计步骤包括[11，12]：（1）创建前面板，前面板是现实仪器的界面，在实际应用中，用户对前面板的操作就是相当于对仪器的操作；（2）创建程序框图，程序框图用于实现功能，相当于实际仪器中内部的电路。通过在程序框图中编程，根据设计的仪器，再根据程序框图的特点，理清各个部分的关系，连线，对数据进行处理等，完成程序设计；（3）目标和连接器的配置，完成前面板和程序框图创建后会有很多的错误，这时需要进行调配置，直至理论分析与仿真结果相符。

2  通信原理虚拟实验平台的整体架构

通信原理虚拟实验平台划分为用户登录界面、实验主界面两大功能模块，在实验主界面模块中包含有8个子模块，即4个模拟通信系统实验和4个数字通信系统实验。整体框架如图3所示。

图4为登录界面：用户登录界面的设计主要应用了事件嵌套的逻辑功能，在该结构内包含一个事件结构和条件结构。登录界面程序框图如图4（a）所示。用户用给定的账号和密码进行登录，进入实验界面，登录界面如图4（b）所示。

实验主界面：实验选择引导界面，该界面包含了模拟通信系统和数字通信系统的相关验，共计8个测试子模块功能。用户通过点击相应的实验按钮，从而跳转到相应的实验界面，拥有多样性和选择性。该界面的程序框图主要是一个循环结构，包含一个事件结构，其中事件1到事件8为实验类型事件，用户通过对事件的选择可以跳转到不同的VI界面，从而进入不同的实验界面，对实验进行操作。事件0是一个判断按钮，当用户点击该按钮时为T，则系统会跳出循环结构，终止运行。实验主界面显示图如图5所示。

3  通信原理虚拟实验平台子模块实例

该实验平台中每个子模块的设计主要包括3部分，即前面板的设计、框图和程序的设计、目标和连接器的配置[13]。模拟通信虚拟实验包括AM、DSB、SSB、FM，数字通信虚拟实验包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK。本文以DSB和2DPSK实验为例，展示了基于LabVIEW的通信原理实验仿真平台中实验设计的一般流程。

3.1  模拟调制解调仿真实验实例

抑制载波的双边带信号（DSB-SC）时域表达式为[14]：

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

其中m（t）为基带调制信号，c（t）为载波，Ac为载波的幅度，fc为载波频率，φc为载波相位。

设m（t）的傅里叶变换为Mf，则SDSB（t）的傅里叶变换为：

（2）

由（2）式可得，DSB的频谱中无载波分量。除了比例因子的改变外，其调制过程是简单地将信号m（t）的频谱搬到了±fc处。由于DSB信号的包络与调制信号不一致，故采用相干解调法对DSB信号进行解调。DSB系统程序框图如图6（a）所示。

在前面板中，选择频率为200 Hz、幅值为1 V的正弦波作为载波，选择频率为8 Hz、信号幅值为1 V、高斯标准差为0.23的正弦信号作为调制信号。对调制信号进行DSB调制，对DSB信号进行相干解调。可得调制信号、DSB信号、DSB解调信号、DSB频谱波形如图6（b）所示。由图6（b）可知，DSB信号的带宽是基带信号的2倍，可见DSB信号是以牺牲带宽换取了较小的载波功率。对DSB信号的频谱进行分析可得，频谱的上边带和下边带呈镜像对称，取任何一个边带都能包含DSB信号的所有频谱成分。

3.2  数字调制解调实验实例

由于2PSK在解调时，会出现“倒π”现象[14]，所以采用2DPSK方式克服上述缺点。

2PSK信号的时域表达式为[15]：

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

式中：φn为第n个符号的绝对相位，即

（4）

2DPSK调制规则为：

（5）

2DPSK信号的产生是通过两个基本操作实现的。一是将绝对码{an}变为相对码{bn}，变换方法如式（6）。二是对{bn}进行2PSK调制，得到2DPSK信号。

bn=an?bn-1                                  （6）

在2DPSK相干解調中，需要进行码反变换，即将相对码{bn}解码，译回绝对码{an}，恢复出基带信号：

an=bn?bn-1                                  （7）

2DPSK系统程序框图如图7（a）所示。在前面板中，将调制方式选择为DPSK调制，解调方式为相干解调，此时在输入序列和解调序列中会出现一列相对码序列。输入的绝对码序列为11111000，则相对码序列为10101111，样本数1 000，码速率10 Hz，高斯噪声标准差0.5，载波频率设为10 Hz，相位为0。得到的相对码序列（参考相位为0），调制的时域波形、频域波形和解调波形分别如图7（b）所示。从图7（b）可得，2PSK与2DPSK信号从波形上没有本质区别。但从解调结果看，2DPSK波形的前后码元相位差决定数字信息符号，而2PSK波形的一个码元相位决定数字信息符号。这说明，要想恢复出正确的原信息，必须知道是PSK还是DPSK。

4  结  论

通过LabVIEW的通信原理实验改革设计，不但可以实现通信原理实验相关功能，而且还可实现在线网络化，通过动态载入的方式将这些实验模块整合封装在一起，并对该平台进行网络发布，使得实验人员通过互联网可以远程操作，完成实验任务。综上，该设计平台实用性强，有利于提高学生的学习兴趣、增强学生对理论知识的应用能力，是传统通信原理实验教学的重要补充，这也为新工科背景下高校电子类专业通信原理实验教学改革奠定了一定的基础。

参考文献：

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作者简介：李艳（1991—），女，汉族，宁夏固原人，讲师，硕士研究生，研究方向：信息传输与信号处理。

收稿日期：2022-09-15

基金项目：宁夏自然科学基金项目（2022AAC03318）；宁夏师范学院校级本科教学项目（NJYKCSZ2209）