基于LabVIEW的通信仿真(圖)

摘 要：采用labview軟件對(duì)應(yīng)用于無(wú)線信道中的4psk的數(shù)字通信方式和主要通信過(guò)程的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真。主要通信過(guò)程為抽樣、量化、編碼、調(diào)制解調(diào)、糾錯(cuò)編碼等，并給出了幾種調(diào)制解調(diào)的主要特性，為建立實(shí)際通信系統(tǒng)提供了基本的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：移相鍵控(psk)；信噪比

引言
---美國(guó)ni公司推出的labview語(yǔ)言是一種優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語(yǔ)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(kù)。labview作為目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)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。框圖程序應(yīng)用圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，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(yǔ)言的特點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)程序語(yǔ)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(yǔ)言逐行執(zhí)行。在編寫(xiě)方塊圖程序時(shí)，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(guò)程
---信號(hào)源產(chǎn)生的是模擬信號(hào)，必須首先對(duì)它進(jìn)行數(shù)字處理。在仿真過(guò)程中，用100hz的正弦信號(hào)作為信號(hào)源。按照一般語(yǔ)音通信的要求，這里采用8khz速率對(duì)100hz的正弦號(hào)進(jìn)行抽樣，得到的是間隔為125μs的離散抽樣值。信號(hào)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(jí)(4bit)pcm量化編碼。再將每一個(gè)樣值轉(zhuǎn)化成4bit的二進(jìn)制的pcm代碼流，其速率為32kbps。對(duì)pcm編碼的數(shù)據(jù)流進(jìn)行漢明編碼，得到的是56kbps的糾錯(cuò)編碼后的數(shù)據(jù)流。隨后進(jìn)行調(diào)制，在發(fā)送端對(duì)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(jiàn)的高斯加性白噪聲信道，信號(hào)傳輸過(guò)程中受到高斯噪聲的干擾。在接收端對(duì)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(hào)恢復(fù)所發(fā)送的信號(hào)。
---這里所使用的仿真環(huán)境為labview軟件。下文中主要針對(duì)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(gè)100hz的正弦信號(hào)作為信號(hào)源，通過(guò)量化(quantify)子vi對(duì)它進(jìn)行抽樣和量化。對(duì)信號(hào)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(duì)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(gè)小區(qū)間，每一個(gè)區(qū)間用0～31之間的一個(gè)整數(shù)表示，每個(gè)樣值通過(guò)它被量化成32個(gè)值中的某一個(gè)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(shí)輸出的是長(zhǎng)度為4的矢量，進(jìn)入到編碼(coding)子vi。在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，為了提高信號(hào)的傳輸效率，降低誤碼率，采用了糾錯(cuò)編碼技術(shù)。這里采用的是(4，7)漢明糾錯(cuò)編碼技術(shù)。對(duì)8ksps的矢量信號(hào)中，每個(gè)矢量加入3bit的控制位，但所占的時(shí)間長(zhǎng)度仍為原來(lái)4位矢量的時(shí)間長(zhǎng)度。接著，將7位的矢量信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制的，這四個(gè)值是用連續(xù)兩個(gè)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(guò)后的基帶信號(hào)。采用多個(gè)控件實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制的一些基本參數(shù)的設(shè)定，如字符速率、每個(gè)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(hào)通過(guò)上變頻(upconverter)vi實(shí)現(xiàn)上變頻，把基帶信號(hào)搬移到400khz的頻率段。對(duì)應(yīng)實(shí)際中的信號(hào)，就可以直接發(fā)射到信道上了。仿真過(guò)程中，采用的是一個(gè)簡(jiǎn)單的加性高斯白噪聲信道模型。通過(guò)對(duì)信噪比(eb/no)控件的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)信道信噪比參數(shù)的選擇。接受端收到一個(gè)被信道噪聲損傷的信號(hào)，通過(guò)相逆過(guò)程實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能。經(jīng)過(guò)下變頻(downconverter)vi程序下變頻的基帶信號(hào)進(jìn)入到解調(diào)(demodulation)子vi。在解調(diào)中進(jìn)行相位檢測(cè)，將4個(gè)不同的相位檢測(cè)出來(lái)，映射成0～3的4個(gè)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(hào)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(cuò)轉(zhuǎn)化為四維矢量，即d端輸出的接受信息流，完成糾錯(cuò)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(lái)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換vi恢復(fù)到模擬的信號(hào),如圖3所示。

● 信號(hào)的同步
---為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步，避免信道延遲帶來(lái)的影響，在整個(gè)傳輸過(guò)程中引入了保護(hù)信號(hào)和同步信號(hào)。生成的保護(hù)和同步信號(hào)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(hào)和同步信號(hào)，e端和a端輸出的信號(hào)合為一路信號(hào)，然后再進(jìn)行調(diào)制。在接受方通過(guò)把同步信號(hào)映射為字符，再與接受的字符流進(jìn)行比較，確定同步信號(hào)的位置，實(shí)現(xiàn)接受和發(fā)射的同步。同步信號(hào)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(guò)一個(gè)比較(compare)子vi進(jìn)行比較，計(jì)算出誤碼的個(gè)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(hào)錯(cuò)誤概率為

---由于進(jìn)行了(7，4)漢明碼糾錯(cuò)編碼，然后進(jìn)行4psk調(diào)制，并且 比特符號(hào)對(duì)相應(yīng)信號(hào)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(duì)照?qǐng)D。信道信噪比超過(guò)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(kāi)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(duì)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(lái)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(dòng)。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(lái)，更好地發(fā)揮labview在虛擬儀器中的作用。

參考文獻(xiàn)
1 田麗華編著.編碼理論.西安電子科技大學(xué)出版社.2004
2 john g. proakis. digital communication. fourth edition. mcgraw-hill companies. 2001
3 曹志剛,錢(qián)亞生編著.現(xiàn)代通信原理.清華大學(xué)出版社. 2002