付國蘭, 劉曉山, 劉正奇

(江西師范大學(xué) 物理與通信電子學(xué)院，南昌 330022)

基于虛擬儀器的2ASK數(shù)字通信系統(tǒng)仿真設(shè)計

付國蘭, 劉曉山, 劉正奇

(江西師范大學(xué) 物理與通信電子學(xué)院，南昌 330022)

根據(jù)2ASK調(diào)制和解調(diào)過程原理，采用虛擬儀器軟件LabVIEW對2ASK數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行圖形化仿真，給出了仿真程序框圖，并對輸入序列、已調(diào)2ASK信號波形和解調(diào)輸出序列等運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，程序運(yùn)行良好，仿真結(jié)果正確，為分析和觀察通信系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新方法。

虛擬儀器；二進(jìn)制振幅鍵控；通信系統(tǒng)；仿真

數(shù)字通信系統(tǒng)以抗干擾能力強(qiáng)、傳輸差錯可控、便于傳輸和交換、便于存儲、易于集成、易于加密等優(yōu)點(diǎn)，具有模擬通信不可比擬的優(yōu)勢，應(yīng)用越來越廣泛。因?yàn)閿?shù)字基帶信號具有豐富的低頻成分，很難有效地進(jìn)行無線傳輸或者遠(yuǎn)距離的有線傳輸,必須先將數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，使頻譜適合信道傳輸，然后，在接收端將變換后的信號進(jìn)行還原。這種使數(shù)字基帶信號的頻譜進(jìn)行變換的過程稱為數(shù)字調(diào)制，而在接收端將接收信號還原為數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調(diào)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中, 常用的數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)主要有振幅鍵控(amplitude shift keying，ASK)、頻移鍵控(frequency shift keying，F(xiàn)SK)、相移鍵控 (phase shift keying，PSK) 等[1]。

對通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，而計算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展,使軟件替代傳統(tǒng)硬件仿真通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為可能。已經(jīng)有很多計算機(jī)語言，如Matlab 、SystemView、LabVIEW等都可用于通信系統(tǒng)仿真[2]，其中，LabVIEW采用圖形化編程,具備強(qiáng)大的信號處理與數(shù)據(jù)分析功能,非常適合通信虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[3-5]。本文用LabVIEW對2ASK通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計。

1 2ASK調(diào)制和解調(diào)原理

振幅鍵控是載波的振幅隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化的數(shù)字調(diào)制，其頻率和初始相位保持不變。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，則為二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)，這時載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進(jìn)制信息“0”或“1”。

一個二進(jìn)制的振幅鍵控信號時域可以表示成

(1)

對時域表達(dá)式做傅里葉變化得

(2)

此時，已調(diào)信號的特征是抑制載波的雙邊帶信號。

通常二進(jìn)制振幅鍵控信號的產(chǎn)生(調(diào)制)有兩種方法：(1)模擬幅度調(diào)制法，用乘法器實(shí)現(xiàn)；(2)鍵控法，開關(guān)電路受二進(jìn)制基帶信號控制。相應(yīng)的調(diào)制原理框圖如圖1所示。

(a) 調(diào)幅法

(b) 鍵控法

2ASK信號有包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種方法解調(diào)，原理框圖如圖2所示。

接收端帶通濾波器濾除帶外噪聲的同時讓有用信號通過，包絡(luò)檢波法中，用全波整流器提取輸入信號的包絡(luò)，再經(jīng)過低通濾波器和抽樣判決器，得到解調(diào)后的輸出信號。相干解調(diào)法中，用相乘器實(shí)現(xiàn)頻譜的搬移，再經(jīng)過低通濾波器和抽樣判決器，得到解調(diào)后的輸出信號。

圖2 2ASK信號解調(diào)原理框圖

2 2ASK調(diào)制與解調(diào)仿真設(shè)計

文中使用LabVIEW軟件對2ASK通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。LabVIEW具備了儀器的基本屬性，其程序的基本構(gòu)成包括兩部分：(1)前面板，用于反映儀器的控制操作和顯示；(2)程序框圖，用以反映儀器內(nèi)部的分析處理過程。2ASK的調(diào)制與解調(diào)分別采用模擬幅度調(diào)制法和相干解調(diào)法，將基帶信號與載波信號相乘得到已調(diào)的2ASK信號[6]，用高斯白噪聲模擬信道，在接收端將接收信號與同頻同相的載波相乘，并經(jīng)過巴特沃斯低通濾波器，濾波器的截止頻率為歸一化頻率，最后進(jìn)行抽樣判決[7-9]，判決門限取0.125，從而得到輸出序列，程序框圖如圖3所示。

圖3 2ASK調(diào)制與解調(diào).vi程序框圖

在前面板中，輸入序列的產(chǎn)生采用根據(jù)序列個數(shù)而隨機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)個數(shù)的二進(jìn)制碼元，基帶波形采用余弦波，根據(jù)產(chǎn)生的二進(jìn)制碼元可得到相對應(yīng)的基帶信號波形，載波采用正弦波。所以，前面板中需要創(chuàng)建碼元個數(shù)、碼元速率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、載波頻率數(shù)值輸入控件、基帶信號波形、載波波形、2ASK信號波形和頻譜、濾波后波形等圖形顯示控件，以及輸入和輸出序列等數(shù)值顯示控件。使用修飾控件可對前面板進(jìn)行調(diào)整和修飾，最后得到2ASK調(diào)制與解調(diào).vi前面板，如圖4所示。

圖4 2ASK調(diào)制與解調(diào).vi前面板

在前面板的參數(shù)輸入模塊輸入如圖4所示的參數(shù)并運(yùn)行可得到輸出結(jié)果。由結(jié)果可看出，此仿真實(shí)驗(yàn)在調(diào)制端產(chǎn)生了一串碼元個數(shù)為10的二進(jìn)制碼元序列，并得到了輸入序列波形、載波波形、2ASK信號波形和頻譜，2ASK信號經(jīng)過高斯白噪聲信道后，在接收端得到了低通濾波器濾波后的波形、抽樣判決后的輸出序列波形和輸出序列二進(jìn)制碼組。對比輸出序列和輸入序列可看出，此系統(tǒng)除了一個碼元的延時以外，其余部分都正確地進(jìn)行了信號的還原，表明仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確，達(dá)到了2ASK通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)在教學(xué)中的意義。

3 結(jié)束語

本文以2ASK信號調(diào)制解調(diào)為例，實(shí)現(xiàn)了在LabVIEW 虛擬儀器平臺上設(shè)計通信系統(tǒng)仿真的方法。通過調(diào)節(jié)各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較， 可以很形象地得到或驗(yàn)證所需要的或已有的結(jié)論，使實(shí)驗(yàn)效果更加清晰，從而使學(xué)生更好地理解通信系統(tǒng)中的基本概念和原理。LabVIEW軟件把一些復(fù)雜的程序變得很直觀，方便操作，而且易于修改和以后的維護(hù)，可作為老師課堂教學(xué)的輔助教學(xué)軟件，將抽象的概念具體化、形象化，達(dá)到加深理解，強(qiáng)化記憶，提高教學(xué)質(zhì)量的效果，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

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Simulation Design of 2ASK Digital Communication System Based on Virtual Instrument

FU Guolan, LIU Xiaoshan, LIU Zhengqi

(College of Physics and Communication Electronics, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China)

In accordance with the principle of 2ASK modulation and demodulation, a graphical simulation of 2ASK Digital Communication System based on the Virtual Instrument LabVIEW software is realized. The simulation structure of the software is introduced in detail. The simulation results of the input sequence and 2ASK signal waveform and output sequence are observed. The results show that the program performs well and the simulation results are right. It indicated a new way to analyzing and observing communication system in teaching and experiment.

virtual experimentation; binary amplitude shift keying; communication system; simulation

2014-06-13；修改日期: 2014-07-02

江西省教育廳科技基金資助項(xiàng)目(GJJ13210);江西師范大學(xué)教學(xué)改革研究基金資助項(xiàng)目(2013042)；江西師范大學(xué)博士啟動基金資助項(xiàng)目(4029)。

付國蘭(1978-)，女，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：通信工程與量子信息。

TP3919；G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.002