基于Labview的通信系统的设计教材.docx
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基于Labview的通信系统的设计教材
基于Labview的通信系统的设计
摘要
本设计基于LabVIEW仿真软件完成了基本通信系统和通信综合系统的构建。
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的直观显示，解决了教学中实验效果不理想，理论内容不好理解的问题。
同时通过内置的WebServer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
ThisdesignbasedonthecompletionofthebasicLabVIEWsimulationsoftwarecommunicationssystemandthecommunicationoftheconstructionoftheintegratedsystem.Thissystemcoversanalogmodulation,digitalmodulation,analogsignaldigitaltransmission,channelcoding,bestthereceivingsystemseveralpartscontent.Throughthesimulation,realizethesysteminput/outputwaveformofvisualdisplay,solvetheexperimentteachingeffectisnotideal,theorycontentofunderstandingofbad.Andatthesametimethroughbuilt-inWebServerforWebpublishing,userscanintheclientthroughtheWebbrowserremotecallsandrunthissystem,improveefficiency,thecostsavings.
Keywords:
communicationsystem;Amplitudemodulation;Pulsecodemodulation
第一章绪论…………………………………………………………………2
1.1课题提出的背景及意义……………………………………………2
1.2毕业设计的任务……………………………………………………2
1.3基本设计要求……………………………………………………..3
第二章Labview简介………………………………………………………3
第三章通信系统的实现……………………………………………………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…………………………………………………9
3.2通信系统设计
3.2.1模拟通信的设计………………………………………………10
3.2.2数字基带的设计………………………………………………11
3.2.3数字频带的设计………………………………………………13
3.2.4模拟数字………………………………………………………15
3.2.5信道编码的设计………………………………………………20
致谢……………………………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………24
第一章绪论
1.1课题提出的背景和意义
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngi—neeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台）是美国NI公司推出的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、测量与控制系统。
图形化的程序语言，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的程序代码，具有易掌握易编程易理解的特点。
除了具有强大的用户界面设计和数据处理能力外，LabVIEW还可以通过内置的WebServer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，获得程序的远程调用和运行权限。
一个基于LabVIEW的仿真系统，使研究人员的工作效率得到大大提高，学生的学习方式得到改进⋯目前，已经有很多技术软件可以完成通信系统的构建。
程玲等人在《Matlab仿真在通信原理教学中的应用》中，采用了Matlab软件完成了通信系统的设计。
钟福如等人在《应用SystemView仿真软件进行《通信原理》课程的辅助教学》中，采用了SystemView软件完成通信系统仿。
1.2毕业设计的任务
本设计包括基本通信系统和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，涵盖了通信系统的全部主要内容。
综合通信系统根据基本通信系统中设计的模块来构建。
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的影响；可以产生直观的波形，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、译码的计算如分组码、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的通信系统。
包括模拟调制和数字调制两部分内容。
2.说明通信仿真的意思，学会利用软件实现仿真。
3.说明几种调制方法的原理，建立仿真模型，并对几种方法进行比较分析。
4.不同的调制方法实现模块化编程，可调用。
5.友好的人机交互界面，可以实时修改参数，观察仿真效果。
第二章LabVIEW简介
虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）是基于计算机系统的数字化测量测试仪器，它充分利用现有计算机资源，配以独特设计的仪器硬件和专用软件，能实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能，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的数据采集功能；利用计算机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能。
VI是计算机技术、现代测量技术共同发展的结晶，代表着当今仪器发展的最新趋势。
美国NI公司开发的LabVIEW是虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制，以及数据采集、分析和显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台。
与传统程序语言不同，LabVIEW采用强大的图形化语言（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，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。
在LabVIEW开发环境下，用户可以创建32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试、测量等任务提供更快的运行速度。
LabVIEW是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行文件，能够脱离开发环境而单独运行。
LabVIEW的开发环境分为三部分：
前面板、框图程序和图标／连接端口。
前面板是图形化的用户界面，用于设置输人数值和观察输出量。
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。
框图程序由节点和数据连线组成，它利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制，节点用来实现函数和功能调用，数据连线表示程序执行过程的数据流，它定义了程序框图内的数据流动方向。
通过对仪器的软件对象进行图形化组合操作，利用LabVIEW内置的TCP／IP协议组和图形化的通讯模型，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和程序通讯以及现场测控和远程测控。
特点：
尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
未来
虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。
目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。
未来的仪器也应当是网络化的。
LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言，又称为“G”语言。
使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
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，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。
像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！
现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的），不断完善中（大家可以搜索CPUVIEW会有更详细信息；）
LABVIEW的应用领域
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的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。
经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。
至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。
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的LabVIEW工具包。
这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的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的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。
控制：
控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的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的模块----LabVIEWDSC。
除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。
使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。
仿真：
LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，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，验证设计的合理性，找到潜在的问题。
在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。
儿童教育：
由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年儿童的欢迎。
对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把LabVIEW理解成是一种特殊的“积木”：
把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。
著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabVIEW编程语言。
儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。
除了应用于玩具，LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用的版本。
快快速开发：
根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C程序员所需时间的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具有良好的平台一致性。
LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：
Windows、MacOS及Linux。
除此之外，LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备。
版本信息
简单回顾一下LabVIEW最近的发展历史（也仅限于我能够收集到的版本），从这里也可以间接的体会到LabVIEW的发展速度有多快。
从LabVIEW的软件版本来看（我能收集到的），应该有LabVIEW5系列、LabVIEW6系列、LabVIEW7系列和LabVIEW8系列。
发布年份可能有误，以NI为准。
LabVIEW5.0发布于：
1998年
LabVIEW5.1.1发布于：
2000年3月
LabVIEW6.02发布于：
2001年2月
LabVIEW6.1发布于：
2002年1月
LabVIEW7.0发布于：
2003年5月
LabVIEW7.1发布于：
2004年4月
LabVIEW7.1.1发布于：
2004年11月
LabVIEW8.0发布于：
2005年10月
LabVIEW8.0.1发布于：
2006年2月
LabVIEW8.20发布于：
2006年8月
LabVIEW8.2.1发布于：
2007年3月
LabVIEW8.2.1f4发布于：
2007年9月
LabVIEW8.5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
LabVIEW2010发布于：
2010年8月
LabVIEW2011发布于：
2011年8月
从NI的LabVIEW版本号，可以看出：
1、系列号：
5、6、7、8表示新的系列，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表示软件有新的内容或比较大的改进（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、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的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。
与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。
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的仪器系统。
例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。
可以预见，由于LabVIEW这些其他语言无法比拟的优势，已经成为该领域的一朵奇葩！
最终将引发传统的仪器产业一场新的革命。
可以预见，由于LabVIEW这些其他语言无法比拟的优势，已经成为该领域的一朵奇葩！
最终将引发传统的仪器产业一场新的革命。
第三章通信系统的实现
3.1通信系统的介绍
通信系统的一般模型
实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。
以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（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）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。
信源输出的信号称为基带信号。
所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，。
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。
发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。
变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。
信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。
图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。
在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。
它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。
信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。
图给出的是通信系统的一般模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统和数字通信系统。
3.1.1模拟通信系统
模拟通信系统的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的发送设备和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）和把电信号恢复成最初的连续消息（收端信宿完成）。
由信源输出的电信号（基带信号）由于它具有频率较低的频谱分量，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的信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。
经过调制后的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，从消息的发送到消息的恢复，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、天线辐射与接收、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的变化起着决定性作用，它们是通信过程中的重要方面。
而其它过程对信号变化来说，没有发生质的作用，只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等，因此，这些过程我们认为都是理想的，而不去讨论它。
3.1.2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
数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。
例如前边提到的第二种变换，在模拟通信中强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性；而在数字通信中，则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。
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的差错，原则上是可以控制的。
这是通过所谓的差错控制编码来实现的。
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，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，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的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的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，点对点的数字通信系统模型一般可用图所示
需要说明的是，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和要求。
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/解调器的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
与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的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
上面论述的数字通信系统中，信源输出的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）为连续变化的模拟信号。
那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，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的转换，即D/A转换。
实现模拟信号数字化传输的系统如图所示。
3.2通信系统的设计
3.2.1模拟通信的设计
模拟通信主要包括AM，SSB
3.2．1.1AM系统调制原理：
幅度调制（AM）是指用调制信号去控制载波的幅度，使其随调制信号呈线性变化的过程。
通常载波取正弦波：
C（t）=Acos（eoct），调制信号用m（t）表示，所以可得AM调制信号的时域表示式为SAM（t）=[A0+m（t）]cos（％t）
（1）AM调制信号的频域表示式为：
SAM（（o）=7tA0[6（（o+~Oo）+6（∞一COo）]+1／2*[M（∞+（‰）+M（co—COo）其中，M（∞）为调制信号m（t）的傅里叶变换。
3.2．1.2单边带调制SSB：
单边带调制就是只传送双边带信号中的一个边带（上边带或下边带）。
所以，产生单边带信号最直接的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，最常用的方法。
3.2.1.3SSB单边带前面板如下：
：
3.2.1.4SSB程序框图如下：
3.2.2数字基带的设计
3.2.2.1数字基带包括：
PST，CMI，双项码
3.2.2.2数字基带的含义：
数字基带信号，是信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，是消息代码的电波形，是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。
数字基带信号的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。
最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。
3.2.2.3数—数组.vi前面板
3.2.2.4数—数组程序框图如下：
3.2.2.5双向码仿真.vi前面板
3.2.2.6双向码仿真程序图如下
3.2.3数字频带的设计
3.2.3.1包括：
2ASK，2FSK，2DPSK
2ASK设计原理：
在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。
将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的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的控制，形成不同的频带调制方法。
幅移键控法（ASK）的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波数字形式的调制信号在控制下通断，此时又可称作开关键控法（OO
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