基于LabView的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1、基于LabVIEW的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計工程設(shè)計報告題目類型：小組題目班級：021212姓名：李x（組長）、黃XX學號：1149,1100聯(lián)系方式：西安電子科技大學電子工程學院一.摘要虛擬技術(shù)的發(fā)展使電子技術(shù)實驗的分析設(shè)計過程得以在計算機上輕松、準確、快捷地完成。這樣，一方面克服了實驗室在元器件和規(guī)格上的限制，避免了損壞儀器等不利因素，另一方面使得實驗不受時間及空間的限制，從而促進虛擬電子技術(shù)實驗教學的現(xiàn)代化。本文介紹了基于LabVIEW的虛擬電子技術(shù)實驗系統(tǒng)虛擬調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)。此系統(tǒng)具有參數(shù)調(diào)節(jié)方便、易實現(xiàn)、可靠度高等優(yōu)點。在實現(xiàn)的過程中，我們小組首先對LabVIEW這款軟件的使用進行了

2、深入的學習，掌握了這款軟件的基本操作和圖形編程的方法；其次對調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行學習，了解現(xiàn)在流行的調(diào)制解調(diào)是如何實現(xiàn)的，然后在理論上設(shè)計出一套可以實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；進而在LabVIEW的開發(fā)環(huán)境下對設(shè)計的系統(tǒng)進行試驗驗證，經(jīng)過調(diào)試和反復的完善，得到最終的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。二.緒論(一)虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器發(fā)展至今，大體可以分為四代：模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。第一代-模擬儀器。這類儀器看起來在某些實驗室仍然恩能夠看到，是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、指針式電壓表、指針式電流表等。這類指針式儀器借助指針來顯示最終結(jié)果。第二代-分立元件式儀器。當

3、20世紀50年代出現(xiàn)電子管，20世紀60年代出現(xiàn)晶體管時，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代測試儀器-分立元件式儀器。第三代-數(shù)字化儀器。20世紀70年代，隨著集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器這類儀器目前相當普及，如數(shù)字電壓表，數(shù)字頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準確度的測量。第四代-智能儀器。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的普及，以微處理器為核心的第四代儀器-智能儀器也迅速普及。這類儀器內(nèi)置微處理器，既能進行自動測試，又具有一定的數(shù)據(jù)處理功能，可取代部分腦力勞動，習慣上稱之智能儀器。其缺點

4、是它的功能模塊全部都以硬件的形式存在，無論對開發(fā)還是針對應(yīng)用，都缺乏靈活性。目前，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合正引起測試儀器領(lǐng)域里的一場新革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念導致了新一代儀器-虛擬儀器的出現(xiàn)。它是現(xiàn)代計算機技術(shù)，通信技術(shù)和測量技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。它的出現(xiàn)使得人類的測試技術(shù)進入一個新的發(fā)展紀元。(二)虛擬儀器的特點任何一臺儀器，一般都由信號的采集、信號的分析處理、測試結(jié)果的輸出三大功能構(gòu)成。在虛擬儀器系統(tǒng)中，強調(diào)“軟件構(gòu)成儀器”的概念，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器的關(guān)鍵，用戶可

5、以根據(jù)自己需要定義儀器的功能，通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，并可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接。虛擬儀器的硬件是計算機和為其配套的儀器硬件模塊，通過計算機與為其配置的儀器硬件模塊組成通用的測量平臺。用戶是通過圖形控制界面以鼠標操作方式來調(diào)控虛擬儀器的性能，就像在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺電子儀器。測量信號時是借助測試軟件的調(diào)控，經(jīng)由測量硬件平臺的采集，再經(jīng)計算機的處理，得到最終的測試結(jié)果，并以數(shù)據(jù)、曲線、圖形甚至是多維測試結(jié)果模型，顯示在計算機的終端顯示器上。當然，測試結(jié)果也可以直接記錄保存或通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸。(三)虛擬儀器的發(fā)展方向隨著計算機、通信、微電子

6、技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測試點以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可在任何地點、任何時刻獲取到測量數(shù)據(jù)信息的愿望成為現(xiàn)實。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合在異地或遠程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等。三.正文(一)虛擬儀器及LabVIEW概述所謂虛擬儀器,就是在以計算機為核心的的硬件平臺上,其功能由用戶設(shè)計和定義,具有虛擬面板,其測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一

7、種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)就是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,以多種形式表達輸出檢測結(jié)果;利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理;利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理,從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板,就如同使用一臺專用測量儀器一樣。因此,虛擬儀器的出現(xiàn),使測量儀器與計算機的界限模糊了。影響最大的虛擬儀器編程語言是美國NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI. LabVIEW是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言,使用"所見即所得"的可視化技術(shù)建立人機界面,使用圖形表示功

8、能模塊,使用圖標之間的連線表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞.同時,LabVIEW繼承了高級編程語言的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點,支持模塊化與層次化設(shè)計,這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計增強了程序的可讀性。(二)LabVIEW環(huán)境下虛擬儀器的設(shè)計方法 在LabVIEW平臺下，一個VI由兩部分組成：前面板和流程圖。前面板的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器與前面板想聯(lián)系的硬件電路。儀器前面板的設(shè)計指在虛擬儀器開發(fā)平臺上，利用各子模塊圖標創(chuàng)建用戶界面，即虛擬儀器前面板。儀器流程或算法設(shè)計是根據(jù)儀器功能要求，利用虛擬儀器開發(fā)平臺所提供的子模板，確定程序的流程圖，主要處理算法和所實現(xiàn)的技術(shù)方法。(三)La

9、bVIEW編程LabVIEW編程主要包括前面板設(shè)計和構(gòu)建框圖程序。前面板是程序設(shè)計與用戶交流的窗口,一個良好的前面板可以給用戶帶來一種友好的感覺,甚至是一種美的享受.前面板主要由控件構(gòu)成,控件又分為控制件和顯示件。圖形化的變成思想與用源代碼的傳統(tǒng)程序編程思想是一致的。為了完成對信號數(shù)據(jù)的采集，需要編寫對I/O借口硬件設(shè)備的驅(qū)動程序。為了對采集的信號數(shù)據(jù)進行運算，分析處理，需要編寫運算，分析處理程序等。使用LabVIEW開發(fā)平臺編輯程序的特別之處就是將傳統(tǒng)程序所需要的常量，數(shù)組，數(shù)據(jù)流控制命令等語句代碼都用圖標表示，不熟悉用源代碼進行語言編程的工程師，科學家一樣可以隨心所欲地編制流程圖程序。我們

10、可以把用LabVIEW圖形編寫的流程圖程序理解為就是源代碼編寫的傳統(tǒng)程序，他們的區(qū)別只是表達方式不同而已。(四)虛擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)過程1.調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器（即Modem），是計算機與電話線之間進行信號轉(zhuǎn)換的裝置，由調(diào)制器和解調(diào)器兩部分組成，調(diào)制器是把計算機的數(shù)字信號（如文件等）調(diào)制成可在電話線上傳輸?shù)穆曇粜盘柕难b置，在接收端，解調(diào)器再把聲音信號轉(zhuǎn)換成計算機能接收的數(shù)字信號。通過調(diào)制解調(diào)器和電話線就可以實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)通信。目前調(diào)制解調(diào)器主要有兩種：內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式調(diào)制解調(diào)器其實就是一塊計算機的擴展卡，插入計算機內(nèi)的一個擴展槽即可使用，它無需占用計算機的串行端口。它的連線相當簡

11、單，把電話線接頭插入卡上的“Line”插口，卡上另一個接口“Phone”則與電話機相連，平時不用調(diào)制解調(diào)器時，電話機使用一點也不受影響。外置式調(diào)制解調(diào)器則是一個放在計算機外部的盒式裝置，它需占用電腦的一個串行端口，還需要連接單獨的電源才能工作，外置式調(diào)制解調(diào)器面板上有幾盞狀態(tài)指示燈，可方便您監(jiān)視Modem的通訊狀態(tài)，并且外置式調(diào)制解調(diào)器安裝和拆卸容易，設(shè)置和維修也很方便，還便于攜帶。外置式調(diào)制解調(diào)器的連接也很方便，phone和line的接法同內(nèi)置式調(diào)制解調(diào)器。但是外置式調(diào)制解調(diào)器還得用一根串行電纜把計算機的一個串行口和調(diào)制解調(diào)器串行口連起來。2.調(diào)制解調(diào)器工作原理調(diào)制解調(diào)器由發(fā)送、接收、控制、

12、接口、操縱面板及電源等部分組成。數(shù)據(jù)終端設(shè)備以二進制串行信號形式提供發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換為內(nèi)部邏輯電平送入發(fā)送部分，經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制成線路要求的信號向線路發(fā)送。接收部分接收來自線路的信號，經(jīng)濾波、反調(diào)制、電平轉(zhuǎn)換后還原成數(shù)字信號送入數(shù)字終端設(shè)備。電話線可以使通信的雙方在相距幾千公里的地方相互通話，是由于在每隔一定距離都設(shè)有中繼放大設(shè)備，保證話音清晰。在這些設(shè)備上若再配置Modem，則能通電話的地方就可傳輸數(shù)據(jù)。一般電話線路的話音帶寬在3003400Hz 范圍，用它傳送數(shù)字信號，其信號頻率也必須在該范圍。常用的調(diào)制方法有三種:頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK) 、相位幅度調(diào)制(PAM)。頻移

13、鍵控(FSK)。用特殊的音頻范圍來區(qū)別發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。如調(diào)頻ModemBell-103型發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的二進制邏輯被指定的專用頻率是:發(fā)送，信號邏輯0、頻率1070Hz，信號邏輯1、頻率1270Hz;接收，信號邏輯0、頻率20 25Hz，信號邏輯1、頻率2225Hz。相移鍵控(PSK)，高速的Modem常用四相制，八相制，而四相制是用四個不同的相位表示00、01、10、11四個二進制數(shù)，如調(diào)相ModemBell-212A型。該技術(shù)可以使3 00bps的Modem傳送600bps的信息，因此在不提高線路調(diào)制速率僅提高信號傳輸速率時很有意義，但控制復雜，成本較高，八相制更復雜。相位幅度調(diào)制(P

14、AM)，為了盡量提高傳輸速率，不提高調(diào)制速率，采用相位調(diào)制和幅度調(diào)制結(jié)合的方法。它可用16個不同的相位和幅度電平，使1200bps的Modem傳送19200bps的數(shù)據(jù)信號。該種Modem一般用于高速同步通信中。3.虛擬調(diào)制解調(diào)器（1）正弦波仿真信號發(fā)生器功能描述：該正弦波仿真信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦信號指標如下頻率范圍 0.1Hz10kHz 可選初始相位 0180 可選幅值 0.1V5.0V 可選生成波的總點數(shù) N=8512 可選設(shè)計步驟a.前面板設(shè)計五個輸入型數(shù)字控件供使用者鍵入生成正弦波的頻率fx，初始相位，幅值，總采樣點數(shù)N和采樣頻率fs。操作controls>>numeric

15、>>numeric control 五次，得到五個輸入型數(shù)字控件，分別標記為信號頻率采樣頻率采樣點數(shù)信號幅值和初始相位輸出顯示型圖形控件用來顯示所產(chǎn)生的正弦波波形執(zhí)行controls>>graph>>wave graph 操作，調(diào)入圖形控件graph。其橫軸為時間軸。應(yīng)考慮到生成的信號頻率跨度大，在0.1Hz10kHz范圍內(nèi)，其周期跨度也大，在10s0.1ms范圍內(nèi)，縱軸為電壓軸，生成信號幅值的范圍應(yīng)充滿整個顯示畫面，故選用graph顯示器。注意，控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率fs，數(shù)字頻率f，一個周期采樣點數(shù)n與總點數(shù)N=samples的關(guān)系：fs=nfx，

16、故fs的最大值應(yīng)是被測信號頻率fx最大值的n倍，且N>=n執(zhí)行controls>>button>>vertical switch操作，調(diào)入開關(guān)按鈕控件，標記為復位相位執(zhí)行controls>>button>>text button操作，調(diào)入開關(guān)按鈕控件，標記為OFF如上設(shè)計的前面板如圖所示。 b.流程圖設(shè)計在流程圖中執(zhí)行functions>>structures>>while loop操作，調(diào)入while循環(huán)結(jié)構(gòu)執(zhí)行functions>> numeric四次，可以分別放置一個除法器，一個倒數(shù)器，及兩個常數(shù)在

17、流程圖中執(zhí)行functions>>analyze>>signal processing>>signal g eneration>>sine wave.vi操作，可調(diào)入sine wave.vi圖標在流程圖中執(zhí)行functions>>cluster>>bundle操作，調(diào)入bundle圖標在流程圖中執(zhí)行functions>>time&dialog>>wait操作，調(diào)入時鐘圖標在流程圖中執(zhí)行functions>>Boolean>>not操作，調(diào)入not圖標連線形成的虛擬正弦

18、波發(fā)生器的流程圖如圖所示。所需的數(shù)字頻率由除法器的輸出提供，該除法器完成信號頻率與采樣頻率之比的運算，同時將采樣頻率取倒數(shù)轉(zhuǎn)換為采樣間隔，給出正弦波形的采樣間隔，便于顯示。c.運行檢驗設(shè)置正弦信號f=0.2Hz，初相位=0，幅值=1.0V，采樣頻率=10Hz復位相位選為TRUE，采樣點數(shù)為100，生成的正弦波如圖所示（2）虛擬調(diào)制解調(diào)器原理及算法功能要求用該調(diào)幅波解調(diào)器可觀察調(diào)幅波，以及經(jīng)過巴特沃斯濾波器后的解調(diào)信號波形。a.調(diào)幅波的數(shù)字表達式及其特性，式中，常量，高頻載波角頻率，低頻緩變信號，其上限角頻率為。上式就是調(diào)幅波的一般數(shù)字表達式，它反映了低頻緩變信號對一高頻振蕩信號的控制。通常一般

19、將控制高頻信號的緩變信號稱為調(diào)制信號，載送緩變信號的高頻振蕩信號稱為載波。利用信號來控制或改變高頻振蕩的幅值稱為調(diào)制過程，其原理框圖如下： b.調(diào)幅波的解調(diào)調(diào)幅波的幅值反映調(diào)制信號數(shù)值的變化，在調(diào)制器之后加解調(diào)器，可將被測的調(diào)制信號與調(diào)幅波分離，并最后提取出來。解調(diào)器由乘法器和低通濾波器組成，其原理框圖如圖所示。解調(diào)器中的乘法器有兩個輸入信號，一個是待解調(diào)的調(diào)幅波，式中，比例常數(shù)，乘法器的另一個輸入信號稱為參考信號，它應(yīng)是與，載波頻率相同頻率的高頻信號，考慮到實際情況中，載波信號會有一個相位差，則為： ，于是，乘法器的輸出為，令,并根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，上式可寫為，當乘法器后接的低通濾波器的截止頻

20、率遠遠小于頻率，并大于信號的最高頻率時，上式中的頻率分量項將被低通濾波器大大衰減，而只有差頻信號項輸出，于是解調(diào)器的輸出為為：,中，為比例常量，可由實際標定得到。（3）虛擬調(diào)制解調(diào)器設(shè)計 a.前面板設(shè)計在上例虛擬正弦信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上再增加一個正弦波發(fā)生器，為兩個正弦波發(fā)生器一個做載波，一個做調(diào)制信號。前面板設(shè)計同上例。需添加參數(shù)輸入型數(shù)字控件，用以設(shè)置低通濾波器的低截止頻率。增加三個輸出顯示型控件，分別用以顯示載波，調(diào)制波，解調(diào)波的波形.九個輸入型數(shù)字控件供使用者鍵入采樣頻率、采樣點數(shù)、高頻信號頻率、低頻信號頻率、高頻信號幅值、低頻信號幅值、高頻信號初始相位、低頻信號初始相位。操作Contr

21、ols>>Numeric>>Digital.連續(xù)九次，得到九個輸入型控件。四個輸出顯示圖形控件用來顯示載波，調(diào)制信號，調(diào)制波和解調(diào)波形。執(zhí)行Controls>>Graph>>Waveform Graph操作，調(diào)入圖形控件Graph。其橫軸為時間軸，在0.1Hz-4.0Hz范圍內(nèi)，縱軸為電壓軸，生成信號幅值的范圍應(yīng)充滿整個顯示畫面。一個開關(guān)控件執(zhí)行Controls>>Boolean>>Labeled Ruond Button操作，調(diào)入開關(guān)按鈕控件，標記為“OFF”。前面板設(shè)計如下：b.流程圖設(shè)計在設(shè)計舉例虛擬正弦信號發(fā)生器的

22、流程圖基礎(chǔ)上再增加一個正弦波發(fā)生器圖標，另外執(zhí)行functions>>analyze>>signal processing>>filter>>butterwoeth filter.vi操作，調(diào)入巴特沃斯濾波器圖標。在流程圖中執(zhí)行Functions>>Structures>>While Loop操作，調(diào)入While循環(huán)結(jié)構(gòu)。執(zhí)行Functions>>Numeric5次，可以分別放置2個除法器，1個倒數(shù)器，2個乘法器。執(zhí)行Functions>>Cluster>>Bundle,調(diào)入Bundle

23、圖標。執(zhí)行Functions>>TimeDialog>>Wait操作，調(diào)入時鐘圖標。執(zhí)行Functions>>Boolena>>Not操作，調(diào)入Not圖標。設(shè)計完畢的流程圖如圖所示。對流程圖進行系統(tǒng)自動整理如下圖所示c.運行檢驗設(shè)置低頻調(diào)制信號的頻率為1Hz,幅值為1V,初始相位0,設(shè)置載波高頻信號的頻率為10Hz,幅值為1V,初始相位為0,設(shè)置巴特沃斯濾波器的低截止頻率為2Hz,設(shè)置對調(diào)制和載波信號的采樣頻率均為50Hz,采樣點數(shù)均為200點。運行結(jié)果如圖所示。四.心得與展望至此就已經(jīng)將虛擬調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計完成了，該系統(tǒng)可以在前面板靈活的調(diào)整調(diào)制波，載波的頻率，幅值等信息；該調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)具備一定的濾波功能，在流程圖界面可以設(shè)置不同的濾波器類型，如巴特沃斯濾波器，