基于LABVIEW的虚拟调制解调器的设计

基于LABVIEW的虚拟调制解调器的设计 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 摘 要 虚拟仪器是随着计算机软件技术发展起来的一项新技术它克服了传统仪器 的弊端利用计算机强大的计算能力和灵活的软件技术在有限的硬件基础上实 现出符合各种需求的完全不同的仪器体系本文介绍基于 LabVIEW 的虚拟调制解 调器的设计此虚拟调制解调器是在图形化编程语言 LabVIEW 中设计的它改变 了原有虚拟调制解调器的整体设计思路并进行了频谱分析用软件代替了硬件 它通过在前面板中设计仪器的面板是虚拟仪器的用户接口尤如实际仪器的 面 板在图中对运行程序进行设计控制执行的流程最后进行程序调试设 计所需要的软件为美国 NI 公司Nation Instrument开发的 LabVIEW 语言 关键词LabVIEW虚拟仪器 虚拟调制解调器 巴特沃斯滤波器 正弦波 发 生器 I 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 ABSTRACT Virtual instrument is one of the new technologies which is evolving with the development of computer technology Utilizing the powerful computing capability of computer and flexible software techniques it overcomes the limitations of traditional instruments and implements different kinds of instrument architectures for different demand based on limited hardware This text introduces according to the LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench Software to design MOdulator-DEModulator and analyzes its signal frequency chart primarily about a Range frequency chart This MOdulator-DEModulator in sketch procedure language LabVIEW it changes the traditional overall design thinking of Signal Generator and analyzes the frequency chart replacing the hardware with the software It designing the instrumental front-panel in front panel- Untitled 2 Window is an interface of customer that uses Virtual Instrument particularly such as actual instrument front-panel In Untitled 2 Diagram Window it designs the circulate procedure and controls the process of carrying out Finally it will check the procedure The software for design demand is the language of LabVIEW of the NI Company of the United States Nation Instrument development Keyword LabVIEW Virtual Instrument MOdulator-DEModulator Butterworth Filter Sine Wavevi II 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 目 录 第一章 前 言1 11 研究背景 1 12 研究意义 3 13 课题的设计内容 4 14 章节介绍 4 第二章 图形化编程语言LabVIEW5 21 LabVIEW简介 5 22 LabVIEW模板简介 8 23 虚拟仪器设计步骤 11 第三章 调制解调器原理13 31调制解调器硬件原理13 32 幅度调制的原理 13 第四章 滤波器16 41概论16 42模拟滤波器的原理19 第五章 总体设计及22 51课题研究所涉及LabVIEW的工具22 52总体课题设计33 第六章 结论与展望40 61 结论 40 62 对进一步研究的展望 41 参考文献43 致谢44 附录45 声明47 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 第一章 前 言 11 研究背景 随着科技的发展现在虚拟技术在各种科研项目当中起的作用越来越大虚拟仪 器技术是 20 世纪 80 年代末 90 年代初于测控技术领域出现的一项突破性进展是当今 计算机辅助测试 CAT 的一项重要技术 测试技术发展到现在数字技术逐渐取代模拟技术组合式集多功能于一体的仪 器取代单台仪器网络化趋势渐渐明显软件在现代测量中举足轻重计算机的日益普 及也带动了测试技术的发展随之而来的是现代测量技术的新一场革命虚拟仪器 的出现它是测量技术与计算机技术结合的产物 所谓虚拟仪器就是借助于计算机的软硬件平台配以少量的辅助设备 或器 件 构成功能适合用户要求的仪器利用虚拟仪器软件开发平台在计算机屏幕上虚拟 出仪器的面板用户通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮开关和按键设置各 种工作参数启动或停止仪器测量结果可以从虚拟仪器面板读出用户在屏幕上通 过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观方便灵活另外 个人计算机的参与大大提高仪器的数据处理能力 虚拟仪器优势所在虚拟仪器技术取代传统仪器成为必然趋势虚拟仪器相对于传 统仪器具有明显的优点灵活性高性价比技术更新快易于网络化实现传统仪 器不可能实现的功能它的灵活性体现在用户可以自定义功能选择自己喜欢的界面 图标符号而不在像传统仪器那样出厂后其功能及外观已经固化用户只是被动应 用高性价比主要指用户拥有一台计算机运行不同的应用程序就得到相应的仪器 换句话就是一台计算机完全可以取代实验室里的所有仪器实现测量从而节约大笔 资金由于虚拟仪器中软件是关键所以更新软件使之功能更新所需时间大大减少 借助于计算机实现测量系统的网络化在线测量已成为可能此外传统仪器基于硬 件性能必然受到硬件的种种限制如普通示波器无法捕捉很窄的脉冲国外生产的 特殊示波器能够作到这一点其价格又不菲而通过数据采集卡与计算机组成的虚拟 [1] 仪器则可轻松实现 当前社会正是一个信息化的社会要求在有限的时间和空间范围内实现大量的信 息交换而传统的电子测试仪器由于在测试功能系统扩展价格通用性方面都有 不足之处从而人们开始考虑利用计算机的强大功能实现传统电子测试仪器的部分 或全部功能可以说虚拟仪器的产生是电子测试仪器的一次革命 自20 世纪 90 年代以来在计算机技术的推动下以虚拟仪器为标志的通用化 1 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展新的测试理论测试方 法测 试领域以及新的仪器结构不断出现在许多方面已经突破了传统仪器的概念电子测 量仪器的功能和作用已经发生了质的变化 在控制系统中频域分析法传递函数是经典控制理论的重要组成部分广泛用 于机械电子液压等各个系统成为分析线性定常系统的基本之一系统频率 特性中包含了系统动态特性的信息它通过分析系统对于不同谐波输入时系统的稳态 响应经过一个传递函数来获得系统的动态特性从频率特性中可以方便地得出系 统结构和参数的变化对系统性能的影响研究系统的稳定性及稳定性储备进而选择 系统的参数或对系统进行校正使系统尽可能达到预期的性能指标从输入的特性到 输出的响应就示了系统的特性 本文所设计的基于LabVIEW下的虚拟调制解调器是在计算机技术信号处理技术 自动控制技术高速发展而传统的观察输出函数则是人工根据输入信号经过传递函数 所计算得出的这已落后于信息时代和工程实际的需要既耗费时间而且得出的信号 特性不准确本文根据美国 NI 公司的虚拟仪器开发平台-----LabVIEW 自行设计的虚 拟滤波器可用于信号的采集分析存储和读取可以广泛应用于工业当中本文 [2] 的课题背景知识包括信号处理知识工程测试技术虚拟仪器技术等 12 研究意义 编程对工程技术人员来说是件麻烦事LabVIEW 软件用图形编程语言直观简单 易于操作使用 LabVIEW 用户可以随意创建程序并把它当作子程序调用 以创建更复 杂的程序且调用的层次没有限制LabVIEW 这种创建和调用子程序的方法使创建的 程序结构模块化更易于调试理解和维护同时LabVIEW 能够虚拟很多常规仪器 通过计算机仿真完成不同的功能这样既可节省设备投入的开支又提高了效率因此 学习和掌握 LabVIEW 的使用方法用 LabVIEW 来设计虚拟调制解调器是适合工 程实际并能应用于实践的很可行的设计 虚拟仪器Virtual Instrument简称 VI是仪器技术与计算机技术深层次结合 的产物它是全新概念的仪器是对传统仪器概念的重大突破它的出现使测量仪器 与计算机之间的界限消失开始了测量仪器的新时代是仪器领域的一次革命 第一台虚拟仪器诞生于 1987 年第二年就有五个生产厂家的 30 多种产品销售 到 1994 年已有 95 个厂家的 1000 多种产品销售虚拟仪器之所以有如此迅猛的发 展速度是因为虚拟仪器将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能改由功能 强大的 PC 计算机及其显示器来完成并配置以获取调理信号为主要目的的 IO 接口 2 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 设备如数据采集卡 DAQGPIB 总线仪器VXI 总线仪器模块串口 RS232RS485 仪 器等再编制不同测量功能的软件对采集获得的信号数据进行分析处理及显示以 这种方式构成的虚拟仪器系统实质是计算机仪器系统从某种意思上来说软件就 是仪器这就是说当硬件平台 IO 接口设备与计算机确定后编制某种测试功能 的软件就可构成具有该种功能的测试仪器 虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义更在于测量仪器的功能可以由用户根据需 要自行设计软件来定义或扩展而不是只能由厂家事先定义且固定不可变更 这样 用户不必购买多台不同功能的传统仪器不必购买昂贵的集多种功能于一身 的传统仪 器也不必不断购买新的仪器因为虚拟仪器可与计算机同步发展与网络及其 周边 设备互联用户只需要改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量 功能这 就是说仪器的设计制造不再是厂家的专利虚拟仪器开创了仪器使用者可以 成为仪 [3] 器设计者的时代这将给仪器使用者带来无尽的收益 13 课题的设计内容 此课题的研究内容 主要是关于在 LabVIEW 环境下的虚拟调制解调器从而实现输入输出的信号进行 模拟数字的转换在 LabVIEW 开发环境的前面板流程图中利用 LabVIEW 具有的 3 种用来创建和运行程序的图形化可移动模板 工具模板 ToolsPalette 控制模板 ControlsPalette 和功能模板 FunctionsPalette 来实现虚拟信号发生器其的强 大功能归因于他的层次化结构用户可以把创建的 VI 程序当作子程序调用以创建更 复杂的程序而这种调用的层次是没有限制的这种创建和调用子程序的方法使创建 的程序结构模块化易于调试理解和维护 方法 虚拟发生器在 LabVIEW 语言中程序设计的过程包括 3 个部分前面板框图程序 和图标连接器因此一个 VI 程序的设计主要包括前面板的设计框图程序的设计以 及程序的调试 1 前面板 虚拟仪器的面板设计都在这个窗口中完成并且在前面板中执行对仪 器的操作应根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能来设计前面板 前面板中主要由输入控制器和输出指示器组成利用工具模板来添加输入控制器和输 出指示器控制器使用户可以输入数据到程序而指示器则用来显示程序产生的数值 2 流程图 实现虚拟发生器的所有程序都在这个窗口中完成程序相当于源代码 只有在创建了框图程序以后该程序才能真正运行所以在设计好前面板以后就要根 据各个框图之间的关系以及对数据的处理方法等设计框图程序对框图程序的设计主 3 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 要是对节点数据端口和连线的设计 3 程序的调试 当前面板和程序框图设计好以后虚拟发生器的程序的执行过程 中可能会遇到很多方面的错误因此要对程序进行调试首先查找错误如果一个程序 不能执行运行按钮会出现一个折断的箭头点击断箭的运行按钮则会列出错误清单 双击列表中的错误清单则出错的对象或端口就会高亮显示 14 章节介绍 在虚拟调制解调器的研究中涉及到的知识将在后面的章节中加以介绍 在第二章中将主要介绍图形化编程语言 LabVIEW其特点以及开发环境等虚拟 调制解调器的原理以及幅度调制的基本知识等将在第三章中介绍由于对虚拟调制 解调器进行了数字滤波所以第四章介绍了有关滤波器的基础知识以及模拟滤波器 的设计 主要关于巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器而在 LabVIEW 程序设计中巴特 沃斯滤波器和切比雪夫滤波器都是数字的由于本课题主要是对信号进行频谱,幅 频进行分析验证所以在第六章中将不对滤波器进行验证分析第五章为总体 课题 设计由于在虚拟调制解调器设计中将会使用到一系列的工具所以在这个章节中 会介绍这些工具在前面板和流程图中的用法主要包括有 Signal Processing 子模板 Signal Generation 子模板重点以正弦波发生器为例Filter 子模板重点以巴 特沃斯低通滤波器为说明然后讲述整个设计的具体步骤和成果 第六章将主要对 虚拟调制解调器的成果进行总结和展望 4 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 第二章 图形化编程语言 LabVIEW 21 LabVIEW简介 LabVIEWLaboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚 拟仪器工程平台是美国 NI 公司National Instrument Company简称 NI 公司 推出的一种基于 G 语言Graphics Language图形化编程语言的虚拟仪器软件开 发工具 用 LabVIEW 设计的虚拟仪器可脱离 LabVIEW 开发环境用户最终看见的是和实际 硬件仪器相似的操作面板 LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷轻松的设计环境设计者利用它可 以像搭积木一样轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板而无需进 行任何 [4] 繁琐的程序代码的编写 com LabVIEW 软件的特点 具有图形化的编程方式设计者无需写任何文本格式的代码是真正的工程 师的语言 提供丰富的数据采集分析及存储的库函数 提供传统的程序调试手段如设置断点单步运行同时提供独具特色的执 行工具使程序动画式运行利于设计者观察到程序运行的细节使程序的 调试和开发更为便捷 32 位的编译器编译生成 32 位的编译程序保证用户数据采集测试和测量方 案的高速执行 囊括了 PCIGPIBPXIVXIRS-232485USB 等各种仪器通信总线标准的 所有功能函数使得不懂得总线标准得开发者也能够驱动不同总线标准接口 设备与仪器 提供大量与外部代码或软件进行链接得的机制诸如 DLL 动态链接库DDE 共享库ActiveX 等 具有强大的 Internet 功能支持常用的网络协议方便网络远程测控仪器 的开发 com LabVIEW 的基本开发环境 设计一个虚拟仪器在两个窗口进行第一个是前面板开发窗口所有虚拟仪器前 面板的设计都在这个窗口中进行并完成第二个是流程图编辑窗口 1(前面板开发窗口 前面板开发窗口如图 2-1 所示窗口中包含主菜单和快捷工具栏 5 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 设计制作虚拟仪器前面板就是用工具模板中相应的工具去取用控制模板上 的有关控件并摆放到窗口中适当的位置中 图 2-1 前面板开发窗口 2(流程图编辑窗口 流程图是图形化的源代码是 VI 测试功能软件的图形化表达虚拟仪器通过软 件编程来实现测试功能LabVIEW 采用图形化编程方式如图 2-2 所示位流程图编辑 窗口选用工具模板去取用功能模板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图以完 成虚拟仪器的设计工作 6 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 图 2-2 流程图编辑窗口 22 LabVIEW模板简介 LabVIEW 是一种图形化设计语言在一个虚拟仪器的开发过程中设计者 利用 LabVIEW 提供的 3 个模板工具模板Tool palette控制模板Control palette 和功能模板Function palette来完成 VI 面板和流程图两部分的设计开发任务 com 工具模板 工具模板提供用于操作编辑前面板和流程图上对象的各种工具工具模板如图 2-3 所示 操作工具它是一个操作数值的工具将操作工 具移动到某处鼠标单击后就可在操作工具所在位置处 键入数字 选择工具用于选择移到对象或改变对象的 大小 文字工具用于输入标签文本或创建自由标签 图 2-3 工具模板 连线工具用于在流程图中连接节点定义数据流向 模板弹出工具用鼠标单击该工具移至窗口某位置再用鼠标单击即在 前面板设计窗口中出现控制模板或者在流程图编辑窗口中出现功能模板 平移工具用鼠标单击该工具并将它放至窗口中的任意位置上拖动鼠标 7 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 可使窗口中的对象整体平移 断点工具用鼠标单击该工具将它放置在流程图中相应位置上该位 置即 为设置的程序运行断点 探针工具用鼠标单击该工具可以在流程图的数据流线上设置探针程序 调试员可以通过探针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况 提取颜色工具用来获取窗口中已染色对象的颜色 设置颜色工具用来该窗口中的对象设置颜色 com 控制模板 控制模板如图 2-4所示 数字子模板提供各种数字控件 布尔量子模板提供各种逻辑数值控件 字符串和路径子模板提供字符串和 路径的控制和显示 数组和类子模板提供各种复合型数据 的类型控件 列表和子模板提供列表和表格的 控制和显示 图形子模板提供各种数据图形显示控件 列表框和枚举子模板提供列表框和枚举的控制和显示图 2-4 控制模板 输入输出功能子模板提供输入输出功能用于操作 OLEActiveX 等功 能 参考名子模板提供各种标识控件 对话框子模板提供设计对话框选项的控件 经典控制子模板提供以前版本软件的面板图标 控件库子模板提供用于调用操作 OLEActiveX 等控件 修饰子模板提供对前面板进行装饰用的各种图形控件 调用控件子模板用于调用存储在文件中的控件存储在文件中的控 件通 8 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 常是用户自行开发的 用户自定义的控件模板用于存放用户自定义的各种图形控件 com 功能模板 功能模板如图 2-5所示 结构子模板提供程序控制结构命令例如循环控制 以及全局变量和局部变量 数据运算子模板提供各种常用的数值运算符各种 常见的数值运算式还包括数值转换三角函数对数复数等 运算以及各种数值常数 布尔逻辑子模板提供各种逻辑运算符以及布尔常数 字符串运算子模板提供各种字符串操作函数数值 与字符串之间的转换函数以及字符 串 常数等 数组子模板提供数组运算函数数组转换函数以及 常数数组等 类子模板提供类的处理函数以及类常数等 比较子模板提供各种比较运算函数 图 2-5 功能模板 时间和对话框子模板提供对话框窗口时间和出错处理函数等 文件输入输出子模板提供处理文件输入输出的程序和函数主要用于 创建和打开数据文件并进行数据的读写 数据采集子模板提供 LabVIEW 支持的数据采集卡的驱动程序 波形子模板提供各种波形处理工具 信号处理子模板提供在时域频域以及复频域进行信号发生与分析处理 的功能函数 仪器 IO 子模板提供各种 IO 接口设备驱动程序设计用的专用函 数以及 通用驱动模式的 VISA 功能函数可驱动的 IO 接口设备有 GPIB 接口设备串行接口 仪器VXI 仪器模块等专用函数是用于 LabVIEW 支持的 IO 接口设备VISA 功能函 数可以驱动 LabVIEW 不支持的 IO 接口设备 9 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 运动与视觉子模板提供运动与视觉控制的功能函数 数学运算子模板提供统计曲线拟和公式框节点等功能函数以及数 值微分积分等功能函数 通信子模板提供按 TCPDDEActiveX 和 OLE 协议进行通信的功能函数 应用程序控制子模板提供动态调用 VI 的功能函数可以同时打开多个 VI 的前面板窗口并同时运行还提供将用不同语言编写的 EXE 可执行程序进行接口的功 能函数 图形与声音子模板提供绘制 2D 及 3D 图形声音播放等功能函数 示教课程子模板提供 LabVIEW 示教用的演示程序 文档生成子模板提供生成报表样式及规格的功能函数 底层接口子模板提供调用动态链接库和 CIN Code Interface Node 的功 能函数 选择 VI子程序子模板用来调用一个子VI并把该子VI插入当前 VI的流程 图中 [5] 用户自定义的子 VI 模板用来存放用户自行设计的图标 23 虚拟仪器设计步骤 通常一个虚拟仪器的设计步骤如下 1(在前面板设计窗口放置控件 首先在前面板开发窗口使用工具模板中的相应工具从控制模板中取用 和放置 好所需控件进行控件属性参数设置标贴文字说明标签 2(在流程图编辑窗口放置节点图框 在流程图编辑窗口使用工具模板中相应工具从功能模板中取用并放置好所需 图标它们是流程图中的节点图框 3(数据流编程 使用脸形工具按数据流的方向将端口节点图框依次相连实现数据从源头按 规定的运行方式送到目的终点 4(运行检验 当完成步骤123后前面板程序与流程图图形化程序的设计完毕 10 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 一个虚拟仪器已基本建立是否达到预期功能还需运行检验有如下两种检验方式 仿真检验不使用 IO 接口硬件设备对 VI 检验运行所需的信号数据 采用由数组或信号生成函数产生的仿真信号 实测检验它通过 IO 接口硬件设备采集输入标准信号来检验虚拟 仪器的功能仿真检验在实测检验之前完成是虚拟仪器所特有的优势因为它对反 复检验调试不断完善改进虚拟仪器极为方便是传统仪器无法采用的检验手段 5(程序调试技术 利用快捷工具栏中的运行高亮执行单步执行断点设置进行 以下程序调试设置 ? 找出语法错误 如果存在语法错误则当启动快捷工具栏的运行按钮时该按钮变成一个 折 断的箭头程序不能被执行鼠标单击该按钮则将弹出错误清单窗口窗口中列出 错误的项目然后单击其中任何一个列出的错误单击 Find功能按钮则出错的 对象或端口就会变成高亮 ? 慢速跟踪程序的执行 利用快捷工具栏中的高亮执行按钮单击该按钮该按钮图标变成高亮形式 再单击运行按钮程序就以较慢的速度运行没有被执行的代码灰色显示执行 后的代码高亮显示并显示数据流上的数据值这样就可以根据数据流动状态跟 踪程序的执行 ? 断点与单步执行 使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行用探针或者单步执行方式查 看数据 用工具模板上的断点工具单击希望设置或者清除断点的地方该处即为所设 置的断点 对于节点或图框断点表示为红框对于连线断点表示为红点 当 VI 程序运行到断点设置处程序被暂停在将要执行的节点以闪烁表示单 击单步执行按钮闪烁的节点被执行下一个将要执行的节点变为闪烁表明它将执 行也可以单击快捷工具栏中的暂停按钮这样程序将连续执行到下一个断点 ? 设置探针 可以通过设置探针来查看框图程序流经某一根连接线的数据值探针设置方法有 两种 利用工具模板上的探针工具鼠标单击欲放置探针的连接线 把工具模板上的选择工具或连线工具放在欲放探针的连线上 11 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 鼠标单击该连线弹出一个对话框选择Probe选项 当探针设置完毕后会出现一个探针显示窗口该显示窗口中的数据即为该连线 上的数据值 6(数据观察 当检验观察中发现有错误时鼠标单击 Highlight Execution按钮观察 数 据流中各个节点的数值 7(命名存盘 [6] 保存设计好的 VI 12 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 第三章 调制解调器原理 31调制解调器硬件原理 调制解调节器器硬件上可分为五部分DAA部分DATA PUMP数据泵控制电路 接口电路电源 1 DAA部分我们通常叫拔号部分由振铃检测保护电路摘机检测电路等组 成 2 DATA PUMP数据泵对发送接收数据进行处理完成调制与解调功能 3 控制电路完成数据纠错压缩基本数据传输协议支持以及响应AT指令等功 能 4 接口电路实现数据传输必须与数据终端设备连接如计算机外置一般 通 过 RS-232 串行接口与计算机相连主机与MODEM之间的DTE速度从 110bits-115200bits视MODEM的DCE速度以及线路质量而定一般DTE速度是DCE速 度的两倍USB接口提供极高的DTE速度如91200bitS同时具有PNP 即插即 用 与免去外置电源的优点内置式 MODEM 与计算机可通过ISA 工业标准体系 和PCI 外部设备互连槽连接ISA是16 位的扩展总线接口PCI是 32 位或 64 位 总线接 口因PCI槽比ISA槽短PCI总线上的时钟频率要比 ISA总线快得多传输率 高因 此目前市场上的ISA卡槽越来越少总之不管外置还是卡与主机连接主机都 [7] 是通过分配一个串行COM口通过COM口与MODEM口相连 32 幅度调制的原理 com 幅度调制的一般模型 幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度使其按调制信号的 规律变化 的过程幅度调制器的一般模型如图 3-1所示 m t 乘法器 低通滤波器 sm t cosω t c 图 3-1 幅度调制器的一般模型 13 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 图 3-1 中 为调制信号 为已调信号则已调信号的时域和频域一般表 达式分别为 3-1 3-2 式中 为外加的直流分量 可以是确知信号也可以是 随机信号但通常认 为其平均值为 0即 AM 信号的典型波形和频谱为正弦波形假定调制信号 的上限频率为 显 然调制信号 的带宽为 由此可见AM 信号波形的包络与输入基带信号 成正比故用包络检波的方法 很容易恢复原始调制信号 但为了保证包络检波时不发生失真必须满足 否则将出现过调幅现象而带来失真 由 AM 信号的典型波形频谱可知AM 信号的频谱 是由载频分量和上下两个 边带组成通常称频谱中画斜线的部分为上边带不画斜线的部分为下边带上边 带的频谱与原调制信号的频谱结构相同下边带是上边带的镜像显然无论是上边 带还是下边带都含有原调制信号的完整信息故 AM 信号是带有载波的双边带信号 它的带宽为基带信号带宽的两倍即 3-3 式中 为调制信号 的带宽 为调制信号的最高频率 com AM信号的功率分配及调制效率 AM 信号在1 电阻上的平均功率应等于 的均 方值当 为确知信号时 的均方值即为其平方的时间平均即 14 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 因为调制信号不含直流分量即 且 所以 3-4 显然AM 信号的调制效率总是小于 1 com AM信号的解调 调制过程的逆过程叫做解调AM 信号的解调是把接收到的已调信号 还原为 调制信号 AM 信号的解调方法有两种相干解调和包络检波解调在 本文中只着 重介绍相干解调 相干解调 由 AM 信号的频谱可知如果将已调信号的频谱搬回到原点位置即可得到原始 的调制信号频谱从而恢复出原始信号解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运 算来实现相干解调的原理框图如图 3-2所示 sAM t m t 乘法器 低通滤波器 0 cosω t c 图 3-2 相干解调原理框图 将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波得 由上式可知只要用一个低通滤波器就可以将第 1 项与第 2 项分离无失真 的恢复 出原始的调制信号 3-5 相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波如果同频 同相位的 [8] 条件得不到满足则会破坏原始信号的恢复 15 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 第四章 滤波器 41概论 通常我们面临的信号不是理想的它除了含有我们需要的部分往往还含有我 们不需要的部分此外信号在生成采集传输和处理等若干环节中都可能遭受污 染产生误差为此需要一种系统将信号中不需要的部分过滤掉保留信号的有 用部分这种信号就被称为滤波器严格的讲滤波器可以定义为对已知激励提供 规定响应的系统响应的要求可以在时域或频域中给定滤波器的种类很多集总的 分布的线性的非线性的时变的非时变的等这里讨论属于线性时不变系统滤 波器 com 理想滤波器 一个滤波器的框图如图 4-1 所示设其输入为x u x 代表所需的输入信号u 表示不需要的信号 或污染部分y 表示输出滤波器的任务就是滤除 u而使 y 尽 可能逼近 x且与 x 的波形保持相同 u x y 滤波器 图4-1 滤波器 设 xuy 和滤波器 h 的傅里叶变换为XUY 和 H则有 Y HX HU 4-1 为了滤除 u希望滤波器的输出不含我们不需要的部分即 HU 0 同时为了使y 逼近 x且保持 x 的波形理想的结果为 Y HX ke j ωT X 4-2 或对离散系统 j n Y HX ke 0 X 16 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 式中T n 分别为某实数某整数 0 换句话讲理想滤波器的输出为 y t kx t τ 4-3 或对离散系统 y n kx n n 4-4 0 式中k 为一常数 通常不能指望 k 1 τ 0 或n0 0 这种极端情况出现滤 波是有代价的理 想的情况滤波过程只带来一定的延时和信号电平的变化然而这是值得的它 所得 到的好处就是所需的信号虽经过时延和幅度变化但波形不变 式HU 0 和式 Y HX ke j ωT X 表明对理想滤波器为了滤掉不需要的信号滤 波器的频带与需滤波除信号的频带不相交否则不需要的信号将无法滤除而在需 要保留信号的频带内频谱滤波器的幅度响应为一常数相位响应是一直线在频带 之外幅度响应应尽快下降为零这一特性也说明滤波器要求不需要的信号与所需 要的信号两这占有的频带不同然而一般情况下需要信号与不需要信号的频谱总 会有重叠的在这种情况下所能尽的最大努力是调整滤波器幅度响应特性和相位响 应特性以便使滤波器输出端的需要信号对不需要信号之比在某种准则下达到最大 com 几个重要的术语 从频域的角度看滤波器的技术参数不外乎从幅度响应特性和相位响应特性中提 出为了讨论方便我们用A f 和υ f 分别表示滤波器的幅频函数和相频函数即 滤波器的频谱为H f A f ej υ f 1 群时延和相时延 群时延和相时延分别为 T f dυ f 2πdf 4-5 g T f υ f 2πf 4-6 p 当T f 不等于常数时信号的不同频率的分量具有不同的时延因 而会引起信 g 17 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 号的畸变 所以我们希望有完全恒定的群时延但这是不可能的通常可以控 制群时延在整个通频带的上下限相时延T f 一般是用来估计经过低 通滤波器后 p 信号的时延这个量主要用于低通系统 2 通带 通常称滤波器允许信号通过的频带为通带要求是应能提供恒定的幅频特性和 恒定的群时延以使需要信号可以不失真的通过 通带 过渡带 阻带 t 0 图 4-2 滤波器带分布 3 阻带 对信号抑制的频带为阻带 4过度带 通带与阻带的频带为过度带如图 4-2所示 com 滤波器的分类 滤波器的分类方法很多例如根据滤波器电路是数字的还是模拟的可将滤波 器分成数字滤波器和模拟滤波器两类根据滤波器的通带位置可将滤波器分为低通 高通带通和带阻类型如图 4-3 所示 A f 低通 0 f 18 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 高通 A f 0 f A f 带通 0 f 带阻 0 f 图4-3 滤波器的分类 42模拟滤波器的原理 com 原理性问题 滤波器完整的设计需要将滤波器的系统函数实现为具体的电路或软件 对于模 拟滤波器将把设计重点放在根据已知的幅度特性确定滤波器的系统函数上 通常这 A 2 ω 来确定 个问题可以表达为如何按照已知的 H s 假定所研究的系统是一个集总参数的实系统显然 2 2 A ω , ,s j ω H jw H j ω H s H j ω H j ω H s H s s j ω 4-7 若s 是H s 的极点或零点则s 是H s 的极点或零点因此乘积H s H s i i 19 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 就有含因子 z z s s s s s s l l 由于这对所有的零点和极点都是正确的所以H s H s 是s z 的有理函数记 V s z 于是有 为 2 z z A ω H s H s s j ω V s s j ω V ω 4-8 A 2 ω 是ω的非负有理函数(因此讨论的问题可 以进一步明确 即幅度平方函数 为由一个给定的ω的非负有理函数确定一个因果系统H s 使得H s 的 幅度函数 的平方等于给定的ω的非负有理函数( 例求H s 使它满足 2 2 4 , , 1ω 14ω H j ω 解 先用s z 来代替ωz 得到 H s H s 1s z 14s 4 1s 1s 2s z 2s 1 2s z 2s 1 由此为了稳定的因果系统H s 的极点应当全部位于,平面的左半 部分即 H s 的分母应为 2s z 2s 1 其分子可取 1s 也可取 1s (当分 子取 1s 时 H s 不但是因果稳定的也是最小相位的( 对模拟系统而言如果H s 的极点和零点都在,的左半球则H s 是最小的相 位系统[3] com 巴特沃斯滤波器 巴特沃斯滤波器的幅度平方函数定义为 2 z 2k 1 2k A ω 1 〔1 ω ω 〕 〔 〕 4-9 1 f f c 式中k为整数代表系统函数的次数f 或角频率ω j 2πf 定义为截止频率 c c c 是三分贝带宽因为A f 1 2 为 3dB ?A f ? 衰减 c 20 log 10 c 20 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的 设计 巴特沃斯滤波器的特点是具有通带内最大平坦的幅度特性且随着频 率的升高而 单调地下降当阶次 k 值愈大时幅度特性愈接近理想的矩形幅度特性 A 2 ω 没 有 零 点 其 极 点 为 1 ω 2k s j 1 S 2k 的 根 即 ωc j ωc 4n3 1 2k j 2 π j 2n1 π 2 s j ω 1 由于j e 1 e n 12 LL2k 所以A ω 的极 p cω 点可写成 1 π 2n1 4 3 j n S pa j ωc 1 2k ω e 2 k n 12 3 LL2k 4-10 c 显然这些极点等角度地均匀的分布在, s ,,ω 的圆周上这个圆称为巴 特沃 c 斯圆 A 2 ω 在,左半平面的极点 可以得到巴特沃斯滤波器的系统函 取 spn n 12 LL k 数为 k 1 ω H s , c 4-11 k k s s ? pn ? s spn n ω ω n c c com 幅度平方函数设计 A 2 ω 确定 的问题下面讨论 A 2 ω 的确定问题也就是如 上面讨论了已知 H s 何设计A 2 ω 通常在ωω 的范围选择一个频率为ω 作为滤波器的止带 始点这 c s 时对巴特沃斯滤波器来说只要知道ω ω k 和A 2 ω 之中任意三个就容 s c 易通过上式求得另一个参数从而得到A 2 ω 对切比雪夫滤波器只要知道 ω ω s c A 2 ω 和ε中任意四个参数就不难通过上式求得另外一个参数从 而得到 k [9] 了参数A 2 ω 21 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 第五章 总体设计及方案 51课题研究所涉及LabVIEW的工具 调制解调器在前面板上有相应的图标对信号进行时域分析频域分析等相关分 析这些图标各自对应一段软件子程序如可在流程图编辑窗口中 Function功能 模板上的Signal Processing和Mathematics子摸板上方便地调出供用户编 辑流程图使用 com Signal Processing 子模板简介 信号处理Signal Processing子模板可分为 6 个对话框分别是Signal Generation对话框Time Domain对话框Frequency Domain对话框Filters 对话框Windows对话框Measurement对话框 如图 5-1 所示 图 5-1 Signal Processing 子模板简介 ? 仿真信号产生Signal Generation子模板用来产生正旋波三角 波方波等 15 种仿真波形 ? 时域分析Time Domain子模板可以对信号进行卷积相关等 11 22 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 种时域运算 ? 频域分析Frequency Domain子模板可以求出时域信号对应的谱 图互功率谱FFT等 19 种频域运算 ? 加窗 Windows子模板可以对信号进行加窗处理窗函数有矩形 窗 汉宁窗海明窗等 12 种窗函数 ? 滤波器 Filters子模板有巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波器有 限冲击响应滤波器无限冲击响应滤波器等多种滤波器 ? 测量 Measurement子模板有波峰检测器传递函数仪幅值与相 位测试仪等 14 种虚拟测试仪 1Signal Generation 子模板 LabVIEW 已将多种常用的信号函数做成了可以生成正弦波形脉冲波形随机噪 声波形等各种仿真波形生成功能模块存放在 Signal Processing 模板的下一级 Signal Generation 子模板中供使用者方便的调用而且它还可以与数学运算相配 合生成更复杂的波形例如将两种不同频率正弦波相乘可以得到调幅波 鼠标单击功能模板上 Signal Processing 模板下的 Signal Generation 子模板后 出现 Signal Generation 子模板如图 5-2 所示 图 5-2 Signal Generation 子模板 23 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 2Signal Generation 子模板简介主要介绍正弦三角锯齿方波和斜波等 ? 任意波形发生器图标 Signal Generation by Duration用该图标可 以选择 7 种波形如正弦波余弦波三角波锯齿波方波等 ? 正弦波序列发生器Sine Patternvi可用该图标产生一个正弦波序 列 ? 斜波序列发生器Ramp Patternvi可用该图标产生一个斜波序列 ? 抽样函数发生器Sinc patternvi可用该图标产生一个 sinc序 列 ? 有限长度脉冲序列发生器Pulse Patternvi可用该图标产生一组设 定长度的脉冲序列 ? 扫描波序列发生器Chip patternvi可用该图标产生一个上限频率 f 和下限频率f 范围内的扫滤波序列 1 2 ? 正弦波发生器Sine Wave vi可用该图标产生一个正弦波序列正 弦波的频率由数字频率设定 ? 三角波发生器Triangle wavevi可用该图标产生一个三角波序列 三角波的频率由数字频率设定 ? 方波发生器Square wavevi可用该图标产生一个方波序列 ? 锯齿波发生器Sawtooth wavevi可用该图标产生一个锯齿波序列 锯齿波的频率由数字频率设定 3虚拟调制解调器的研究中所涉及到了一系列的连续信号包括正弦波方波锯齿 波三角波等并对这些信号进行时域描述在这些信号中着重以正弦波发生 器为 例介绍虚拟调制解调器在前面板和流程图编辑窗口中的使用方法和功能 下面以正弦波产生信号为例说明信号发生模块的使用方法 1 Sine Wave vi 24 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 Sine Wave vi 图标的调用路径是 Functions Signal Processing Signal Generation Sine Wave vi Sine Wave vi 图标如图 5-3 所示 Sine Wave Vi 图标 图 5-3 Sine Wave Vi 图标 2 Sine Wave Vi 图标与输入输出端口参数 Sine Wave Vi 图标与其端口如图 54 所示 图 5-4 Sine Wave Vi 图标及其端口 函数图标左侧一列为输入端口即该函数调用前的参数设置端口 Samples 生成波形的总点数 N默认值为 128 Amplitude 生成波形的幅值默认值为 10 f 生成信号的数字频率默认值为 10128 phase in 生成波形的初始相位单位为度默认值为 00 reset phase 默认值为 TRUE当为 TRUE 时函数以 phase in 的值作为初始相 位如果该值为 FALSE则函数以上一次调用后的 phase out 输出值为此次波形的初 始相位 默认值为 TRUE显然此时产生的信号波形是连续光滑的函数图标的 右侧 25 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 一列为输出端口即函数调用后的输出参数其各自的含义如下 Sine Wave 数组名该数组内存放所生成的波形数据 phase out 当 reset phase 为 TRUE 时该参数无效当 reset phase 为 FALSE 时该参数作为下一次生成正弦波的初始相位 error 错误代码 若有错误则输出错误代码根据错误代码查找 LabVIEW [6] 帮助文件可以找到与错误代码对应的错误含义 512 所用控件模板的介绍 1 数字Digital 控件 执行 Controls Numeric Digital Control 操作则可得到数字控件如图 5-5 所示 图 5-5 数字控制模板 数字控件的外形为窗形既可作为参数输入控件又可作为数值显示控件 作为参数输入控件时操作者可通过该控件 窗口进行各种参数设置如采样频率 采样点数的设置等作为数值输出控件时用来显示测量的数值结果 两种不同功能的切换可通过执行如下操作完成 ? 若控件为参数输入控件用鼠标右键店击该控件弹出快捷菜单选择选项 Change to Indicator控件功能即由参数输入控件转换为数值显示控件 ? 若控件为数值输出控件用鼠标右键点击该控件弹出快捷菜单选择选项 Change to Control控件功能即由数值输出控件转换为参数输入控件 2Waveform Chart控件 执行 Controls Graph Waveform chart 操作即可得到 Waveform Chart 控件 26 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 如图 5-6 所示 图 5-6 图形子模板 Chart 完成信号的动态显示即每个接收到一个或一组数据就立即显示一个或一 组数据但显示的所有数据的总个数或显示波形的长度是一定的新数据不断淘汰旧 数据而得以显示因此这种显示方式非常适用于描述数据动态变化的规律适用 与实时数据的动态观察它可以输入一维或二维数组显示一维或二维动态波形显 示动态还有三种模式 3Waveform Graph控件 执行 Controls Graph Waveform Graph 操作则可得到 Waveform Graph 控件如 图5-7 所示 图 5-7 图形子模板 Graph 27 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 完成信号的静态显示多用于数据处理结果的显示如各种谱分析图用 Waveform Graph 来设计的示波器与用 Chart 控件实现的示波器相比用 Graph 控件设计的示波 器是完全同步的所以波形是稳定的图形而用 Chart 控件设计的示波器是尚未完全 [2] [ 同步的波形是行进的 com 结构子模板 该模板上的图标主要用于控制数据流程图中数据流的走向类似与 C 语言中对应 的语言结构如图所示其中主要结构包括Case 结构For Loop 结构While Loop 结构 Sequence 结构 Formula Node 公式节点 Globe Variable 和 Local Variable 全局变量和局部变量主要介绍While Loop如图 5-8 所示 Case 结构 For Loop 结构 Sequence 结构 While Loop 结构 Formula Node 结构 Local Variable Global Variable 图 5-8 结构子模板 While 结构 子模板上的 While结构是条件信号结构为一种无限循环结构类似于 C 语言 中的Do While结构其结构图标与软件流程图如下图所示 执行 While 结构时先执行框内的程序 A然后判断条件端子 P 的输入是否为真 如果为真则进入下一次循环否则跳出 While 结构执行下面流程每循环执 行一次程序循环计数自动加 1 这种结构特别适合于设计示波器和过程记录仪也常与面板的开关控制件相配合 实现仪器的运行启动或停止 其使用和添加方法是用鼠标右击 While Loop 图标的边框会弹出While Loop 的 对话框选择ADD Shift Register选项就添加了一个移位寄存器它通常以成 对的两个小方框出现在结构体的左右边框右侧小方框将本次循环的执行结果暂时存 起来左侧小方框取得的上次循环的结果供本次循环使用如图 5-9图 5-10 所示 28 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 循环次数 判断条件端子 图 5-9 图 标 真 A B 假 图 5-10 软件流程图 While 结 构 com Filter 子模板简介 虚拟调制解调器主要涉及Filter 子模板中的滤波器 在 Filter 子模板上提供了 13 种滤波器如切比雪夫滤波器巴特沃斯滤波器 FIR 滤波器IIR 滤波器等图标其子模板图如图 5-11 所示 29 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 图 5-11 Filter 子模板 ? Butterworth Filtervi 图标 通 过 设 置 该 图标 的采 样 频 率 Samplingfre滤波器阶次 Order低截止频率 Low cutoff fre 高截止频率 High Cutoff fre滤波类型Filter Type等参数来 产生一个数字式巴特沃斯滤波器 ? Chebyshev Filtervi图标该图标通过设置采样频率滤波器阶次 低截止频率高截止频率滤波器类型等参数来产生一个数字式切比雪夫 [8] I 型滤波器 巴特沃斯低通滤波器使用说明 1 幅频特性的一般表达式 巴特沃斯低通滤波器是一种用所谓最平通带特性去逼近理想低通特性 滤波器其 幅频特性为 1 H ω 5-1 ω 2n 1 ω c 式中n 123为滤波器的阶次 2 一阶巴特沃斯低通滤波器 30 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 传递函数为 Kb K 0 H s 5-2 b s b τs 1 1 0 b 式中τ 1 s σ j ω 若令σ 0 得频率特性如下 b 0 K H j ω H ω 5-3 τj ω1 幅频特性为 K A ω H j ω 5-4 ω 2 1 ω c 1 1 式中 ωc 为转折频率与式 H ω 相比它就是 n 1 时的式 τ ω 2n 1 ω c 1 H ω ω 2n 1 ω c 相频特性为 ω θ j ω θ ω arctgωτ arctg 5-5 ω c 3Butterworth Filtervi 图标的调用路径 1执行Function Signal Processing Filter Butterworth Filtervi 操作 其图标如图 5-12 所示 31 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 Butterworth Filtervi Chebyshev Filtervi 图 5-12 Butter worth Filtervi 图标 2Butterworth Filtervi图标的参数设置 Butterworth Filtervi 图标与其端口如图所示 Butterworth Filtervi 图标的左侧为输入端口参数右侧为输出端口参数其各自 的含义如下 输入端口参数如图 5-13 所示 图 5-13 输入端口参数 ? X 欲处理数据数组 ? Sampling freqf s 采样频率通常就是输入数据 X 的采样频率默认 32 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 值为 10此值必须大于 0 ? high cutoff freqf h 滤波器的高截止频率对低通和高通滤波 器这 个参数被忽略 ? Low cutoff freq fl滤波器的低截止频率此频率必须满足奈奎 斯特 定律采样定律fl的取值范围为0 f f 2其中 f 为采样 1 s s 频率 其默认值为 0125 ? Order 滤波器的阶次其值必须大于 0 的整数 ? filter type 滤波器的类型0 表示 Lowpass 低通 1 表示 Highpass 高 通 2 表示 BandPass 带通 3 表示 Bandstop 带阻 输出端口参数如下 ? Filtered X 滤波后的数据 [9] ? error错误代码值返回值模块执行中的错误代码 52总体课题设计 1(功能要求 用该调幅波解调器可观察调幅波以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形 2 调制解调器原理 1调幅波的数字表达式及其特性 u t E z t sin ω t 5-6 m 0 式中E 常量ω 高频载波角频率 z t 低频缓变信号其上限角 频率 m 0 为Ω 式 5-6 就是调幅波的一般数字表达式它反映了低频缓变信号在z t 对一高频 ω 振荡信号sin ω t 的控制通常ω 5,10Ω 0 0 0 一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号载送缓变信号的高频 ω 振荡 0 信号sin ω t 称为载波利用信号 z t 来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程 0 2调幅波的解调调幅波 u t 的幅值反映调制信号 z t 数值的变化在调制器 之后加解调器可将被测的调制信号 z t 与调幅波 u t 分离并最后提取出来解 调器由乘法器和低通滤波器组成其原理图如图 5-14 所示 u t y t f t 乘法器 低通滤波器 u t U sin ω t θ r r 0 图 5-14 解调器原理框图 33 基于 LABVIEW 的虚拟调制解调器的设计 解调器中的乘法器有两个输入信号一个是待解调的调幅波u t