基于Labview的通信系统的设计.doc

基于Labview通信系统设计摘要本设计基于LabVIEW仿真软件完成了基本通信系统与通信综合系统构建。该系统涵盖了模拟调制，数字调制，模拟信号数字传输，信道编码，最佳接收系统几部分内容。通过系统仿真，实现了系统输入输出波形直观显示，解决了教学中实验效果不理想，理论内容不好理解问题。同时通过内置Web Server进行网页发布后，用户可以在客户端通过web浏览器远程调用并运行本系统，提高效率，节约成本。关键词：通信系统；幅度调制；脉冲编码调制ABSTRACT This design based on the completion of the basic LabVIEW simulation software communications system and the communication of the construction of the integrated system. This system covers analog modulation, digital modulation, analog signal digital transmission, channel coding, best the receiving system several parts content. Through the simulation, realize the system input/output waveform of visual display, solve the experiment teaching effect is not ideal, theory content of understanding of bad. And at the same time through built-in Web Server for Web publishing, users can in the client through the Web browser remote calls and run this system, improve efficiency, the cost savings.Keywords: communication system; Amplitude modulation; Pulse code modulation目 录第一章 绪论2 1.1 课题提出背景及意义2 1.2 毕业设计任务21.3 基本设计要求.3第二章 Labview 简介3第三章 通信系统实现7 3.1 通信系统介绍 3.1.1 模拟通信系统9 3.1.2 数字通信系统910 3.2.2 数字基带设计11 3.2.3 数字频带设计13 3.2.4 模拟数字15 3.2.5 信道编码设计20致谢23参考文献24第一章 绪 论 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司推出一种虚拟仪器软件开发工具，它为工程设计人员提供了直观图形化编程语言，主要用于开发测试、测量及控制系统。图形化程序语言，又称为G语言。使用G语言编程时，用流程图或框图代替传统程序代码，具有易掌握易编程易理解特点。除了具有强大用户界面设计与数据处理能力外，LabVIEW 还可以通过内置Web Server进行网页发布，是用户在客户端通过网页浏览器就可以访问发布vI，获得程序远程调用与运行权限。一个基于LabVIEW 仿真系统，使研究人员工作效率得到大大提高，学生学习方式得到改进目前，已经有很多技术软件可以完成通信系统构建。程玲等人在Matlab仿真在通信原理教学中应用 中，采用了Matlab软件完成了通信系统设计。钟福如等人在应用System View仿真软件进行通信原理课程辅助教学 中，采用了System View软件完成通信系统仿。本设计包括基本通信系统与通信系统综合设计两大部分内容。基本通信系统包括模拟调制系统、数字基带系统、数字频带传输系统、模拟信号数字传输、最佳接收系统、信道编码系统六部分，涵盖了通信系统全部主要内容。综合通信系统根据基本通信系统中设计模块来构建。本系统可以进行多点测量、参数设置，实时观测到参数改变对系统性能影响；可以产生直观波形，如时域波形、信号频域频谱、误码率曲线图、系统眼图等；可以完成编码、译码计算如分组码、循环码、维特比算法等。总体设计要求及技术要点：1.3 基本设计要求：1.设计一个基于labview通信系统。包括模拟调制与数字调制两部分内容。2.说明通信仿真意思，学会利用软件实现仿真。3.说明几种调制方法原理，建立仿真模型，并对几种方法进行比较分析。4.不同调制方法实现模块化编程，可调用。5.友好人机交互界面，可以实时修改参数，观察仿真效果。第二章 LabVIEW简介虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是基于计算机系统数字化测量测试仪器，它充分利用现有计算机资源，配以独特设计仪器硬件与专用软件，能实现普通仪器全部功能以及一些在普通仪器上无法实现特殊功能，因此常被称作“软件仪器”。VI利用数据采集模块完成一般测量测试仪器数据采集功能；利用计算机系统完成一般测量测试仪器数据分析与输出显示等功能。VI是计算机技术、现代测量技术共同发展结晶，代表着当今仪器发展最新趋势。美国 NI公司开发LabVIEW是虚拟仪器领域中最具代表性图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应用最广数据采集与控制开发环境之一，主要应用于仪器控制，以及数据采集、分析与显示等领域，并适用于多种不同操作系统平台。及传统程序语言不同， LabVIEW采用强大图形化语言(G语言)编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大数据可视化分析与仪器控制能力等特点。在LabVIEW开发环境下，用户可以创建32位编译程序，从而为常规数据采集、测试、测量等任务提供更快运行速度。LabVIEW是真正编译器，用户可以创建独立可执行文件，能够脱离开发环境而单独运行。 LabVIEW开发环境分为三部分：前面板、框图程序与图标连接端口。前面板是图形化用户界面，用于设置输人数值与观察输出量。在前面板中，输入量被称为控制，输出量被称为指示，它们通过各种图标，如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上，模拟真实仪器。框图程序由节点与数据连线组成，它利用图形语言对前面板上控制对象即输入量与输出量进行控制，节点用来实现函数与功能调用，数据连线表示程序执行过程数据流，它定义了程序框图内数据流动方向。通过对仪器软件对象进行图形化组合操作，利用LabVIEW内置 TCPIP协议组与图形化通讯模型，就可以使用多 种设备，包括GPIB、VXI、PXI、串口、PLC以及插入式数据采集板等进行数据采集，经济方便地实现网络通讯与程序通讯以及现场测控与远程测控。特点：尽可能采用了通用硬件，各种仪器差异主要是软件可充分发挥计算机能力，有强大数据处理功能，可以创造出功能更强仪器。用户可以根据自己需要定义与制造各种仪器。未来虚拟仪器研究另一个问题是各种标准仪器互连及及计算机连接。目前使用较多是IEEE488 或 GPIB协议。未来仪器也应当是网络化。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化编程语言开发环境，它广泛地被工业界、学术界与研究实验室所接受，视为一个标准数据采集与仪器控制软件。LabVIEW 集成了及满足 GPIB、VXI、RS-232与 RS-485 协议硬件及数据采集卡通讯全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准库函数。这是一个功能强大且灵活软件。利用它可以方便地建立自己虚拟仪器，其图形化界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉术语、图标与概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户工具。它可以增强你构建自己科学与工程系统能力，提供了实现仪器编程与数据采集系统便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可产生独立运行可执行文件，它是一个真正32位/64位编译器。像许多重要软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh多种版本。它主要方便就是，一个硬件情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同仪器仪表功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在图形化主要是上层系统，国内现在已经开发出图形化单片机编程系统（支持32位嵌入式系统，并且可以扩展），不断完善中(大家可以搜索 CPUVIEW 会有更详细信息；）LABVIEW应用领域 LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。 测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛应用领域。经过多年发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛承认。至今，大多数主流测试仪器、数据采集设备都拥有专门LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需所有功能，用户在这些工具包基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中函数，就可以组成一个完整测试测量应用程序。控制：控制及测试是两个相关度非常高领域，从测试领域起家LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域模块-LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用设备、数据线等通常也都带有相应LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便编制各种控制程序。仿真：LabVIEW包含了多种多样数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计合理性，找到潜在问题。在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样效果，使学生不致失去实践机会。儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受与理解，所以LabVIEW非常受少年儿童欢迎。对于没有任何计算机知识儿童而言，可以把LabVIEW理解成是一种特殊“积木”：把不同原件搭在一起，就可以实现自己所需功能。著名可编程玩具“乐高积木”使用就是LabVIEW编程语言。儿童经过短暂指导就可以利用乐高积木提供积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动与行为程序。除了应用于玩具，LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用版本。快快速开发：根据笔者参及一些项目统计，完成一个功能类似大型应用软件，熟练LabVIEW程序员所需开发时间，大概只是熟练C程序员所需时间1/5左右。所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用LabVIEW，以缩短开发时间。跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabVIEW。LabVIEW具有良好平台一致性。LabVIEW代码不需任何修改就可以运行在常见三大台式机操作系统上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW还支持各种实时操作系统与嵌入式设备，比如常见PDA、FPGA以及运行VxWorks与PharLap系统RT设备。版本信息简单回顾一下LabVIEW最近发展历史（也仅限于我能够收集到版本），从这里也可以间接体会到LabVIEW发展速度有多快。从LabVIEW软件版本来看（我能收集到），应该有LabVIEW 5系列、LabVIEW 6系列、LabVIEW 7系列与LabVIEW 8系列。发布年份可能有误，以NI为准。 LabVIEW 5.0 发布于：1998年 LabVIEW 5.1.1 发布于：2000年3月 LabVIEW 6.02 发布于：2001年2月 LabVIEW 6.1 发布于：2002年1月 LabVIEW 7.0 发布于：2003年5月 LabVIEW 7.1 发布于：2004年4月 LabVIEW 7.1.1 发布于：2004年11月 LabVIEW 8.0 发布于：2005年10月 LabVIEW 8.0.1 发布于：2006年2月 LabVIEW 8.20 发布于：2006年8月 LabVIEW 8.2.1 发布于：2007年3月 LabVIEW 8.2.1f4 发布于：2007年9月 LabVIEW 8.5 发布于：2007年8月 LabVIEW8.5.1 发布于：2008年4月 LabVIEW8.6 发布于：2008年8月 LabVIEW8.6.1 发布于：2009年2月 LabVIEW 2010 发布于：2010年8月 LabVIEW 2011 发布于：2011年8月 从NILabVIEW版本号，可以看出： 1、 系列号：5、6、7、8表示新系列，软件结构或功能可能有重大改进（付费升级） 2、 版本号：5.x、6.x、7.x、8.x表示软件有新内容或比较大改进（付费升级） 3、 版本号：5.x.x、6.x.x、7.x.x、8.x.x表示软件较上个版本进行了修补（免费升级）总之，由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用图形编程方式，能够将繁琐复杂语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。及传统编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85以上程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，表达出了极高效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新仪器系统。例如，用户可以将原有带有RS232接口仪器、 VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新仪器系统，由计算机进行统一管理与操作。可以预见，由于LabVIEW这些其他语言无法比拟优势，已经成为该领域一朵奇葩！最终将引发传统仪器产业一场新革命。可以预见，由于LabVIEW这些其他语言无法比拟优势，已经成为该领域一朵奇葩！最终将引发传统仪器产业一场新革命。第三章 通信系统实现通信系统一般模型实现信息传递所需一切技术设备与传输媒质总与称为通信系统。以基本点对点通信为例，通信系统组成（通常也称为一般模型）如图所示。 图中，信源（信息源，也称发终端）作用是把待传输消息转换成原始电信号，如 系统中 机可看成是信源。信源输出信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移与变换）原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，。根据原始电信号特征，基带信号可分为数字基带信号与模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源与模拟信源。     发送设备基本功能是将信源与信道匹配起来，即将信源产生原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输信号。变换方式是多种多样，在需要频谱搬移场合，调制是最常见变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码与信道编码等。    信道是指信号传输通道，可以是有线，也可以是无线，甚至还可以包含某些设备。图中噪声源，是信道中所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声集合。    在接收端，接收设备功能及发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它任务是从带有干扰接收信号中恢复出相应原始电信号来。    信宿（也称受信者或收终端）是将复原原始电信号转换成相应消息，如 机将对方传来电信号还原成了声音。    图 给出是通信系统一般模型，按照信道中所传信号形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统与数字通信系统。3.1.1 模拟通信系统     模拟通信系统组成可由一般通信系统模型略加改变而成，如图 所示。这里，一般通信系统模型中发送设备与接收设备分别为调制器、解调器所代替。    对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号（发端信息源完成）与把电信号恢复成最初连续消息（收端信宿完成）。由信源输出电信号（基带信号）由于它具有频率较低频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反变换，它由解调器完成。经过调制后信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。 必须指出，从消息发送到消息恢复，事实上并非仅有以上两种变换，通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线辐射及接收、控制等过程。对信号传输而言，由于上面两种变换对信号形式变化起着决定性作用，它们是通信过程中重要方面。而其它过程对信号变化来说，没有发生质作用，只不过是对信号进行了放大与改善信号特性等，因此，这些过程我们认为都是理想，而不去讨论它。 数字通信系统 数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。    1. 数字频带传输通信系统    数字通信基本特征是，它消息或信号 具有 “离散”或“数字” 特性，从而使数字通信具有许多特殊问题。例如前边提到第二种变换，在模拟通信中强调变换线性特性，即强调已调参量及代表消息基带信号之间比例特性；而在数字通信中，则强调已调参量及代表消息数字信号之间一一对应关系。    另外，数字通信中还存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成差错，原则上是可以控制。这是通过所谓差错控制编码来实现。于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行 人为 “扰乱”（ 加密），此时在收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输是一个接一个按一定节拍传送数字信号，因而接收端必须有一个及发端相同节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组，于是，在收发之间一组组编码规律也必须一致，否则接收时消息真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致 为 “位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个 重要问题。    综上所述，点对点数字通信系统模型一般可用图所示需要说明是，图中调制器 / 解调器、加密器 / 解密器、编码器 / 译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件与要求。但在一个系统中，如果发端有调制 / 加密 / 编码，则收端必须有解调 / 解密 / 译码。通常把有调制器 / 解调器数字通信系统称为数字频带传输通信系统。    2. 数字基带传输通信系统    及频带传输系统相对应，我们把没有调制器 / 解调器数字通信系统称为数字基带传输通信系统如图所示。图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。    3. 模拟信号数字化传输通信系统    上面论述数字通信系统中，信源输出信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即进行 A/D 转换；在接收端需进行相反转换，即 D/A 转换。实现模拟信号数字化传输系统如图所示。模拟通信主要包括AM，SSB AM 系统调制原理：幅度调制(AM) 是指用调制信号去控制载波幅度，使其随调制信号呈线性变化过程。通常载波取正弦波：C(t)=A cos(eoct)，调制信号用m(t) 表示，所以可得AM调制信号时域表示式为SAM(t)=A0+m(t)cos(t) (1) AM调制信号频域表示式为：SAM(o)=7tA06(o+Oo)+6(一COo)+12*M(+()+M(coCOo) 其中，M()为调制信号m(t)傅里叶变换。3.21.2单边带调制SSB：单边带调制就是只传送双边带信号中一个边带（上边带或下边带）。所以，产生单边带信号最直接方法就是从双边带信号中滤出一个边带信号即可。这种方法称为滤波法，是最简单，最常用方法。3.2.1.3 SSB单边带前面板如下：3.2.1.4 SSB程序框图如下：3.2.2.1 数字基带包括：PST，CMI，双项码3.2.2.2 数字基带含义：数字基带信号， 是信源发出、未经调制或频谱变换、直接在有效频带及信号频谱相对应信道上传输数字信号，是消息代码电波形，是用不同电平或脉冲来表示相应消息代码。数字基带信号类型很多，常见有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲与升余弦脉冲等。最常用是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成与变换。数组程序框图如下：3.2.3.1包括：2ASK，2FSK，2DPSK2ASK设计原理：在现代数字通信系统中，频带传输系统应用最为突出。将原始数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输频带信号，传输这个信号系统就称为频带传输系统。在频带传输系统中，根据数字信号对载波不同参数控制，形成不同频带调制方法。幅移键控法(ASK)载波幅度是随着调制信号而变化，其最简单形式是，载波数字形式调制信号在控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。本设计中选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波信号振幅进行调制，载波在数字信号1或0控制下通或断，在信号为l状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，调制后信号频带宽度为二进制基带信号宽度两倍，此调制称为二进制振幅键控信号3.2.3.3 2ASK调制程序框图3.2.3.5 2ASK调制及解调程序框图3.2.4.1模拟数字包括：PCM，DPCM，时分复用系统PCM原理：PCM产生包括抽样、量化、编码三个步骤抽样过程满足抽样定理，量化采用非均匀量化，编码采用A律13折线压缩编码方法。调制过程中载波为脉冲信号。PCM前面板程序设计图为PCM前面板程序框图。该系统以PCMA律13折线8位编码为例。系统上方为输人部分，可以进行抽样频率，调制信号类型、频率、幅度以及PCM码速率设置。系统下方为输出显示部分。左半边为抽样波形、PCM波形与PCM译码波形显示。右半边为对应抽样值与编码值。通过此系统框图可以直观观察PCM系统编译码波形以及编码结果。为PCM系统后面板程序框图，通过此程序完成了PCM系统仿真。3.2.4.8 PCM编解码系统3.2.4.9 PCM编解码系统框图信道编码设计主要包括线性分组码设计、汉明码设计。一线性分组码设计原理 所谓线性码，就是指信息位与监督位满足一组线性方程码。分组码是将信息码进行分组，然后为每组信息码附加若干位监督码元编码方法得到码集合。二程序框图一汉明码设计原理 设码字，其中为信息位，为监督位。按照逻辑关系有，致谢参考文献1刘君华。基于Labview虚拟仪器设计。北京电子出版社，20032袁渊，古军。虚拟仪器基础教程M.成都：电子科技大学出版社，20003韦雪洁，刘良聪。基于labview通信系统构建。北华航天工业学院学报,，20114陈锡辉。Labview8.2程序设计入门到精通M.北京：清华大学出版社，20075杨乐平，李海涛，肖相生. LabVIEW程序设计及应用M北京：北京电子工业出版社，20026刘君华，贾惠芹虚拟仪器图形化编程语言Labview教程M西安：西安电子科技大学出版社，20017张凯. LabVIEW虚拟仪器工程设计及开发M北京：国防工业出版社，20048 John G Proakis. 数字通信（第4版）英文版， 电子工业出版社9程铃，徐冬冬Matlab仿真在通信原理教学中应用J实验室研究及探索，2010，29(02)10钟福如，李栓明应用System View仿真软件进行通信原理课程辅助教学J甘肃大学学报(自然科学版)，2008，22(01) 11樊昌信通信原理M第6版北京：国防工业出版社，2008第 17 页