通信专业中无线电的运用

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0引言

所谓虚拟仪器是基于计算机的软、硬件测试平台。由计算机、应用软件和仪器硬件组成，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；还可以自由构建成专有仪器系统。在虚拟仪器系统中，软件成为整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增加仪器系统的参数和功能，所以有“软件即仪器”之说[1][2]。软件无线电的概念是在1992年5月MITRE公司的科学顾问JosephMitola在美国电信系统会议首次提出的[3]，IEEEComm.Magazine在1995年第5期正式推出了第一个软件无线电专集[4]，掀起了软件无线电的研究热潮。软件无线电技术构造了一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，除了射频信号发送和接收部分使用模拟电路和模拟信号外，将无线通信系统的各种功能，如工作频段转换，调制解调，数据格式变换，数据加密，差错控制编码，通信协议执行等都用软件来完成，以求研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。软件无线电技术包括软件技术、硬件技术以及信号处理技术等，其中信号处理技术中的带通采样理论和多速率信号处理理论是软件无线电理论的基础。目前国内大学通信专业的实验教学中，如通信原理和数字信号处理的实验课等，都可以用实验的方法，对信号进行分析，有利于学生的理解。但往往由于信号生成、显示和分析仪器的成本比较高，尤其是带有频谱分析和测量功能的仪器价格尤为昂贵，使得这部分的实验无法普遍实施。PC机声卡具有两路AD，两路DA，采样率最高可达到44100Hz，采样深度可达到16bit。如果利用PC机作为数据采集处理设备，使用适当的虚拟仪器软件编程技术就可以组成一个低成本高性能的信号采集与分析处理系统，方便学生理解理论内容，简化了课程的实验，甚至能够让有兴趣的学生对现有虚拟仪器系统进行升级改造。这是我们研究该课题的意义之所在，希望通过我们的研究，能够建立一个性能价格比较高的信号分析系统，并将该结果应用于大学通信专业及相关专业的实验教学中，足以让学生理解信号分析的概况了。

1基于软件无线电的虚拟仪器系统

本文介绍一套基于Labwindows/CVI的信号处理系统，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSIC为核心，将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接和起来。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境[5]。本系统使用LabWindows/CVI实现了一个软件的宽带数字下变频（WDDC）的单通道接收机等虚拟仪器，并对模拟的68MHz~72MHz的频谱环境进行监测；这并不是仿真软件，而是实用的工具，这些虚拟仪器可以很好的工作。使用起来也很方便，只需要一根数据线连接两台PC即可。系统框图如图1所示。

1．1信号发生器信号发生器利用PC机产生两路信号，信号类型有正弦波、方波、三角波、锯齿波和用户自定义五种波形。在“高级设置”中可对两路信号的同步进行调整，也就是设置两路信号的初始相位差，调整范围为0~2π。系统面板图如图2所示。

1．2基于WDDC的单通道接收机使用Labwindows/CVI对基于数字混频下边频的单通道接收模型进行了模拟，实现了一个软件的宽带数字下变频(WDDC)接收机。总体结构如图3所示。首先，模拟了68MHz~72MHz带宽内的频谱环境，产生了包含多个通信信道的宽带信号，并对这个信号作采样率为8MHz的欠采样。根据带通采样定理，这样的欠采样刚好不会发生频率混叠。将采样得到的数据(速率为8MSPS)以文件格式存入硬盘，作为输入数据模块。然后，用DDS方式构造了一个混频信号发生器，信号发生器采用4K点的波表和浮点累加器，使混频信号的相噪降到足够小。接着用可控级联方式的FIR抽取滤波器组对混频后的信号进行低通滤波和抽取。信号发生器和后续的FIR抽取滤波器模块共同构成了WDDC接收机的核心部分。最后，通过加窗FFT和显示模块对信号频谱进行显示。每个模块都可以通过用户接口控制程序进行控制，通过调整DDS累加步长对混频信号频率进行控制，通过切换FIR抽取滤波器的级联方式对带宽进行控制，还可以控制频谱显示和数据文件的读取。

2具体实例分析

信号谱分析是数字信号处理课程中学生学习的重点，同时又是难点[6]。对于这些抽象的知识，老师在课堂上费尽心力讲解，学生依然很难理解。有些学生虽然学会信号频谱的计算方法，但对计算出的谱线形状只能凭空想象，缺少直观认识，久而久之，学生学习的积极性下降。通过此虚拟实验，可以解决这些问题，学生通过选择需要的的信号类型，设定信号的频率和幅值，就可观察到信号的时域波形和频谱图，这样学生不仅直观的了解谱线形状，而且对原信号频率和相位对谱线的影响有更深刻的理解。系统模拟的频谱环境相当于一个很宽的中频信号，其中存在10个常见的通信信号。表1描述了这10个通信信号的类型、中心和带宽，其中包含有AM、FM、LSB、Chirp、Hop以及扩频信号，这些信号整个构成了一个小的频谱环境。图4是WDDC接收机的程序界面，主要有两个控制台：DDC设置以及显示设置。在DDC设置中，调整频率数字框可以改变接收机的中心频率(68MHz~72MHz)，调整带宽下拉框有三种带宽(2MHz/1MHz/512kHz)可以选择；在显示设置中，可以进一步调整观测频谱的范围。使用宽带模式观测信号的全景情况见图4（a）（b）所示。在全景模式下，可以看到2M带宽内多个通信信号的整体情况，能够检测信号的位置、频率占用情况以及频谱环境的一些宏观信息，单个信号的特征则不太明显。用窄带模式观测单个信号的特征见图5所示。在窄带模式下，可以快速的确定信号的中心，测量信号的带宽，并且能够对比任意频点的相对电平，从而能够迅速了解信号的类型及其它重要参数(调制度、频偏等)。

3结论

基于本虚拟仪器系统，我们开发了一系列数字信号处理和通信原理的课内实验。包括：双通道信号发生器认知实验；单通道接收机认知实验；基本信号的产生和谱分析；DTMF信号的产生和谱分析；常见通信信号的产生和谱分析等。我们将这些实验用在了数字信号处理和通信原理的课程教学中，取得了很好的效果。这个实验系统方便学生理解理论内容，简化了课程的实验，甚至能够让有兴趣的学生对现有虚拟仪器系统进行升级改造。基于软件无线电的虚拟仪器作为一种先进的实验仪器和全新的科学研究方法影响着各行各业，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虚拟仪器在实验教学上得到了有效的应用，并以其独特的优势成为今后实验教学改革的重要方向。我们将继续完善并研发模拟调制信号，数字调制信号等的生成、处理的虚拟仪器。以及可以进行眼图和星座图分析的虚拟设备（其中数字信号、模拟调制信号发生器已经初步完成），最终建立一个完整的通信专业虚拟实验室。