基于LabVIEW的通信仿真

引言

美国NI公司推出的LabVIEW语言是一种优秀的面向对象的图形化编程语言，使用图标代替文本代码创建应用程序，拥有大量与其他应用程序通信的VI库。LabVIEW作为目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、通信仿真等领域获得了广泛的应用。本文主要研究基于LabVIEW的通信仿真。

LabVIEW程序结构

LabVIEW程序主要包括两部分：前面板(即人机界面)和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器的面板操作，可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码。其用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW的强大功能在于层次化结构，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，而且，调用阶数可以是任意的。labVIEW编程方法与传统的程序设计方法不同，它拥有流程图程序设计语言的特点，摆脱了传统程序语言线性结构的束缚。labVIEW的执行顺序依方块图间数据的流向决定，而不像一般通用的编程语言逐行执行。在编写方块图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后再以线条相互连接，即可实现数据的传输。

仿真过程

信号源产生的是模拟信号，必须首先对它进行数字处理。在仿真过程中，用100Hz的正弦信号作为信号源。按照一般语音通信的要求，这里采用8kHz速率对100Hz的正弦号进行抽样，得到的是间隔为125μs的离散抽样值。信号的幅度为归一化幅度，最小幅度为-1，最大幅度为1，再进行32级(4bit)PCM量化编码。再将每一个样值转化成4bit的二进制的PCM代码流，其速率为32kbps。对PCM编码的数据流进行汉明编码，得到的是56kbps的纠错编码后的数据流。随后进行调制，在发送端对码流进行4PSK数字编码调制，采用的载波是400kHz的正弦波，然后送上信道进行传输。信道是最常见的高斯加性白噪声信道，信号传输过程中受到高斯噪声的干扰。在接收端对接受到的码流进行数字解调、汉明码解码，最后PCM信号恢复所发送的信号。

这里所使用的仿真环境为LabVIEW软件。下文中主要针对4PSK的仿真进行叙述。

● 抽样、量化和编码

在发送端，源(Source)子VI产生一个100Hz的正弦信号作为信号源，通过量化(Quantify)子VI对它进行抽样和量化。对信号源进行8kHz的抽样，抽样产生的离散抽样值归一化为绝对值小于等于1的数据流。量化器把-1～1的范围等分为32个小区间，每一个区间用0～31之间的一个整数表示，每个样值通过它被量化成32个值中的某一个值，再转化成元素为0、1的矢量，即C端输出的源信息流。这时输出的是长度为4的矢量，进入到编码(Coding)子VI。在信号传输的过程中，为了提高信号的传输效率，降低误码率，采用了纠错编码技术。这里采用的是(4，7)汉明纠错编码技术。对8kSPS的矢量信号中，每个矢量加入3bit的控制位，但所占的时间长度仍为原来4位矢量的时间长度。接着，将7位的矢量信号进行串行化，产生56kbps的0、1数据流输出到A端，如图1所示。



● 调制、解调和信道传输

从A端输出的二进制数据流在调制(Modulation)子VI中进行4PSK数字调制。4PSK是受0～3这4个数据调制的，这四个值是用连续两个二进制位表示的。这里进行的调制是基带调制，调制子VI输出的调制过后的基带信号。采用多个控件实现对调制的一些基本参数的设定，如字符速率、每个字符的采样数、波形形成滤波器的类型及参数。输出的基带信号通过上变频(upconverter)VI实现上变频，把基带信号搬移到400kHz的频率段。对应实际中的信号，就可以直接发射到信道上了。仿真过程中，采用的是一个简单的加性高斯白噪声信道模型。通过对信噪比(Eb/NO)控件的设置，实现对信道信噪比参数的选择。接受端收到一个被信道噪声损伤的信号，通过相逆过程实现解调功能。经过下变频(downconverter)VI程序下变频的基带信号进入到解调(Demodulation)子VI。在解调中进行相位检测，将4个不同的相位检测出来，映射成0～3的4个不同的量值，然后转换为2bit的二进制比特流从B端输出。所述实现了调制解调和高斯白噪声信道的传输，如图2所示。



● 解码和信号恢复

B端输出的二进制比特流进入到解码(Decode)子VI，其完成数据流的汉明码译码的功能。解码VI将比特流组成七维的矢量数组，经汉明距离的判断，再把七维矢量纠错转化为四维矢量，即D端输出的接受信息流，完成纠错译码的功能。四维的矢量数组由To Dwave子VI化为数字波形进行显示，接下来通过数模转换VI恢复到模拟的信号,如图3所示。



● 信号的同步

为了实现信号的同步，避免信道延迟带来的影响，在整个传输过程中引入了保护信号和同步信号。生成的保护和同步信号从E端输出。在信息比特进入调制子VI之前，就在信息比特的前面加上了保护信号和同步信号，E端和A端输出的信号合为一路信号，然后再进行调制。在接受方通过把同步信号映射为字符，再与接受的字符流进行比较，确定同步信号的位置，实现接受和发射的同步。同步信号的产生和输出，如图4所示。



● 误码率的计算

为了计算误码率，C端的源信息流和D端的接受信息流通过一个比较(Compare)子VI进行比较，计算出误码的个数，从而计算出误码率，如图5所示。



● 性能分析

4PSK数字相位调制波形可表示为

其向量表达式为

4PSK符号错误概率为

由于进行了(7，4)汉明码纠错编码，然后进行4PSK调制，并且 比特符号对相应信号相位映射中采用格雷(Gray)码，因而编码比特能量可以用信息比特能量表示为

且程序采用的模拟加性高斯白噪声信道，设定信道的信噪比则为 ，可得

图6为仿真生成和理论生成的误码率的对照图。信道信噪比超过7dB以后，要求样本数很大，由于计算机内存的限制，使得仿真的结果与理论的结果有一定偏差。在7dB之前，仿真误比特率和理论值很接近，拟合得很好。