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件和儀器硬件組成，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)；還可以自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件成為整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，使用者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增加儀器系統(tǒng)的參數(shù)和功能，所以有“軟件即儀器”之說[1][2]。

軟件無線電的概念是在1992年5月MITRE公司的科學(xué)顧問JosephMitola在美國電信系統(tǒng)會議首次提出的[3]，IEEEComm.Magazine在1995年第5期正式推出了第一個(gè)軟件無線電專集[4]，掀起了軟件無線電的研究熱潮。軟件無線電技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，除了射頻信號發(fā)送和接收部分使用模擬電路和模擬信號外，將無線通信系統(tǒng)的各種功能，如工作頻段轉(zhuǎn)換，調(diào)制解調(diào)，數(shù)據(jù)格式變換，數(shù)據(jù)加密，差錯(cuò)控制編碼，通信協(xié)議執(zhí)行等都用軟件來完成，以求研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。軟件無線電技術(shù)包括軟件技術(shù)、硬件技術(shù)以及信號處理技術(shù)等，其中信號處理技術(shù)中的帶通采樣理論和多速率信號處理理論是軟件無線電理論的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)大學(xué)通信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如通信原理和數(shù)字信號處理的實(shí)驗(yàn)課等，都可以用實(shí)驗(yàn)的方法，對信號進(jìn)行分析，有利于學(xué)生的理解。但往往由于信號生成、顯示和分析儀器的成本比較高，尤其是帶有頻譜分析和測量功能的儀器價(jià)格尤為昂貴，使得這部分的實(shí)驗(yàn)無法普遍實(shí)施。PC機(jī)聲卡具有兩路AD，兩路DA，采樣率最高可達(dá)到44100Hz，采樣深度可達(dá)到16bit。如果利用PC機(jī)作為數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，使用適當(dāng)?shù)奶摂M儀器軟件編程技術(shù)就可以組成一個(gè)低成本高性能的信號采集與分析處理系統(tǒng)，方便學(xué)生理解理論內(nèi)容，簡化了課程的實(shí)驗(yàn)，甚至能夠讓有興趣的學(xué)生對現(xiàn)有虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

這是我們研究該課題的意義之所在，希望通過我們的研究，能夠建立一個(gè)性能價(jià)格比較高的信號分析系統(tǒng)，并將該結(jié)果應(yīng)用于大學(xué)通信專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，足以讓學(xué)生理解信號分析的概況了。

1基于軟件無線電的虛擬儀器系統(tǒng)

本文介紹一套基于Labwindows/CVI的信號處理系統(tǒng)，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺。它以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大，使用靈活的C語言平臺與數(shù)據(jù)采集，分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機(jī)地接和起來。它的集成化開發(fā)平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)，自動測量環(huán)境，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境[5]。本系統(tǒng)使用LabWindows/CVI實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件的寬帶數(shù)字下變頻（WDDC）的單通道接收機(jī)等虛擬儀器，并對模擬的68MHz~72MHz的頻譜環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；這并不是仿真軟件，而是實(shí)用的工具，這些虛擬儀器可以很好的工作。使用起來也很方便，只需要一根數(shù)據(jù)線連接兩臺PC即可。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1信號發(fā)生器

信號發(fā)生器利用PC機(jī)產(chǎn)生兩路信號，信號類型有正弦波、方波、三角波、鋸齒波和用戶自定義五種波形。在“高級設(shè)置”中可對兩路信號的同步進(jìn)行調(diào)整，也就是設(shè)置兩路信號的初始相位差，調(diào)整范圍為0~2π。系統(tǒng)面板圖如圖2所示。

1．2基于WDDC的單通道接收機(jī)使用

Labwindows/CVI對基于數(shù)字混頻下邊頻的單通道接收模型進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件的寬帶數(shù)字下變頻(WDDC)接收機(jī)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先，模擬了68MHz~72MHz帶寬內(nèi)的頻譜環(huán)境，產(chǎn)生了包含多個(gè)通信信道的寬帶信號，并對這個(gè)信號作采樣率為8MHz的欠采樣。根據(jù)帶通采樣定理，這樣的欠采樣剛好不會發(fā)生頻率混疊。將采樣得到的數(shù)據(jù)(速率為8MSPS)以文件格式存入硬盤，作為輸入數(shù)據(jù)模塊。然后，用DDS方式構(gòu)造了一個(gè)混頻信號發(fā)生器，信號發(fā)生器采用4K點(diǎn)的波表和浮點(diǎn)累加器，使混頻信號的相噪降到足夠小。接著用可控級聯(lián)方式的FIR抽取濾波器組對混頻后的信號進(jìn)行低通濾波和抽取。信號發(fā)生器和后續(xù)的FIR抽取濾波器模塊共同構(gòu)成了WDDC接收機(jī)的核心部分。最后，通過加窗FFT和顯示模塊對信號頻譜進(jìn)行顯示。每個(gè)模塊都可以通過用戶接口控制程序進(jìn)行控制，通過調(diào)整DDS累加步長對混頻信號頻率進(jìn)行控制，通過切換FIR抽取濾波器的級聯(lián)方式對帶寬進(jìn)行控制，還可以控制頻譜顯示和數(shù)據(jù)文件的讀取。

2具體實(shí)例分析

信號譜分析是數(shù)字信號處理課程中學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，同時(shí)又是難點(diǎn)[6]。對于這些抽象的知識，老師在課堂上費(fèi)盡心力講解，學(xué)生依然很難理解。有些學(xué)生雖然學(xué)會信號頻譜的計(jì)算方法，但對計(jì)算出的譜線形狀只能憑空想象，缺少直觀認(rèn)識，久而久之，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性下降。通過此虛擬實(shí)驗(yàn)，可以解決這些問題，學(xué)生通過選擇需要的的信號類型，設(shè)定信號的頻率和幅值，就可觀察到信號的時(shí)域波形和頻譜圖，這樣學(xué)生不僅直觀的了解譜線形狀，而且對原信號頻率和相位對譜線的影響有更深刻的理解。系統(tǒng)模擬的頻譜環(huán)境相當(dāng)于一個(gè)很寬的中頻信號，其中存在10個(gè)常見的通信信號。表1描述了這10個(gè)通信信號的類型、中心和帶寬，其中包含有AM、FM、LSB、Chirp、Hop以及擴(kuò)頻信號，這些信號整個(gè)構(gòu)成了一個(gè)小的頻譜環(huán)境。圖4是WDDC接收機(jī)的程序界面，主要有兩個(gè)控制臺：DDC設(shè)置以及顯示設(shè)置。在DDC設(shè)置中，調(diào)整頻率數(shù)字框可以改變接收機(jī)的中心頻率(68MHz~72MHz)，調(diào)整帶寬下拉框有三種帶寬(2MHz/1MHz/512kHz)可以選擇；在顯示設(shè)置中，可以進(jìn)一步調(diào)整觀測頻譜的范圍。使用寬帶模式觀測信號的全景情況見圖4（a）（b）所示。在全景模式下，可以看到2M帶寬內(nèi)多個(gè)通信信號的整體情況，能夠檢測信號的位置、頻率占用情況以及頻譜環(huán)境的一些宏觀信息，單個(gè)信號的特征則不太明顯。用窄帶模式觀測單個(gè)信號的特征見圖5所示。在窄帶模式下，可以快速的確定信號的中心，測量信號的帶寬，并且能夠?qū)Ρ热我忸l點(diǎn)的相對電平，從而能夠迅速了解信號的類型及其它重要參數(shù)(調(diào)制度、頻偏等)。

3結(jié)論

基于本虛擬儀器系統(tǒng)，我們開發(fā)了一系列數(shù)字信號處理和通信原理的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。包括：雙通道信號發(fā)生器認(rèn)知實(shí)驗(yàn)；單通道接收機(jī)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)；基本信號的產(chǎn)生和譜分析；DTMF信號的產(chǎn)生和譜分析；常見通信信號的產(chǎn)生和譜分析等。我們將這些實(shí)驗(yàn)用在了數(shù)字信號處理和通信原理的課程教學(xué)中，取得了很好的效果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方便學(xué)生理解理論內(nèi)容，簡化了課程的實(shí)驗(yàn)，甚至能夠讓有興趣的學(xué)生對現(xiàn)有虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行升級改造?；谲浖o線電的虛擬儀器作為一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和全新的科學(xué)研究方法影響著各行各業(yè)，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上得到了有效的應(yīng)用，并以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向。我們將繼續(xù)完善并研發(fā)模擬調(diào)制信號，數(shù)字調(diào)制信號等的生成、處理的虛擬儀器。以及可以進(jìn)行眼圖和星座圖分析的虛擬設(shè)備（其中數(shù)字信號、模擬調(diào)制信號發(fā)生器已經(jīng)初步完成），最終建立一個(gè)完整的通信專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室。