【技術(shù)】如何利用LabVIEW進(jìn)行通信仿真

引言
---美國NI公司推出的LabVIEW語言是一種優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言，使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其他應(yīng)用程序通信的VI庫。LabVIEW作為目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，在測試與測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號分析、通信仿真等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本文主要研究基于LabVIEW的通信仿真。

LabVIEW程序結(jié)構(gòu)
---LabVIEW程序主要包括兩部分：前面板(即人機(jī)界面)和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示?？驁D程序應(yīng)用圖形編程語言編寫，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼。其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。LabVIEW的強(qiáng)大功能在于層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而且，調(diào)用階數(shù)可以是任意的。labVIEW編程方法與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法不同，它擁有流程圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)的束縛。labVIEW的執(zhí)行順序依方塊圖間數(shù)據(jù)的流向決定，而不像一般通用的編程語言逐行執(zhí)行。在編寫方塊圖程序時，只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo)，然后再以線條相互連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

仿真過程
---信號源產(chǎn)生的是模擬信號，必須首先對它進(jìn)行數(shù)字處理。在仿真過程中，用100Hz的正弦信號作為信號源。按照一般語音通信的要求，這里采用8kHz速率對100Hz的正弦號進(jìn)行抽樣，得到的是間隔為125μs的離散抽樣值。信號的幅度為歸一化幅度，最小幅度為-1，最大幅度為1，再進(jìn)行32級(4bit)PCM量化編碼。再將每一個樣值轉(zhuǎn)化成4bit的二進(jìn)制的PCM代碼流，其速率為32kbps。對PCM編碼的數(shù)據(jù)流進(jìn)行漢明編碼，得到的是56kbps的糾錯編碼后的數(shù)據(jù)流。隨后進(jìn)行調(diào)制，在發(fā)送端對碼流進(jìn)行4PSK數(shù)字編碼調(diào)制，采用的載波是400kHz的正弦波，然后送上信道進(jìn)行傳輸。信道是最常見的高斯加性白噪聲信道，信號傳輸過程中受到高斯噪聲的干擾。在接收端對接受到的碼流進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、漢明碼解碼，最后PCM信號恢復(fù)所發(fā)送的信號。
---這里所使用的仿真環(huán)境為LabVIEW軟件。下文中主要針對4PSK的仿真進(jìn)行敘述。
● 抽樣、量化和編碼
---在發(fā)送端，源(Source)子VI產(chǎn)生一個100Hz的正弦信號作為信號源，通過量化(Quantify)子VI對它進(jìn)行抽樣和量化。對信號源進(jìn)行8kHz的抽樣，抽樣產(chǎn)生的離散抽樣值歸一化為絕對值小于等于1的數(shù)據(jù)流。量化器把-1～1的范圍等分為32個小區(qū)間，每一個區(qū)間用0～31之間的一個整數(shù)表示，每個樣值通過它被量化成32個值中的某一個值，再轉(zhuǎn)化成元素為0、1的矢量，即C端輸出的源信息流。這時輸出的是長度為4的矢量，進(jìn)入到編碼(Coding)子VI。在信號傳輸?shù)倪^程中，為了提高信號的傳輸效率，降低誤碼率，采用了糾錯編碼技術(shù)。這里采用的是(4，7)漢明糾錯編碼技術(shù)。對8kSPS的矢量信號中，每個矢量加入3bit的控制位，但所占的時間長度仍為原來4位矢量的時間長度。接著，將7位的矢量信號進(jìn)行串行化，產(chǎn)生56kbps的0、1數(shù)據(jù)流輸出到A端，如圖1所示。

● 調(diào)制、解調(diào)和信道傳輸
---從A端輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流在調(diào)制(Modulation)子VI中進(jìn)行4PSK數(shù)字調(diào)制。4PSK是受0～3這4個數(shù)據(jù)調(diào)制的，這四個值是用連續(xù)兩個二進(jìn)制位表示的。這里進(jìn)行的調(diào)制是基帶調(diào)制，調(diào)制子VI輸出的調(diào)制過后的基帶信號。采用多個控件實(shí)現(xiàn)對調(diào)制的一些基本參數(shù)的設(shè)定，如字符速率、每個字符的采樣數(shù)、波形形成濾波器的類型及參數(shù)。輸出的基帶信號通過上變頻(upconverter)VI實(shí)現(xiàn)上變頻，把基帶信號搬移到400kHz的頻率段。對應(yīng)實(shí)際中的信號，就可以直接發(fā)射到信道上了。仿真過程中，采用的是一個簡單的加性高斯白噪聲信道模型。通過對信噪比(Eb/NO)控件的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對信道信噪比參數(shù)的選擇。接受端收到一個被信道噪聲損傷的信號，通過相逆過程實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能。經(jīng)過下變頻(downconverter)VI程序下變頻的基帶信號進(jìn)入到解調(diào)(Demodulation)子VI。在解調(diào)中進(jìn)行相位檢測，將4個不同的相位檢測出來，映射成0～3的4個不同的量值，然后轉(zhuǎn)換為2bit的二進(jìn)制比特流從B端輸出。所述實(shí)現(xiàn)了調(diào)制解調(diào)和高斯白噪聲信道的傳輸，如圖2所示。

● 解碼和信號恢復(fù)
---B端輸出的二進(jìn)制比特流進(jìn)入到解碼(Decode)子VI，其完成數(shù)據(jù)流的漢明碼譯碼的功能。解碼VI將比特流組成七維的矢量數(shù)組，經(jīng)漢明距離的判斷，再把七維矢量糾錯轉(zhuǎn)化為四維矢量，即D端輸出的接受信息流，完成糾錯譯碼的功能。四維的矢量數(shù)組由To Dwave子VI化為數(shù)字波形進(jìn)行顯示，接下來通過數(shù)模轉(zhuǎn)換VI恢復(fù)到模擬的信號,如圖3所示。

● 信號的同步
---為了實(shí)現(xiàn)信號的同步，避免信道延遲帶來的影響，在整個傳輸過程中引入了保護(hù)信號和同步信號。生成的保護(hù)和同步信號從E端輸出。在信息比特進(jìn)入調(diào)制子VI之前，就在信息比特的前面加上了保護(hù)信號和同步信號，E端和A端輸出的信號合為一路信號，然后再進(jìn)行調(diào)制。在接受方通過把同步信號映射為字符，再與接受的字符流進(jìn)行比較，確定同步信號的位置，實(shí)現(xiàn)接受和發(fā)射的同步。同步信號的產(chǎn)生和輸出，如圖4所示。

● 誤碼率的計(jì)算
---為了計(jì)算誤碼率，C端的源信息流和D端的接受信息流通過一個比較(Compare)子VI進(jìn)行比較，計(jì)算出誤碼的個數(shù)，從而計(jì)算出誤碼率，如圖5所示。

● 性能分析
---4PSK數(shù)字相位調(diào)制波形可表示為

---其向量表達(dá)式為

---4PSK符號錯誤概率為

---由于進(jìn)行了(7，4)漢明碼糾錯編碼，然后進(jìn)行4PSK調(diào)制，并且 比特符號對相應(yīng)信號相位映射中采用格雷(Gray)碼，因而編碼比特能量可以用信息比特能量表示為

---且

---程序采用的模擬加性高斯白噪聲信道，設(shè)定信道的信噪比則為 ，可得

---圖6為仿真生成和理論生成的誤碼率的對照圖。信道信噪比超過7dB以后，要求樣本數(shù)很大，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，使得仿真的結(jié)果與理論的結(jié)果有一定偏差。在7dB之前，仿真誤比特率和理論值很接近，擬合得很好。

結(jié)論
---作為應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，LabVIEW在通信仿真中有著重要的作用。由于LabVIEW有很強(qiáng)的儀器控制功能，相對于Matlab等其他仿真軟件，LabVIEW能更有效地把仿真試驗(yàn)移植到實(shí)際中。LabVIEW只需要用實(shí)際的發(fā)射和接受機(jī)及實(shí)際的信道來替換模擬的發(fā)射和接受機(jī)及模擬的信道，但也要進(jìn)行一定量的相應(yīng)改動。這樣就能很好地把LabVIEW在仿真和儀器控制兩方面的功能有機(jī)結(jié)合起來，更好地發(fā)揮LabVIEW在虛擬儀器中的作用。