基于LabView的调制解调系统设计

基于LabVIEW的调制解调系统设计

工程设计报告

题目类型：小组题目

班级：021212

姓名：李x（组长）、黄XX

学号：1149,1100

联系方式：

西安电子科技大学

电子工程学院

一.摘要

虚拟技术的发展使电子技术实验的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进虚拟电子技术实验教学的现代化。本文介绍了基于LabVIEW的虚拟电子技术实验系统——虚拟调制解调器的设计与实现。此系统具有参数调节方便、易实现、可靠度高等优点。

在实现的过程中，我们小组首先对LabVIEW这款软件的使用进行了深入的学习，掌握了这款软件的基本操作和图形编程的方法；其次对调制解调系统进行学习，了解现在流行的调制解调是如何实现的，然后在理论上设计出一套可以实现的调制解调系统；进而在LabVIEW的开发环境下对设计的系统进行试验验证，经过调试和反复的完善，得到最终的调制解调系统。

二.绪论

(一)虚拟仪器的发展

虚拟仪器发展至今，大体可以分为四代：模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

第一代---模拟仪器。这类仪器看起来在某些实验室仍然恩能够看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪器借助指针来显示最终结果。

第二代---分立元件式仪器。当20世纪50年代出现电子管，20世纪60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器---分立元件式仪器。

第三代---数字化仪器。20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器这类仪器目前相当普及，如数字电压表，数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。

第四代---智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器---智能仪器也迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称之智能仪器。其缺点是它的功能模块全部都以硬件的形式存在，无论对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。

目前，微电子技术和计算机技术飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域里的一场新革命，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器---虚拟仪器的出现。它是现代计算机技术，通信技术和测量技术想结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。

(二)虚拟仪器的特点

任何一台仪器，一般都由信号的采集、信号的分析处理、测试结果的输出三

大功能构成。在虚拟仪器系统中，强调“软件构成仪器”的概念，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键，用户可以根据自己需要定义仪器的功能，通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，并可方便地同外设、网络及其它应用连接。

虚拟仪器的硬件是计算机和为其配套的仪器硬件模块，通过计算机与为其配置的仪器硬件模块组成通用的测量平台。用户是通过图形控制界面以鼠标操作方式来调控虚拟仪器的性能，就像在操作自己定义、自己设计的一台电子仪器。测量信号时是借助测试软件的调控，经由测量硬件平台的采集，再经计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形甚至是多维测试结果模型，显示在计算机的终端显示器上。当然，测试结果也可以直接记录保存或通过计算机网络传输。

(三)虚拟仪器的发展方向

随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任何时刻获取到测量数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合在异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。

三.正文

(一)虚拟仪器及LabVIEW概述

所谓虚拟仪器,就是在以计算机为核心的的硬件平台上,其功能由用户设计和定义,具有虚拟面板,其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质就是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理,从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板,就如同使用一台专用测量仪器一样。因此,虚拟仪器的出现,使测量仪器与计算机的界限模糊了。

影响最大的虚拟仪器编程语言是美国NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI. LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言,使用"所见即所得"的可视化技术建立人机界面,使用图形表示功能模块,使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递.同时,LabVIEW继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点,支持模块化与层次化设计,这种结构的设计增强了程序的可读性。

(二)LabVIEW环境下虚拟仪器的设计方法

在LabVIEW平台下，一个VI由两部分组成：前面板和流程图。前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板；流程图的功能等效于传统测试仪器与前面板想联系的硬件电路。仪器前面板的设计指在虚拟仪器开发平台上，利用各子模块

图标创建用户界面，即虚拟仪器前面板。仪器流程或算法设计是根据仪器功能要求，利用虚拟仪器开发平台所提供的子模板，确定程序的流程图，主要处理算法和所实现的技术方法。

(三)LabVIEW编程

LabVIEW编程主要包括前面板设计和构建框图程序。

前面板是程序设计与用户交流的窗口,一个良好的前面板可以给用户带来一种友好的感觉,甚至是一种美的享受.前面板主要由控件构成,控件又分为控制件和显示件。图形化的变成思想与用源代码的传统程序编程思想是一致的。为了完成对信号数据的采集，需要编写对I/O借口硬件设备的驱动程序。为了对采集的信号数据进行运算，分析处理，需要编写运算，分析处理程序等。使用LabVIEW开发平台编辑程序的特别之处就是将传统程序所需要的常量，数组，数据流控制命令等语句代码都用图标表示，不熟悉用源代码进行语言编程的工程师，科学家一样可以随心所欲地编制流程图程序。我们可以把用LabVIEW图形编写的流程图程序理解为就是源代码编写的传统程序，他们的区别只是表达方式不同而已。

(四)虚拟调制解调系统的实现过程

1.调制解调器

调制解调器（即Modem），是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信号。通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信。

目前调制解调器主要有两种：内置式和外置式。

内置式调制解调器其实就是一块计算机的扩展卡，插入计算机内的一个扩展槽即可使用，它无需占用计算机的串行端口。它的连线相当简单，把电话线接头插入卡上的“Line”插口，卡上另一个接口“Phone”则与电话机相连，平时不用调制解调器时，电话机使用一点也不受影响。

外置式调制解调器则是一个放在计算机外部的盒式装置，它需占用电脑的一个串行端口，还需要连接单独的电源才能工作，外置式调制解调器面板上有几盏状态指示灯，可方便您监视Modem的通讯状态，并且外置式调制解调器安装和拆卸容易，设置和维修也很方便，还便于携带。外置式调制解调器的连接也很方便，phone和line的接法同内置式调制解调器。但是外置式调制解调器还得用一根串行电缆把计算机的一个串行口和调制解调器串行口连起来。

2.调制解调器工作原理

调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送

入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。

电话线可以使通信的双方在相距几千公里的地方相互通话，是由于在每隔一定距离都设有中继放大设备，保证话音清晰。在这些设备上若再配置Modem，则能通电话的地方就可传输数据。一般电话线路的话音带宽在300～3400Hz 范围，用它传送数字信号，其信号频率也必须在该范围。常用的调制方法有三种:频移键控(FSK)、相移键控(PSK) 、相位幅度调制(PAM)。

频移键控(FSK)。用特殊的音频范围来区别发送数据和接收数据。如调频ModemBell-103型发送和接收数据的二进制逻辑被指定的专用频率是:发送，信号逻辑0、频率1070Hz，信号逻辑1、频率1270Hz;接收，信号逻辑0、频率20 25Hz，信号逻辑1、频率2225Hz。

相移键控(PSK)，高速的Modem常用四相制，八相制，而四相制是用四个不同的相位表示00、01、10、11四个二进制数，如调相ModemBell-212A型。该技术可以使3 00bps的Modem传送600bps的信息，因此在不提高线路调制速率仅提高信号传输速率时很有意义，但控制复杂，成本较高，八相制更复杂。

相位幅度调制(PAM)，为了尽量提高传输速率，不提高调制速率，采用相位调制和幅度调制结合的方法。它可用16个不同的相位和幅度电平，使1200bps 的Modem传送19200bps的数据信号。该种Modem一般用于高速同步通信中。

3.虚拟调制解调器

（1）正弦波仿真信号发生器

功能描述：

该正弦波仿真信号发生器可产生正弦信号指标如下

频率范围 0.1Hz~~10kHz 可选

初始相位 0~~180 可选

幅值 0.1V~~5.0V 可选

生成波的总点数 N=8~~512 可选

设计步骤

a.前面板设计

五个输入型数字控件供使用者键入生成正弦波的频率fx，初始相位，

幅值，总采样点数N和采样频率fs。

操作controls>>numeric>>numeric control 五次，得到五个输入型

数字控件，分别标记为‘信号频率’‘采样频率’‘采样点数’‘信号幅

值’和‘初始相位’

输出显示型图形控件用来显示所产生的正弦波波形

执行controls>>graph>>wave graph 操作，调入图形控件graph。其

横轴为时间轴。应考虑到生成的信号频率跨度大，在0.1Hz~~10kHz

范围内，其周期跨度也大，在10s~~0.1ms范围内，纵轴为电压轴，生

成信号幅值的范围应充满整个显示画面，故选用‘graph’显示器。

注意，控件参数设置应考虑到采样频率fs，数字频率f，一个周期采样点数n与总点数N=samples的关系：fs=nfx，故fs的最大值应是被测信号频率fx最大值的n倍，且N>=n

执行controls>>button>>vertical switch操作，调入开关按钮控件，标记为‘复位相位’

执行controls>>button>>text button操作，调入开关按钮控件，标记为‘OFF’

如上设计的前面板如图所示。

b.流程图设计

在流程图中执行functions>>structures>>while loop操作，调入while循环结构

执行functions>> numeric四次，可以分别放置一个除法器，一个倒数器，及两个常数

在流程图中执行functions>>analyze>>signal processing>>signal g eneration>>sine wave.vi操作，可调入sine wave.vi图标

在流程图中执行functions>>cluster>>bundle操作，调入bundle图标

在流程图中执行functions>>time&dialog>>wait操作，调入时钟图标在流程图中执行functions>>Boolean>>not操作，调入not图标

连线形成的虚拟正弦波发生器的流程图如图所示。

所需的数字频率由除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采样间隔，便于显示。

c.运行检验

设置正弦信号f=0.2Hz ，初相位=0，幅值=1.0V ，采样频率=10Hz 复位相位选为TRUE ，采样点数为100，生成的正弦波如图所示

（2）虚拟调制解调器原理及算法

功能要求

用该调幅波解调器可观察调幅波，以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形。

a.调幅波的数字表达式及其特性

0()()sin m u t E z t t ω=，式中，m E ——常量，0ω——高频载波角频率，()z t ——低频缓变信号，其上限角频率为Ω。上式就是调幅波的一般数字表达式，它反映了低频缓变信号()z t 对一高频振荡信号0sin t ω的控制。通常一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号，载送缓变信号的高频0ω振荡信号0sin t ω称为载波。利用信号()z t 来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程，其原理框图如下：

b.调幅波的解调

调幅波()u t 的幅值反映调制信号数值的变化，在调制器之后加解调

器，可将被测的调制信号()z t 与调幅波()u t 分离，并最后提取出来。解调器由乘法器和低通滤波器组成，其原理框图如图所示。

解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调的调幅波0()()sin m u t E z t t ω=，式中，m E ——比例常数，乘法器的另一个输入信

号称为参考信号，它应是与，载波频率0ω相同频率的高频信号，考虑到

实际情况中，载波信号0sin t ω会有一个相位差θ，则()u t 为： 0()*sin()r u t U t ωθ=+，于是，乘法器的输出()y t 为000()()*sin()()*sin *()*sin()z y t u t t E t t U t t ωθωωθ=+=+，令r A EU =,并根据三角函数关系，上式可写为0000()()sin *sin()0.5()[cos cos(2)]0.5()cos 0.5()cos(2)y t Az t t t Az t t Az t Az t t ωωθθωθθωθ=+=-+=-+，当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远远小于频率02ω，并大于信号()z t 的最高频率Ω时，上式中的频率分量0cos(2)t ωθ+项将被低通滤波器大大衰减，而只有差频信号项0.5()cos Az t θ输出，于是解调器的输出为()f t 为：()0.5()cos ()f t Az t kz t θ==,中，0.5cos k A θ=为比例常量，可由实际标定得到。

（3）虚拟调制解调器设计

a.前面板设计

在上例虚拟正弦信号发生器的基础上再增加一个正弦波发生器，为两个正弦波发生器一个做载波，一个做调制信号。前面板设计同上例。需添加参数输入型数字控件，用以设置低通滤波器的低截止频率。增加三个输出显示型控件，分别用以显示载波，调制波，解调波的波形.九个输入型数字控件供使用者键入采样频率、采样点数、高频信号频率、低频信号频率、高频信号幅值、低频信号幅值、高频信号初始相位、低频信号初始相位。

操作Controls>>Numeric>>Digital.连续九次，得到九个输入型控件。四个输出显示图形控件用来显示载波，调制信号，调制波和解调波形。执行Controls>>Graph>>Waveform Graph操作，调入图形控件Graph。其横轴为时间轴，在0.1Hz-4.0Hz范围内，纵轴为电压轴，生成信号幅值的范围应充满整个显示画面。

一个开关控件执行Controls>>Boolean>>Labeled Ruond Button操作，调入开关按钮控件，标记为“OFF”。

前面板设计如下：

b.流程图设计

在设计举例虚拟正弦信号发生器的流程图基础上再增加一个正弦波发生器图标，另外执行functions>>analyze>>signal processing>>filter>>butterwoeth filter.vi操作，调入巴特沃斯滤波器图标。

在流程图中执行Functions>>Structures>>While Loop操作，调入While循环结构。

执行Functions>>Numeric5次，可以分别放置2个除法器，1个倒数器，2个乘法器。

执行Functions>>Cluster>>Bundle,调入Bundle图标。

执行Functions>>Time￡Dialog>>Wait操作，调入时钟图标。

执行Functions>>Boolena>>Not操作，调入Not图标。

设计完毕的流程图如图所示。

对流程图进行系统自动整理如下图所示

c.运行检验

设置低频调制信号的频率为1Hz,幅值为1V,初始相位0,设置载波高频信号的频率为10Hz,幅值为1V,初始相位为0,设置巴特沃斯滤波器的低截止频率为2Hz,设置对调制和载波信号的采样频率均为50Hz,采样点数均为200点。运行结果如图所示。

四.心得与展望

至此就已经将虚拟调制解调系统设计完成了，该系统可以在前面板灵活的调整调制波，载波的频率，幅值等信息；该调制解调系统具备一定的滤波功能，在流程图界面可以设置不同的滤波器类型，如巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，椭圆滤波器，贝塞尔滤波器等等，而且可以对滤波器阶数，通带类型进行调整；另外前面板部分的图形显示部分，我们可以通过图标的横纵轴清楚地查看各种信号的频率幅值等信息。基本做到了人机界面又好，操作灵活的要求。

在设计的过程中，我们组员通过对LabVIEW软件的学习和使用，感受到了这款软件的强大之处，虽然遇到了一些问题，但是经过互相的讨论最终还是成功的解决了问题，达到了预期的目标。通过这次工程设计，加深了我们对团队协作的理解，感受到团队的力量是1+1大于2的存在。

事实证明将虚拟仪器技术引入到教学实验中是行之有效的解决方案。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计实验与仪器，方便灵活而且开发周期短。它可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生学习的积极性，取得较好的教学效果，其具有传统实验所无可比拟的优势。本文设计的调制解调器正是通过LabVIEW环境下的各种虚拟器件以及虚拟信号发生器的显示波形实现了模电实验的仿真。

另外，LabVIEW本身是一个功能完整的软件开发环境，由于其采用了基于流程图的图形化编程方式，不需要任何代码，是真正的工程师语言。基于LabVIEW 下的虚拟仪器设计将是未来虚拟仪器设计方法的主流。

五.参考文献

[1]路亚峰；陈义军；虚拟仪器技术研究现状与展望

[2]王行娟；基于LabVIEW虚拟仪器实验教学系统的研究

[3] 张毅刚；虚拟仪器技术介绍

[4]潘莉；郭东辉；纪安妮；刘瑞堂；数字调制解调技术及其应用的研究

进展

[5] 梁芳；杨光；基于LabVIEW的虚拟数字调制解调系统设计

[6] 何春鹏；基于LabVIEW的数据处理与仿真的研究

[7]王行娟；基于LabVIEW虚拟仪器实验教学系统的研究

[8] 赵建勋；陆曼如；邓军；《射频电路基础》

六.附件

七.组内评定