基于labview的数字通信系统

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1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要本文主要研究内容是基于LABVIEW的通信原理系统仿真，不单介绍了虚拟仪器的概念和LABVIEW仿真环境，并详细阐述了基于LABVIEW软件对通信系统的部分过程进行仿真的设计过程。首先对信号发生器进行了原理分析和设计，通过信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波、直流信号和斜波几种基本信号波形；接着对频谱分析仪进行了原理分析和设计，对正弦波、锯齿波、方波和三角波的频谱通过傅里叶变换进行了分析；然后对数字带通传输系统中的二进制数字调制的过程进行仿真，其中包括二进制振幅键控调制(2ASK)、二进制频移键控调制和二进制相移键控调制(2PSK)。并且对正交振幅调制的过程进行

2、了设计，从而实现了正弦载波数字调制；最后利用LABVIEW软件对整个系统的设计进行分析和显示，将整个系统的仿真过程和结果完整，准确地表述了出来。关键词：LABVIEW；信号发生器；频谱分析；二进制数字调制；正交振幅调制AbstractIn this paper communication principle system based on LABVIEW is mainly investigated. It not only introduces the concept of virtual instrument and the LABVIEW software, but also state

3、 part of the process of communication system simulation based on the software. First of all ,this paper analyses the signal generator principle and designes the process of simulation. Through the signal generator can generate sine wave, square wave, triangle wave, the dc signal and oblique wave seve

4、ral basic signal waveform. Then the principle of spectrum analyzer is analysed and design the mathod of sine wave, sawtooth wave, square wave and the spectrum of the triangle wave by the analysis of Fourier transform .And then this paper introduce the process of simulation to the digital modulation

5、kind of binary,which includes binary frequency shife keying, binary amplitude shife keying and phase shift keying .It also introduce the design process of orthogonal amplitude modulation which fulfilling the sine carrier digital modulation. Finally,the paper analyses the whole system design analysis

6、 and display by the LABVIEW software. easy to debug and other advantages, the process of simulation of the system and the results.The whole system and the results of the simulation process is complete and accurate to express out.Keywords:LABVIEW; Signal generator; Spectrum analysis; Binary digital m

7、odulation; Orthogonal amplitude modulation目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1 研究的目的和意义11.2 该课题目前的现状21.3 研究的内容及具体安排22 LABVIEW功能介绍42.1 LABVIEW简介42.1.1 LABVIEW概述42.1.2 虚拟仪器VI概述52.1.3 LABVIEW的应用52.2 用LABVIEW实现仿真63 通信系统原理分析73.1 信号发生器73.1.1 功能描述73.1.2 基本原理分析73.2 频谱分析仪器83.2.1 功能描述83.2.2 基本原理分析93.3 二进制振幅键控(2ASK)调制103

8、.3.1 功能描述103.3.2 基本原理分析103.4 二进制频移键控(2FSK)调制123.4.1 功能描述123.4.2 基本原理分析123.5 二进制相移键控(2PSK)调制143.5.1 功能描述143.5.2 基本原理分析143.6 正交振幅调制(QAM)163.6.1 功能描述163.6.2 基本原理分析164 仿真过程和结果分析184.1 虚拟信号发生器的设计184.1.1 主要控件功能及使用说明184.1.2 设计分析194.1.3 设计结果显示264.2 虚拟频谱分析仪的设计294.2.1 主要控件功能及使用说明294.2.2 设计分析324.2.3 设计结果显示324.3

9、 二进制数字调制过程的设计344.3.1 主要控件功能及使用说明344.3.2 二进制振幅键控(2ASK)调制过程设计364.3.3 二进制频移键控(2FSK)调制过程设计384.3.4 二进制相移键控(2PSK)调制过程设计404.4 正交振幅调制(QAM)过程的设计424.4.1 主要控件功能及使用说明424.4.2 设计分析434.4.3 设计结果显示444.5 系统连接设计444.5.1 封面设计454.5.2 选择界面设计46总 结48致 谢49参考文献50附录A 英文原文51附录B 中文翻译63IV1 引言在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源

10、，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。为了传递消息，各种消息需要转换成电信号。信号是消息的表现形式，消息则是信号的具体内容。随着信号传输、信号交换理论与应用的发展，出现了“信号处理”的课题。目的是通过对信号进行某种加工或变换削弱信号中的多余内容；滤除混杂的噪声和干扰；或者是将信号变换成容易分析与识别的形式，标语估计和选择它的特征参量。信号

11、处理几乎涉及到所有的工程技术领域，而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。沟通时间频率的数字表达方法就是傅里叶变换，它是把时间信号分解成正弦和余弦曲线的叠加，完成信号由时间域转换到频率域的过程。频谱分析仪就可以完成此功能。数字通信已经成为当代通信技术的主流。数字调制是其中重要的一部分。1.1 研究的目的和意义由于近年来我国高等教育强调实际动手能力的重要性，许多学校为了提高学生解决实际问题的能力，正着手改进实验设备。而目前高档实验室台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等，我们国家还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用LABVIEW可以通过只

12、采购必要的通用数据采集硬件来设计自己的虚拟仪器仿真系统。因为LABVIEW利用了这样一个事实计算机无处不在并且比标准的实验室仪器更灵活。在LABVIEW中，软件就是仪器。使用LABVIEW可创建自己的虚拟仪器(VI)。这样改进实验室仪器的有效方法就是通过修改和改进计算机程序(即仿效标准仪器的虚拟仪器)，而不是用新的硬件设备更新实验室。同时教育工作者受现代社会工业需求的影响，要培养出在数据采集和分析、构建物理系统的计算机仿真系统方面有经验的大学毕业生。例如在美国，许多工科大学已将LABVIEW作为课堂或实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。LABVIEW可使学生及早面对图形编程的许多应用

13、。LABVIEW不仅帮助学生增进对基础学科、数学和工程学原理的了解，而且还鼓励学生探索高级课程。学生可通过设计运行LABVIEW程序认识到特殊的课题，或使用掌握的技术开发自己的应用程序。LABVIEW提供真实的亲身体验以补充整个学习过程。在基于LABVIEW这个高效的虚拟仪器开发平台上的通信系统仿真中，不用借助于实验室的复杂设备，在学习知识的同时可以自己用图形语言开发出各种虚拟仪器，综合应用以前所学过的数学和信号处理方面的相关知识，像搭积木一样，在普通计算机上构建一个个人实验室，完成通信系统的综合测试实验摆脱了功能单一、固定的现成仪器的束缚，可以充分发挥自己的积极性和创造性，更有利于对通信系统

14、各方面知识有更深入的理解。1.2 该课题目前的现状信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域，而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。一般的频谱分析都是依靠传统频谱分析仪来完成，价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员的携带。虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件。使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。目前，国内外的工程师和科学家们正在成千上万台测控设备中使用虚拟仪器，从而缩短了产品的研发时间，提高产品的质量，降低产品成本。虚拟仪器的出现时测控技术界和测试仪器制造界的一次具有深远意义的“技术革命”。它像PC机出现一样，影响到

15、国内外的各行各业、影响全人类的社会活动、教学、科学实验、国防和工农业生产，甚至进入家庭自动化管理。美国NI公司开发的LABVIEW和中国COINV开发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个虚拟仪器开发平台，其软件各有特点，互相不能替代，其功能是相互补充的。自1884年5月24日莫尔斯在华盛顿和巴尔得摩之间发送世界上第一份电报以来，电报通信已经经历了150多年。但是长期以来，由于电报通信不如电话通信方便，作为数字通信主要形式的电报却比1876年贝尔发明的电话发展缓慢。直到20世纪60年代以后，数字通信才日益兴旺起来，甚至目前出现了数字通信替代模拟通信的某种趋势。1.3 研究的内容及具体安

16、排我研究的课题主要是应用LABVIEW软件首先进行对通信系统中基本信号发生器的仿真设计及虚拟频谱分析仪的仿真设计，虚拟信号发生器主要用于产生几种常用的波形信号，便于之后对信号的各种分析和处理。通过傅里叶变换来观察信号从时域向频域变化的特性，从而实现对信号频谱的分析。其次是对数字带通传输系统中调制阶段仿真，因为实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的某些参量随基带信号的变化而变化，即对基带信号进行调制。本次研究中主要对二进制振幅键控调制(2ASK)、二进制频移键控调制(2FSK)、二进制相移键控调制(2PSK)以及正交振幅调制(QAM)进行仿真设

17、计。具体的设计安排如下：第1章，引言。主要对课题的意义和现状进行了分析和简单的介绍；第2章，Lab VIEW功能简介。对Lab VIEW进行了简要的概述。第3章，通信系统原理分析。对整个系统所涉及到的各个阶段的原理进行分析；第4章，仿真过程显示和结果分析。对总体的仿真结果进行了显示。2 LABVIEW功能介绍2.1 LABVIEW简介2.1.1 LABVIEW概述越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。从模拟技术向数字技术过度、从单台仪器向多种功能仪器组合过度、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡、从简单的功能组合向个人

18、计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡、从硬件模块向软件包形式过渡，代表了今后电子测试仪器的发展方向。目前，一组以先进的计算机总线技术和虚拟仪器编程技术为核心的新技术，正在应用于测试与仪器技术领域。采用这些新技术的测试仪器，预计其技术性能可比传统独自台式仪器提高10倍以上，而且系统互换性和互操作性显著提高。未来的电子测试仪器除了拥有更强大和更完善的功能之外，还将变得更小，甚至可以移植到被测试的设备或电路中去，并且具有自我诊断、自我校准和自我感知的能力。届时，人们仅仅需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终的测试结果和信息。综上所述，混化总线和网络化、软件化的仪器上未来测试与仪器技术发展的主要标志

19、，这一切都离不开先进的测试与仪器开发平台，而图形虚拟仪器集成开发环境LABVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)提供了最佳的平台。它事实上已经成为图形化编程语言的工业标准。LABVIEW语言是美国NI(Nationnal Instrument)公司开发的一种非常优秀的图形化编程语言，因此也被称为G语言(graphical language)。它是一种用图形代码来代替编程语言创造应用程序的开发工具，它使用数据流编程方法来描述程序的执行，用图标和连线代替文本形式的编程程序。与其他编程语言相同，G语言既定义了数据类型、结构类

20、型、语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。LABVIEW是一种带有扩展库函数的通用程序开发系统，其库函数包括数据采集，通用接口总线和串口仪器控制，数据显示，分析与存储等。LABVIEW是一个通用编程系统，它不但能够完成一般的数学运算，逻辑运算和输入输出功能，它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具尤其还带有专业的数学分析程序。2.1.2 虚拟仪器VI概述虚拟仪器VI(virtual instrument)是LABVIEW首先提出的创新概念。最初LABVIEW提出的虚拟仪器概念实际是一种

21、程序设计思想，这种设计思想可以简单表达为：一个VI可以由前面板、数据流框图和图标连接端口组成，前面板相当于真实物理仪器的操作面板，而数据流框图就相当于仪器的电路结构，前面板和数据流框图有各自的设计窗口，而图标连接端口则负责前面板窗口和框图窗口之间的数据传输和交换。随着现代测试与仪器技术的发展，目前虚拟仪器概念已经成为一种创新的仪器设计思想，成为设计复杂测试系统和测试仪器的主要方法和手段。虚拟仪器概念是LabVLEW的精髓，也是G语言区别于其他高级语言最显著的特征。可以说，正是由于LABVIEW的成功，才使得虚拟仪器的概念得以为学术界和工程界广泛接受，反过来也正是因为虚拟仪器概念的眼神与发展，使

22、得LABVIEW的应用更加广泛。2.1.3 LABVIEW的应用LABVIEW是当今测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展的方向。在国内外它广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球物理、电子、机械等各种领域，进行工程技术工作和科学研究。从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工作自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，我们都可以看到LABVIEW应用的成果和开发的产品。1、 LABVIEW应用于测试与测量LABVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，它可以通过串行设备和插卡式数据采集板构成实际的数据采集系统。它提供工业界最大的仪器驱动程序库，它还支持通过Internet等交互式通

23、信方式实现数据共享，它所提供的众多开发工具使得复杂的测试与测量任务变得简单易行。2、 LABVIEW应用于工程控制盒工业自动化由于LABVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，使得它为过程控制和工业自动化一个用提供了优秀的解决方案。当然对于更复杂的专业自动化领域，在LABVIEW基础上发展起来的BridgeVIEW是更好的选择。3、 LABVIEW应用于实验室研究与自动化LABVIEW为科学家和工程师提供了强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学计算模块，可满足他们计算、分析的需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设

24、计等高级或特殊分析的场合，LABVIEW也提供了专门的软件包。4、LABVIEW的优越性采用虚拟仪器技术构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度，可靠性和稳定性能够得到充分保证。具有很高的性价比，节省资源，便于设备更新和功能转换与扩充。对于测试工程师而言，LABVIEW最大的优势表现在两方面：一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高；另一方面LABVIEW针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需要直接调用，就可免去自己编写程序的繁琐，而且LABVIEW作为开放的工业标准

25、，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。2.2 用LABVIEW实现仿真用于仿真的软件不同于其他软件，因为通常仿真计算会涉及到数字及信号处理过程。人们已经开发了多种专门用于仿真的语言，一个好的仿真语言应该具有以下特点：可以方便地将仿真任务译成程序语言；出色的数据可视化能力；有适合仿真计算的数据结构范围；通过简单的操作即可完成变量计算和参数设定；精心构建于数学、信号理论上；与现实世界有良好的互联性。LABVIEW自身就集成了功能强大的数学分析和信号处理工具以及完善成熟的硬件I/O技术，使其在仿真领域同样具有出色的表现，LABVIEW的图形表示工具能够非常方便地将仿真结

26、果表示出来，LABVIEW集成的丰富的函数模块使其在将仿真程序化是效率非常高，并且NI公司还为高级仿真、建模应用专门开发了LABVIEW仿真工具包。采用通用的模块和符号，编制仿真、建模程序非常容易。3 通信系统原理分析3.1 信号发生器3.1.1 功能描述虚拟信号发生器主要用于产生几种常用的波形信号。本虚拟信号发生器具有产生标准模块波形的功能。主要信号包括：正弦波、斜波、负斜波、方波、三角波以及直流信号。3.1.2 基本原理分析计算机通过数据采集(DAQ)多功能卡从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息，再进行信号调理，最终到达频谱分析仪的将是A/D转换后的采样信号。也就是说信

27、号发生器发出的信号必须是采样后的数字信号。本虚拟信号发生器可以产生正弦波、斜波、负斜波、方波和三角波，并且可随意调节它们的频率、幅度、相位、采样点数等参数，显示出时域信号波形。因各个信号产生原理基本一致，这里就只介绍正弦波信号一般产生方法。1、正弦信号的离散时间序列 图3.1 关系曲线 按等采样间隔在一个周期内取正弦函数的n=10个离散值U(i)(i=0, 1, , 9)，其序列值U(i)与离散时间的关系如图3.1所示采样间隔 、采样频率、信号周期、信号频率之间的关系如下： (3.1)式中n一个周期内的采样点数，也即取函数值的个数。令： (3.2)于是得： (3.3)式中采样频率。采样频率要大

28、于信号频率的两倍。2、正弦函数的离散时间表达式已知正弦函数的连续时间表达式为 (3.4)式中:为初相位；为角频率；A为幅值。当时间取离散值时，将与代入式(3.4)，可得： (3.5)式中i为离散时间序号。将弧度用360表示，并省略，则得： (3.6)或写为： (3.7)式中为数字频率。数字频率f等于一个周期内采样点数n的倒数，它是信号频率与采样频率之比 ，即 (3.8)将(3.3)式代入(3.8)式，即得式(3.9)： (3.9)3、正弦波发生函数的数学运算式正弦波发生函数所执行的数学运算式如下： (3.10)式中i离散时间序列序号；Amplitude生成正弦波的幅值，即式(3.5)中的A；p

29、hase0生成正弦波的初相位，即式(3.5)中的；f生成正弦波的数字频率。3.2 频谱分析仪器3.2.1 功能描述频谱分析仪是在频域上观察电信号的特征，并在显示器上显示当前频谱图的仪器。即信号的幅值和相位按频率变化的分布规律。本文利用LABVIEW的数字信号处理功能，对数据进行处理，主要是得到信号的幅度谱、功率谱。3.2.2 基本原理分析将时域信号变成频域信号再分析成为频谱分析。程序采用“复数至极坐标转换”函数将FFT的输出分解为幅值和相位。1、周期信号的傅里叶级数分析对于周期信号而言，在进行频谱分析时可以利用傅里叶级数，也可以利用傅里叶变换，傅里叶级数相当于傅里叶变换的一种特殊表达形式。傅里

30、叶级数有两种形式分别为三角函数形式和指数形式。(1)三角函数形式的傅里叶级数由数学分析课程已知，按照傅里叶级数的定义，周期函数可由三角函数的线性组合来表示，若的周期为T1,，角频率为，频率，傅里叶级数展开表达式为 (3.11)式中n为正整数，各个谐波成分的幅度值按以下各式计算：直流分量 (3.12)余弦分量的幅度 (3.13)正弦分量的幅度 (3.14)其中式(3.11)表明：任何周期信号只要满足狄利克雷条件就可以分解成直流分量及许多正弦、余弦分量。这些正弦、余弦分量的频率必定是基频f1的整数倍。各分量的幅度及相位都是的函数，把它们的关系绘制成图形称为信号的幅度频谱简称幅度谱。周期信号的频谱只

31、会出现在离散频率点上，这种频谱称为离散谱。(2)指数形式的傅里叶级数周期信号的傅里叶级数展开也可表示为指数形式，其形式为 (3.15)式中是指数形式傅里叶级数的系数，它等于式(3.16) (3.16)同样可以画出指数形式表示的信号频谱。因为一般是复函数，所以称这种频谱为复数频谱。由于在式(3.16)中不仅包括正频率项而且含有负频率项，因此这种频谱相对于纵轴左右时对称的。2、周期信号频谱的特点离散性。只在(n=0，1，2)。离散值上取值(实频谱)或只在(m=0,1,2)离散点上取值(复频域)。谐波性。每条谱线只出现在基波频率()的整数倍的频律上。基波频率是诸分量频率的公约数，相邻谱线间隔为。收敛

32、性。常见的周期信号幅值总的趋势是随谐波次数的增高而减小。由于这种收敛性，实际测量中可以在一定误差允许范围内忽略次数过高的谐波分量。3.3 二进制振幅键控(2ASK)调制3.3.1 功能描述振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。3.3.2 基本原理分析在2ASK中，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制信息“0”和“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通断键控(On Off Keying，OOK)，见式(3.17)其表达式为 (3.17)典型波形如图3.2所示。可见，载波在二进制基带信号控制下通断变化，所以这种键控又称为通断键控。在OOK中，某一

33、种符号(“0”或“1”)用没有电压来表示。2ASK信号的一般表达式为 (3.18)其中 (3.19)式中：码元持续时间；为持续时间为的基带脉冲波形。为简便起见，通常假设是高度为1、宽度等于的矩形脉冲；是第个符号的电平取值。若取 (3.20)则相应的2ASK信号就是OOK信号。图3.2 2ASK/OOK信号时间波型2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法(相乘器法)和键控法，相应的调制器如图3.3所示。图(2)就是一般的模拟幅度调制的方法，用乘法器实现；图(b)是一种数字键控法，其中的开关电路受控制。图3.3 2ASK/OOK信号调制器原理框图3.4 二进制频移键控(2FSK)调制3

34、.4.1 功能描述频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。3.4.2 基本原理分析在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点间变化。故其表达式见式(3.21)为 (3.21)典型波形如图3.4所示。由图可见，2FSK信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形(c)，也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号时域表达式又可写成 (3.22)式中：为单个矩形脉冲，脉宽为； (3.23)是得反码，若，则；若，则，于是 (3.24)和分别是第个信号码元(1或0)的初始相位。在移频键控中，和不携带信息，通常可令和为零。因此，2FSK信号的表达

35、式可简化为 (3.25)其中 (3.26) (3.27)图3.4 2FSK信号的时间波形2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路实现；另一种可以采用键控方法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其每一个码元期间输出或两个载波之一，如图3.5所示。这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。(这是一类特殊的FSK，称为连续相位FSK)而键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。图3.5 键控法产生2FSK信号的原理图3

36、.5 二进制相移键控(2PSK)调制3.5.1 功能描述为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。二进制相移键控是用正弦波的相位来传递数字基带信号的数字载波调制方式，是利用载波的相位直接表示数字信号的相移方式。利用LABVIEW实现二进制相移键控调制。3.5.2 基本原理分析相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“0”和“1”。因此，2PSK信号的时域表达式为 (3.28)其中，表示第n个符号的绝对相位： (3.29)因此，式(3.28)可以改写为 (3.30)由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相

37、反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性(bipolarity)全占空(100% duty ratio)矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即为式(3.31)所示。 (3.31)其中 这里，是脉宽为的单个矩形脉冲，而的统计特性见式(3.32)。 (3.32)即发送二进制符号“0”时(取+1)，取0相位；发送二进制符号“1”时(取-1)，取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。因此，在某个码元持续时间内观察时，得到式(3.33)： (3.33)当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图3.6所示。图3.6 2PSK信号的典型波形

38、2PSK信号的调制原理如图3.7所示。与2ASK信号的产生方法相比较，只是对的要求不同，在2ASK中是单极性的，而在2PSK中是双极性的基带信号。图3.7 2PSK信号的调制原理框图3.6 正交振幅调制(QAM)3.6.1 功能描述为了提高基本的二进制和多进制数字太痛传输系统的性能，人们对这些数字调制体制不断加以改进，提出了多种新的调制解调体制。在多进制键控体制中，相位键控的带宽和巩固率占用方面都具有优势，即带宽占用小和比特信噪比要求低。但是在多进制键控体制中，随着M的增大，相邻相位的距离逐渐减少，使噪声容限随之减小，误码率难于保证。于是为了改善M大时的噪声容限，发展出了QAM体制。3.6.2

39、 基本原理分析正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)是一种振幅和相位联合键控。可以改善在M大时的噪声容限，在QAM体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。这种信号的一个码元可以见式(3.34)表示为： (3.34)式中：=整数；和分别可以取多个离散值。式(1)可以展开为 (3.35)令 则式(3.34)变为 (3.36)和也是可以取多个离散值的变量。从式(3.36)看出，可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。4 仿真过程和结果分析4.1 虚拟信号发生器的设计4.1.1 主要控件功能及使用说明1、创建数组(函数)控件 创建数组函数主

40、要功能是建立一个新数组。节点将从左侧端口输入的元素或数组按照从上到下的顺序组成一个新数组。该函数连接多个数组或者向数组中添加元素。将多个标量连接到函数的输入端子可以构建一个一维数组，如果连接到输入端子的数据为标量和数组，则实现的是数组元素添加操作。下拉输入接线端子，可以增加输入端子的数量。对于标量和数组，自动采取添加方式，即非连接方式。对于数组和数组，可以选择连接方式和不选择连接方式，如果选择连接方式，以二维数组为例，实际是添加行的操作。如图4.1所示，其中数组或元素可以使任意的n维数组或标量元素。所有的输入值必须是元素、一维数组，或者n维、(n-1)维数组。并且具有相同的基本类型。添加的数组

41、是作为结果的数组。图4.1 创建数组(函数)控件2、拆分一维数组(函数)控件拆分一维数组函数主要功能是分离一维数组。该函数以指定索引为界，把一维数组分解成两个一维数组。第一个子数组包括索引0到指定索引减1的所有元素。也就是说，指定索引的元素包含在第二个数组之中。图4.2 拆分一维数组(函数)控件如图4.2所示，其中数组可以是任意类型的一维数组。索引必须为数值。如索引为负数或0，第一个子数组将为空。如索引大于等于数组大小，第二个子数组将为空。第一个子数组包含数组0至数组索引-1的元素。第二个子数组包含不在第一个子数组中的其它数组元素。3、初始化数组(函数)控件初始化数组函数的主要功能是将创建的n

42、维数组其中的每一个元素都被初始化为元素的值。初始化数组函数输入端子包括“大小”和“初始化”两个，输出端端子返回创建的数组。“大小”输入端子定义的是数组的长度，向下拖动“大小”输入端子可以增加维数。如图4.3所示，其中的元素端子是用于初始化初始化的数组中所有元素的值。元素可以是任意类型的标量数据。维数大小0.n-1必须为数值。如维数大小为0，函数将创建空数组。n维数组的维数大小接线端必须为n。初始化的数组的数据类型与元素一致。图4.3 初始化数组(函数)控件4、正弦(函数)控件正弦函数的主要功能是计算x的正弦，其中x以弧度为单位。如图4.4所示，当左侧端子输入x时，右侧端子输出sin(x)。其中

43、x可以是标量数值、数值数组或簇、数值簇组成的数组等多种数据类型。sin(x)的数值表示法与x一致。图4.4 正弦(函数)控件4.1.2 设计分析1、正弦波设计分析正弦信号产生的流程图如图4.5所示。在程序框图中创建条件结构，在条件结构上，连接采样点数输入控件进行计数点的判断，看计数点是否在0n-1范围内，当计数点不在该范围内，则判为“否”，立即结束程序；否则判为“是”，继续执行程序。用采样点数去除，表示将一个周期划分为个采样点，即每隔的时间间隔将产生一个数据点。再创建一个循环作为计数器来创建正弦函数，用乘法器实现单位间隔与计数器里的计数值相乘，得到作为正弦函数控件的输入值，从而在正弦函数的输出

44、端口得到与计数值相对应的正弦函数值。计算结束后，返回到采样计数点处，进行判断是否继续执行程序。实现正弦波的程序图如图4.6所示。图4.5 正弦波子VI程序流程图图4.6 正弦波产生的程序框图2、斜波与负斜波设计分析产生斜波和负斜波的流程图如图4.7所示。判断产生斜波和负斜波的程序是否执行也是在条件结构内通过采样点数是否超出0n-1这个范围来确定的。若计数点不在这个范围内，则终止程序；否则继续向下执行程序，直到计数点的数值不满足在0n-1之间的这个条件为。所以当判断为继续执行程序后，用2去除采样点数得到采样点数的二分之一，用计数器里的计数值减去得到数值，最后将算出的结果除以，得到，从而得到一条幅

45、值在-11之间的斜波。生成负斜波的方法与生成斜波的方法基本一致，因为负斜波与斜波的区别仅在于它们的斜率互为相反数，即图形关于坐标轴Y轴对称。所以在设计负斜波使值需将设计斜波过程中的减法器的减数和被减数互换位置，其他的控件不变即可得到一条幅值范围在-11之间的负斜波，从而实现了对负斜波的仿真。斜波和负斜波的程序框图如图4.8和图4.9所示。图4.7 斜波和负斜波子VI流程图图4.8 斜波信号产生的程序框图图4.9 负斜波产生的程序框图3、直流设计分析直流信号的程序框图如图4.10所示，通过在循环内创建初始化数值控件，并将初始化数组函数的输入端口元素输入值为常量1，在初始化数值函数的输出端口得到元

46、素为1的数组，从而得到幅值为1的单位直流信号。图4.10 直流信号产生的程序框图4、杂波设计分析产生杂波信号的流程图如图4.11所示，同样在条件结构内通过计数点的范围是否在0n-1之间来确定是否继续执行程序。若在0n-1范围内，则继续执行程序，直到不满足条件为止；否则直接结束程序。首先在循环中创建一个随机数控件，它的作用是产生01之间的双精度浮点数。产生的数字大于等于0，小于1，呈均匀分布。我们在这里设随机数为k,将随机控件连于一个加法器控件的两个输入端，即实现随机数与随机数相加得到2k。由k的取值范围，可知2k的取值范围为02。再添加一个减一控件，该控件的作用是将输入的数据减一。于是得到一系

47、列范围在-11之间的随机数，即得到了幅值在单位值范围内的杂波信号。杂波信号的程序框图如图4.12所示。图4.10 杂波信号子VI流程图图4.12 杂波信号程序框图5、三角波设计分析产生三角波信号的流程图和程序框图分别为图4.13和图4.14所示，在条件结构中，首先添加一个商与余数控件，它的作用是用来计算输入点与某数相除后的整数商和余数。在程序框图中，输入的除数为2，所以计算出来的是输入点数除以2以后的整数商和余数。在这里设该控件在输出端口得到的整数商为，余数为，再添加一个加法控件，将得到的商和余数作为它的两个输入值，得到商与余数的和。然后进行计数点的判断，当计数点不在0之间，则立刻结束程序；否

48、则继续执行程序，添加乘法器将商与余数的和与常量2相乘，并将得到的积设为，为此时的点数。然后去点数的四分之一，再去取间隔，即为。再将点数间隔与计数器的数值相乘，于是就得到了幅值在02之间的三角波的左边，即三角波的一半。再通过添加一个减一控件将去幅值设置在-11之间。最后再添加一个(-x)镜像控件，它的作用是在输出端口输出输入端口数值的相反数。所以添加该控件后，生成可以生成三角波的另一半波形，将两组数据设为一组数组，便得到一个完整的三角波。图4.13 三角波信号子VI流程图图4.14 三角波信号的程序框图4.1.3 设计结果显示在前面板给幅值设为“1”，采样点数设为“1000”，其它参量设为“0”

49、，在信号类型中依次选择正弦波、斜波、负斜波、直流、杂波、三角波，按工具栏上的“运行”按钮，将得到对应信号的波形图。其中个参量的值是可以改变，设置不同的参量值，将得到不同参量的波形图。1、 正弦波仿真结果产生正弦波信号的前面板如图4.15所示：图4.15 生成正弦波信号的前面板结果显示图前面板的显示主要是通过图形选板中波形图控件显示出来的，在前面板上用鼠标右键，将出现前面板的控件选板，在控件选板中找到新式选板，找到新式选板中的子选板图形选板，选择其中的波形图控件，作为前面板的显示控件，并在波形图控件的显示项设置要显示的部分。本信号发生器前面板的波形图显示控件设置的显示项有标签、标题、图例、X标尺

50、和Y标尺。2、 斜波与负斜波仿真结果斜波信号的前面板结果显示图如图4.16所示：图4.16 生成斜波信号的前面板结果显示图生成负斜波信号的前面板结果显示图如图4.17所示：图4.17 生成负斜波信号的前面板结果显示图3、 直流仿真结果在前面板设置所要得到的直流信号的幅值为“0.5”，采样点数为“1000”，生成直流信号的前面板结果显示图如图4.18所示：图4.18 生成直流信号波形的前面板结果显示图4、 杂波仿真结果杂波信号的前面板结果显示图如图4.19所示：图4.19 生成杂波信号的前面板结果显示图5、 三角波仿真结果生成三角波信号的前面板结果显示图如图4.20所示：图4.20 生成三角波信

51、号的前面板结果图4.2 虚拟频谱分析仪的设计4.2.1 主要控件功能及使用说明1、基本函数发生器(VI)控件基本函数发生器的主要功能是根据信号类型，创建输出波形。该VI会记录上次生成波形的时间标识，并从该点开始继续递增时间标识。该函数将波形类型、采样数目、相位输入和即将生成的波形频率(以Hz为单位)作为输入端。图4.21 基本函数发生器如图4.21所示，在该函数控件的左侧输入端口中，偏移量指定信号的直流偏移量。默认值为0.0。重置信号如值为TRUE，纤维将被重置为相位控件的值，时间标识将被重置为0。默认值为FALSE。信号类型是要生成的波形的类型。频率是波形频率，以赫兹为单位。默认值为10。幅

52、值是波形的幅值。幅值也是峰值电压。默认值为1.0。相位是波形的初始相位，以度为单位。默认值为0。如重置信号的值为FALSE，VI将忽略相位。错误输入表明VI或函数运行前发生的错误。默认值为无错误。采样信息端口是包含采样信息，其中Fs是每秒采样率。默认值为1000。#s是指波形的采样数。默认值为1000。方波占空比是方波在一周期内高电平所占时间的百分比。仅当信号类型是方波时，VI使用该参数。默认值为50。下面介绍一下基本函数发生器函数控件的各个输出端口，信号输出端口输出的是生成的波形，相位输出端口生成的是波形的相位，以度为单位。错误输出将输出包含的错误信息。2、功率谱(VI)控件功率谱函数控件属

53、于函数控件中的谱分析控件，该控件的主要功能是计算输入序列X功率谱。图4.22 功率谱(VI)如图4.22所示，功率谱控件分为DBL和CDB两种。首先介绍功率谱(DBL)，其输入端口X是输入序列。输出端口中功率谱返回X的双边功率谱。错误端口是返回VI的任意错误或警告。功率谱(CDB)的输入端口X是值为复数的输入序列。输出端口中的功率谱返回X的双边功率谱。错误端口也是用来返回VI的任意错误或警告。3、等待下一个整数倍毫秒(函数)控件“等待下一个整数倍毫秒”函数的主要作用是使等待直至毫秒计时器的值为毫秒倍数中指定值的整数倍。该函数用于同步操作。可在循环中调用该函数，控制循环执行的速率。但是，第一个循

54、环周期可能很短。将0连接到毫秒倍数输入，可迫使当前线程放弃对CPU的控制。相当于VB语言中的DoEvents函数，当操作系统处理完队列消息后立即返回，当前线程重新获得控制权。该函数作出异步系统调用，但是函数节点却是同步操作的。所以，直到指定时间结束，函数才停止执行。图4.23 等待下一个整数倍毫秒如图4.23所示，该函数的输入端用于指定VI运行的时间间隔，以毫秒为单位。在控件输出端会返回毫秒计时器的值。 4、实数快速傅里叶变换(函数)控件FFT的主要功能是计算输入序列X的快速傅里叶变换。该函数主要有实数FFT、复数FFT、二维实数FFT、二维复数FFT。这里主要介绍实数FFT，如图4.24所示

55、，输入端口X是实数向量，移位？指定DC元素是否位于FFTX中心。默认值为FALSE。FFT点数是要进行FFT的长度。输出端口的FFTX是X的FFT。错误返回VI的任意错误或警告。该函数便于我们在频域中观察信号的特征。图4.24 实数FFT5、捆绑(函数)控件捆绑(函数)控件的作用是将独立元素组合为簇。也可使用该函数改变现有簇中独立元素的值，而无需为所有元素指定新值。要实现上述操作，可将簇连接到该函数中间的簇接线端。连接簇到该函数时，函数将自动调整大小以显示簇中的各个元素输入。如图4.25所示，输入端口中，“簇”是要改变值的簇。如该输入端没有连线，函数将返回簇。连线“簇”接线端时，“捆绑”函数将

56、用“元素0.n-1”替换“簇”。“元素0.n-1”可接收任意类型的数据。“输出簇”是作为结果的簇。图4.25 捆绑(函数)6、按名称解除捆绑(函数)控件该函数控件的作用是返回指定名称的簇元素，可以同时选择多个名称，并返回多个簇元素，不需要关心次序问题。并且该函数不要求元素的个数和簇中元素个数匹配。将簇连接到该函数后，可以从函数中选择单独的元素。如图4.26所示，其输入端是要访问的元素所在的簇。输出端“元素0.m-1”是已命名簇中的元素。只能根据自带标签对元素进行访问。单机名称接线端并从快捷菜单中选择名称，可选择已经命名的元素。图4.26 按名称解除捆绑(函数)4.2.2 设计分析在对虚拟频谱分

57、析仪的整个设计中用了一个大的while循环函数控件，这样设计的好处是不仅可以使程序根据需要持续执行，而且可以通过前面板的开关控制程序的终止。利用基本信号发生器产生正弦波、方波、锯齿波、三角波。在控件的各个输入端输入相应的信号特征，对信号的调节正是借助基本信号发生器上的各个控制端口完成的。由于在后面生成波形前的簇中要用到显示点的间隔。而间隔=采样频率/采样点数，所以在循环内将基本信号发生器的采样信息按名称解除捆绑分离成采样频率和采样点数。再利用实数快速傅里叶变换控件对信号进行傅里叶变换。利用簇确定输出波形的坐标的相关问题，其中，簇的第一个元素表示坐标起始值(x)，第二个元素为显示点的间隔(x)，

58、最后一个元素就是输入序列。利用功率谱控件来对产生的基本波形信号的功率谱进行分析，从而产生功率谱的信号输出。由于时域信号是以采样后的离散形式显示的，所以间隔x是用采样频率的倒数表示。而频域的幅度谱和功率谱都是随变化的，所以选用基波频率作为x。其中，由于实数FFT.vi的输出为复数，而这里只考虑幅度谱，故先应分离输出模值和相位。实现虚拟频谱分析仪的程序框图的设计如图4.27所示：图4.27 频谱分析仪程序框图4.2.3 设计结果显示信号调节及频谱分析两部分组成了整个前面板。可以在前面板随意选择信号类型，调节直流分量、信号频率、信号幅度和信号相位。还可以改变采样频率、采样点数的参数。运行此VI时，可

59、以观察到信号时域波形、频域的幅度谱和功率谱，从而实现对选择信号的时域和频域的比较分析。前面板的显示主要通过图形选板中的波形图显示出来，在前面板右键，在显示的控件选板中选新式选板，然后选择新式子选板图形选板中的波形图控件，作为前面板的显示对象，并通过在波形图控件上右键弹出的选单中设置要显示的项。前面板如以下各图所示：图4.28 正弦波频谱分析前面板图4.29 锯齿波频谱分析前面板图4.30 方波频谱分析前面板图4.3.1 三角波频谱分析的前面板4.3 二进制数字调制过程的设计4.3.1 主要控件功能及使用说明1、索引数组(函数)控件索引数组(函数)的主要功能是返回n维数组在索引位置的元素或子数组。连接数组到该函数时，函数自动调整大小可以在n维数组中显示各个维度的索引输入。也可以通过调整函数大小，添加元素或子数组。如图4.32所示，输入端子中“n维数组”可以是任意类型的n维数组。“索引0.n-1”必须为数值。索引输入端的数量与输入的n维数组的维数匹配。元素或子数组的类型与n维数组一致。图4.32 索引数组2、正弦波(VI)控件正弦波控件的只要功能是生成含有正弦波的数组。如图4.33所示，首先，介绍该控件的各个输入端子，重置相位端子用来确定正弦波的初始相位。采样端子是正弦波的采样数。幅值端子是正弦波的幅值。频率端子是正弦波的频率，单位为周期/采样的归一