虚拟仪器课程设计报告-虚拟调制解调器设计.doc

西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 目目 录录 1 1 前言前言. 1 1 2 2 虚拟仪器虚拟仪器. 2 2 2.1 虚拟仪概述.2 2.1.1 虚拟仪器基本概念.2 2.1.2 虚拟仪器的构成及分类.3 2.1.3 虚拟仪器的发展.3 2.2 LabVIEW 开发平台. 4 2.2.1 LabVIEW 开发平台简介.4 2.2.2 LabVIEW 编程.6 3 3 调制解调器调制解调器8 8 3.1 调制解调器的概念及分类.8 3.2 调制解调器的作用.9 3.3 调制解调器的工作原理.9 4 4 巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯低通滤波器1 10 0 5 5 虚拟调制解调器虚拟调制解调器1 12 2 5.1 调制解调原理及算法.12 5.2 程序设计.13 6 6 总结与体会总结与体会.1 18 8 7 7 谢辞谢辞.1 19 9 8 8 参考文献参考文献.2 20 0 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 0 页 1 1 前言前言 进入 90 年代以来,随着计算机技术的迅猛发展,测试技术在这一巨大的推动 下,从传统的仪器模式脱颖而出,出现了新的测试仪器-虚拟仪器。虚拟仪器 是通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界 面(通常叫作虚拟前面板)操作这台计算机,就象在操作自己定制的一抬传统仪器 一样.虚拟仪器以透明的方式把计算机资源(如微处理器,内存,显示器等)和仪器 硬件(如 A/D,D/A/,数字 I/O,定时器,信号调理等)的测量,控制能力结合在一起, 通过软件实现对数据的分析处理表达以及图形化用户口。本次主要设计基于 LabVIEW 的虚拟调制解调器。能够实现用该调幅波解调器可观察调幅波，以及 经过巴特斯滤波器后的解调信号波形。此系统具有参数调节方便、易实现、可 靠度高等优点。 本设计的意义在于在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决 实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌 握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部 分所学的知识点，将课堂内容具体化。 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 1 页 2 2 虚拟仪器虚拟仪器 2.12.1 虚拟仪器概述虚拟仪器概述 虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面， 从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操 作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求 通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的 功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使 虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。 2.1.12.1.1 虚拟仪器基本概念虚拟仪器基本概念 虚拟仪器的概念最早由美国 NI 公司于 1895 年提出，其英文原称为 Vrul Instrument，简称 vi。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其 功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计 算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器 的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:利用计算机强大的软件功能来实现 信号数据的运算、分析和处理:利用 I/0 接口设备完成信号的采集、测量与调理， 从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。使用者通过鼠标和键盘操 作虚拟面板，就如同使用一台专用测盆仪器一样。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的义。 (1)虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统的仪器面板上的各种“器件”所完 成的功能是相同的;由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、 “断”;被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数设置,及测量结果的“数 值显示”、“波形显示等”。 传统仪器面板上的器件都是实物,而且是由手动和触摸进行操作的;虚拟仪器 前面板是外形与实物相像的图标,每个图标的通、断、放大等动作通过用户操作 计算机鼠标或键盘来完成。因此,设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中 摆放所需图标,然后对图标的属性进行设置。 (2)虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程土的编程来实现的 虚拟仪器是在以 PC 为核心组成的平台支持下,通过软件编程来实现仪器功 能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以, 在硬件平台确定后,就有“软件就是仪器”的说法。这也具体体现了测试技术与 计算机深层次的结合。 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 2 页 2.1.22.1.2 虚拟仪器的构成及分类虚拟仪器的构成及分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。 (1)虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由两部分组成:(a)计算机：一般为一台PC机或者工作站， 其为硬件平台的核心。(b)I/0接口设备：I/0接口设备主要完成被测输入信号的采 集、放大、A/D转换。不同的总线有其相应的I/0接口硬件设备，如利用PC机总 线的数据采集板卡、GPIB总线、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总 线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型：(a)PC-DAQ系统：PC-DAQ系 统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟 仪器系统。这种系统采用计算机的PCI或工SA总线，数据采集卡直接插入计算机 底板上的相应总线插槽.(b)GPIB系统：GPB系统是以PB标准总线仪器与计算机为 仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。(c)VXI系统：VX6是以VXI标准总线仪器模 块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。(d)PXI系统：PX工系统是以 PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。(e)串口系 统：串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试 系统。 (2)虚拟仪器的软件 目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类: (a)文本式开发平台：VisualC+,VisualBasic,LabWindows/CVI等； (b)图形化开发平台：如LabVIEW,HPVE等。 2.1.32.1.3 虚拟仪器的发展虚拟仪器的发展 虚拟仪器发展至今，大体可以分为四代：模拟仪器、分立元件式仪器、数 字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代-模拟仪器。这类仪器看起来在某些 实验室仍然恩能够看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针 式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪器借助指针来显示 最终结果。第二代-分立元件式仪器。当 20 世纪 50 年代出现电子管，20 世纪 60 年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测 试仪器-分立元件式仪器。第三代-数字化仪器。20 世纪 70 年代，随着集成 电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器这类仪器目前相当普 及，如数字电压表，数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信 号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第四代-智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为 核心的第四代仪器-智能仪器也迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 3 页 自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称之智 能仪器。其缺 点是它的功能模块全部都以硬件的形式存在，无论对开发还是针对应用，都缺 乏灵活性。 随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息 化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。 在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被 测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及 数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟 仪器，可在任何地点、任何时刻获取到测量数据信息的愿望成为现实。网络化 虚拟仪器也适合在异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。 2.2.2 2 LabVIEWLabVIEW 开发平台开发平台 2.2.12.2.1 LabVIEWLabVIEW 开发平台简介开发平台简介 LabVIEW 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组 建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW 与 Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI 等编程语言不同，后者采用的是基 于文本语言的程序代码（Code），而 LabVIEW 则是使用图形化程序设计语言 G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW 所运用的设备图标与 科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非 常的相似。 LabVIEW 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开 发工具库。LabVIEW 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器“，即 “VIs“。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版 （Front Panel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图 程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘 指令。一般来说，每一个 VI 都可以被其他 VI 调用，其功能类似于文本语言的 子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。 LabVIEW 是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了 用于 GPIB 设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和 存储的应用程序模块。LabVIEW 可方便的调用 Windows 动态链接库和用户自定 义的动态链接库中的函数；LabVIEW 还提供了 CIN (C Interface Node) 节点使得 用户可以使用由 C 或 C+语言，如 ANSI C, 编译的程序模块，使得 LabVIEW 成 为一个开放的开发平台。LabVIEW 还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 4 页 查询语言（SQL）、TCP 和 UDP 网络协议等。此外，LabVIEW 还提供了专门用 于程 序开发的工具箱，使得用户能够很方便的设置断点，动态的执行程序来非常直 观形象的观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。 LabVIEW 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体 系结构的执行方式了。传统的计算机语言（如 C）中的顺序执行结构在 LabVIEW 中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的 数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点 （Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这 种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机 等因素的影响。 既然 LabVIEW 程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有 当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才 是有效的。这样，LabVIEW 中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执 行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连 接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行， 即所谓的多线程（Multithreading）。 LabVIEW 的核心是 VI。VI 有一个人机对话的用户界面前面板 （Front Panel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。前面板接受来自 框图程序的指令。在 VI 的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置 并把数据提供给 VI 的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出 装置并显示由框图程序获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面 板上时，LabVIEW 便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个 从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示 器时它才会随之一起被删除。 用 LabVIEW 编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先， 从函数面板（Function Palette）中选择需要的函数节点（Function Node），将之 置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的 端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算 函数、高级的采集和分析 VI 以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网 络函数。 用 LabVIEW 编制出的图形化 VI 是分层次和模块化的。我们可以将之用于 顶层（Top Level）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个 VI 用在其 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 5 页 它 VI 中，称之为 subVI，subVI 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出 现的；为了区分各个 subVI，它们的图标是可编辑的。LabVIEW 依附并发展了 模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务， 每个子任务 还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子 任务的组合。首先设计 subVI 完成每个子任务，然后将之逐步组合成为能够解 决最终问题的 VI。 图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断 发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。 2.2.22.2.2 LabVIEWLabVIEW 编程编程 LabVIEW 编程主要包括前面板设计和构建框图程序。 （1）前面板的设计 前面板是程序设计与用户交流的窗口,一个良好的前面板可以给用户带来一 种友好的感觉,甚至是一种镁的享受.前面板主要由控件构成,控件又分为控制件 和显示件。 设计前面板所用的全部控件都在控件模板(controls palette)模板形式的 默认设置为： 模板外观 palette view-Express(快速模板形式) 模板格式 Format-Standard(标准格式) 导航按钮 Navigation Buttons-Label selected icons 前面板的设计主要有以下几个方面：1、控件的设置:很多时候,Labview 对 控件的默认设置往往并不能满足我们的需要,这时候单击鼠标右键,弹出快捷键, 选中 properties,可进行外观设置、数据范围设置、刻度设置、数据格式与精度 设置等。2、布尔量的设置:包括外观设置与动作方式设置。3、快捷键的设置与 编辑键盘焦点顺序:包括快捷键设置和编辑键盘焦点顺序。4、其他设置:缺省值 设置、可见性设置、颜色设置、颜色梯度条等。控件的布置:包括替换与删除控 件、改变控件大小与控件比例化、控件排列、组合和锁定控件。定制控件：创 建自定义控件、创建自定义控件图标、类定义。 （2）构建程序框图 程序框图是以图形表示的 Labview 程序源代码,是实现程序功能的核心部分。 程序框图里的对象有：节点、端口、连线。 Labview 程序框图里有以下几类节点： 函数节点:函数节点是完成 Labview 程序功能的最基本的成员.Labview 有两类函数节点,一类叫 Function, 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 6 页 他是完成的功能相对简单,输入输出端口相对较少。另一类叫 SUBVI,这实际就是 供其他程序调用的子程序.这两类节点统称为函数节点.函数节点抖擞可以从函 数模板调出。结构:结构是一种程序流程控制节点,他们放置在程序框图中,外 形一般是一个可以缩放的边框,当它与其他节点的连线有数据通过来时,边框内 的一段代 码或者反复执行,或者有条件执行,或者按照一定的顺序执行。结构内的一 段代码叫子框图 subdiagram；结构边框上数据输入输出的端口叫做通道 channel.LABVIEW 有 7 种结构:FOR 循环、WHILE 循环、选择结构、展平的顺序结 构、层叠结构、公式节点和事件结构。属性节点:property node,它的顶端有 两对参数,一对参考号 reference 和复制的参考号 dup reference,另一对是 error in 和 error out.只有一个属性端口.如果需要对一个对象的多种属性进 行操作,可以扩大属性节点让它显示更多的属性条目。代码调用节点和调用库 函数节点。 包含节点和使用参考号调用节点。 Labview 程序框图有以下几类端口： 控件端口：控件端口有图标和数 据类型端口两种显示方式,图标形式的控件端口用一个缩略图显示控件的形状, 用边框的颜色表示控件的数据类型,并在下方用一个小方框里的文字进一步说明 控件的数据类型.控件端口的图标形式对于编程时了解端口所代表的空间很方便,但 是占据程序框图的位子也比较大.控件端口另外一种显示方式是数据类型形式. 数据类型形式的控件端口用整体的颜色表示控件的数据类型,并用文字进一步说 明控件的数据类型.控件端口两种显示方式的转换可以通过在控件端口上弹出快 菜单,选中或不选中 VIEW AS ICON 来实现。 节点端口：节点端口节点连线的 位置,即数据传递的端点。函数节点图标都可以显示为端口形式,我们在前面创 建的 VI 程序框图里,各个节点上弹出的快捷菜单中,选命令 Visible ItemsTerminals.程序框图变为一种很方便连线的形式，但不利于了解函数功 能.有些函数节点缺省的端口数不能满足程序设计的要求,增减端口数量的方法 和缩放控件大小的方法类似.即用定位工具拖动图标边缘.也可以在已有端口上 弹出快捷菜单选 Add Input、Remove Input、Remove Output 等命令。节点端口 也用颜色表示数据类型。 结构端口：结构上数据输入输出的端点就叫结构端 点。 常数 ：Labview 有两类常数。通用常数：例如自然对数的底 e,回车 符等。用户定义常数：Labview 函数模板中有各种常用数据类型的常数,用户 可以在编写程序时为它赋值.例如数值型常数 Numeric Constant 位于数值字模 板,它的默认值是 32 位整型数 0,用户可以给它定义任意类型的数值,程序运行时 就保持这个值。也可以从 VI 前面板,甚至其他 VI 前面板拖动或复制一个控件到 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 7 页 程序框图产生一个用户定义的常数。 连线是编写 LabVIEW 程序的一项主要工作，下面详细介绍连线的知识和技 巧。 线型：LabVIEW 用连线的形状与颜色表示不同的数据类型。例如橙色代 表沸点数蓝色代表整型数等。细线代表单个数据，点线代表布尔量，粗线代 表数组等。 手工连线：连线工具是经过一个端口时，端口将闪烁，提示操 作者单击鼠标， 将连线连接到这里，并弹出一个提示条用黄色的文本框显示出端口的名称。 在端口之间移动连线工具时不必按下鼠标。连线可以直角弯折一次。需要更多 弯折时，在弯折处单击鼠标即可。 需要移动或者删除连线时，选中该连线可 用鼠标直接拖动，按 Delete 键就 可以删除。 自动布线：自动布线功能帮 助我们更合理的布置连线。可以用菜单命令 ToolsOptions 打开 Block Diagram 设置对话框，选中或不选 Enable automactic wire routing 来切换自 动布线功能的 打开与关闭。也可以在连线开始时按 A 键进行切换。对于手工连 线也可以在线上弹出快捷菜单用 Clean Up Wire 命令重新布置。 自动连线： LabVIEW 可以自动为方今程序框图的对象连线。当移动一个对象接近其他对象时， 会出现一段临时连线，当它防进程序框图后，两个对象就连接起来。LabVIEW 找 到它认为数据类型最匹配的端口进行连线。 总之，连线型图标表示程序执行过程中的数据流及其流动方向，类似于普 通程序中的变量。在 LabVIEW 开发平台创建虚拟仪器就是在前面板开发窗口与 流程图编辑窗口进行虚拟前面板及其想对应的流程图程序设计。编辑好的流程 图程序是用图形化表示的。图形化的变成思想与用源代码的传统程序编程思想 是一致的。为了完成对信号数据的采集，需要编写对 I/O 借口硬件设备的驱动 程序。为了对采集的信号数据进行运算，分析处理，需要编写运算，分析处理 程序等。 使用 LabVIEW 开发平台编辑程序的特别之处就是将传统程序所需 要的常量，数组，数据流控制命令等语句代码都用图标表示，不熟悉用源代码 进行语言编程的工程师，科学家一样可以随心所欲地编制流程图程序。我们可 以把用 LabVIEW 图形编写的流程图程序理解为就是源代码编写的传统程序，他 们的区别只是表达方式不同而已。 3 3 调制解调器调制解调器 3.13.1 调制解调器的概念及分类调制解调器的概念及分类 调制解调器（即 Modem），是计算机与电话线之间进行信号转换的装置， 由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 8 页 制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转 换成计算机能接收的数字信号。通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之 间的数据通信。 目前调制解调器主要有两种：内置式和外置式。(1)内置式调制解调器其实 就是一块计算机的扩展卡，插入计算机内的一个扩展槽即可使用，它无需占用 计算机的串行端口。它的连线相当简单，把电话线接头插入卡上的“Line”插口， 卡 上另一个接口“Phone”则与电话机相连，平时不用调制解调器时，电话机使用 一点也不受影响。(2)外置式调制解调器则是一个放在计算机外部的盒式装置， 它需占用电脑的一个串行端口，还需要连接单独的电源才能工作，外置式调制 解调器面板上有几盏状态指示灯，可方便您监视 Modem 的通讯状态，并且外置 式调制解调器安装和拆卸容易，设置和维修也很方便，还便于携带。外置式调 制解调器的连接也很方便，phone 和 line 的接法同内置式调制解调器。但是外置 式调制解调器还得用一根串行电缆把计算机的一个串行口和调制解调器串行口 连起来。3.2 调制解调器的作用调制解调器的作用 调制解调器是调制器解调制器的简称。它安装在电脑和电话系统之间， 使电脑可以通过电话线与另一台电脑进行信息交换。 电话系统的主要功能是传输声音信号。由于电话线路分布很广，为电脑之 间的连接提供了条件，也为人们连入互联网（Internet）提供了方便。电话线路 是传输声音信号的，而电脑发送的是数字信号，要使数字信号能够通过电话线 路传输，必须使用一种叫作调制解调器的设备。调制是将数字信号与音频载波 组合，产生适合于电话线上传输的音频信号（模拟信号），解调是从音频信号 中恢复出数字信号。 调制解调器从电脑接收到数字信号后，将它们转换成声音信号，然后通过 电话系统传输出去；在接收端，另一个调制解调器将这些声音信号转换成数字 信号，即进行解调，再发送给电脑。这样，通过电话线就把两台电脑连接起来 了。它是为数据通信的数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输 而设计的，一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。 3.3 调制解调器的工作原理调制解调器的工作原理 调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数 据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 9 页 平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接 收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终 端设备。电话线可以使通信的双方在相距几千公里的地方相互通话，是由于在 每隔一定距离都设有中继放大设备，保证话音清晰。在这些设备上若再配置 Modem，则能通电话的地方就可传输数据。一般电话线路的话音带宽在 3003400Hz 范围，用它传送数字信号，其信号频率也必须在该范围。常用的 调制方法有三种:频移键控(FSK)、相移键控(PSK) 、相位幅度调制(PAM)。 Modem 通常有三种工作方式:挂机方式、通话方式、联机方式。电话线未接 通 是挂机方式;双方通过电话进行通话是通话方式;Modem 已联通，进行数据传输是 联机方式。 数模转换的调制方法也有三种:（1）频移键控(FS K)。用特殊的 音频范围来区别发送数据和接收数据。如调频 ModemBell-103 型发送和接收数 据的二进制逻辑被指定的专用频率是:发送，信号逻辑 0、频率 1070Hz，信号逻 辑 1、频率 1270Hz;接收，信号逻辑 0、频率 20 25Hz，信号逻辑 1、频率 2225Hz。(2)相移键控(PSK)，高速的 Modem 常用四相制，八相制，而四相制是 用四个不同的相位表示 00、01、10、11 四个二进制数，如调相 ModemBell-212A 型。该技术可以使 3 00bps 的 Modem 传送 600bps 的信息，因此在不提高线路调 制速率仅提高信号传输速率时很有意义，但控制复杂，成本较高，八相制更复 杂。(3)相位幅度调制(PAM)，为尽量提高传输速率，不提高调制速率，采用相 位调制和幅度调制结合的方法。它可用 16 个不同的相位和幅度电平，使 1200bps 的 Modem 传送 19200bps 的数据信号。该种 Modem 一般用于高速同步通 信中。 调制解调器通电后，通常先进入挂机方式，通过电话拨号拨通线路后进入 通话方式，最后通过 Modem 的“握手“ 过程进入联机方式。正常使用时，由使用 者通过控制电话机或 Modem 前面板的按键、内部开关实现三种方式间的转换。 4 4 巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯低通滤波器 （1）幅频特性的一般表达式 巴特沃斯低通滤波器是一种用所谓最平通带特性去逼近理想低通特性的滤 波器。其幅频特性为|H()|=1/1+(/c)2n式中 ， n=1,2,3为滤波器的阶次。 （2）一阶巴特沃斯低通滤波器 传递函数为：H(s)=Kb0/(b1s+b0)=K/(s+1) 式中。=b1/b0 ,s=+j. 若令 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 10 页 =0，得到频率特性如下：H(j)= H()=k/(j+1)。幅频特征： A()= |H(j)|= k/1+(/c)2，式中 =1/ 为转折频率，与式相比它就是 n=1 时的式相频特性为： (j)= ()=-arctg=-arctg(/c)。 （3）butterwoeth filter.vi 图标的调用 butterwoeth filter.vi 图标的调用路径,执行 functionsanalyzesignal processingfilterbutterwoeth filter.vi 操作。 butterwoeth filter.vi 图标的参数设置如图 4.1 所示： 图 4.1 butterwoeth filter.vi 图标及其窗口 巴特沃斯低通滤波器的输入端口参数如下： X 欲处理数据:Sanpling feq；fs：采样频率，通常就是输入数据 X 的采样频率， 默认为 1.0，此值必须大于 0。 High cutoff freq：fh：滤波器的低截止频率，对低通和高通滤波器，这个参 数被忽略。 Low cutodd freq：fl：滤波器的低截止频率，此频率必须满足采样定律，fl 的 取值范围为： 0f1fs/2,其中，fs 为采样频率。默认值为 0.125。 order：滤波器的阶次，其值必须是大于 0 的整数。 Filter type：滤波器的类型，0 表示 lowpass（低通），1 表示 highpass（高 通），2 表示 bandpass（带通），3 表示 bandstop（带阻）。 巴特沃斯低通滤波器的输出端口如下： filtered X：滤波后的数据。 Error：错误代码值，返回值模块执行中的错误代码。 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 11 页 5 5 虚拟调制解调器虚拟调制解调器 5.15.1 调制解调原理及算法调制解调原理及算法 （a）调幅波的数字表达式及其特性 u(t)=Em*z(t)sin0t 式中，Em常量 w高频载波角频率。z(t)低频缓变信号，其上限角 频 率为 上式就是调幅波的一般数字表达式，它反映了低频缓变信号 z(t)对一高频 振荡信号 sin0t 的控制。通常一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号， 载送缓变信号的高频 0 振荡信号 sin0t 称为载波。利用信号 z(t)来控制或 改 变高频振荡的幅值称为调制过程，其原理框图如下： 图 5.1.1 调制原理框图 (b) 调幅波的解调 调幅波 u(t)的幅值反映调制信号数值的变化，在调制器之后加解调器，可将 被测的调制信号 z(t)与调幅波 u(t)分离，并最后提取出来。解调器由乘法器和低 通滤波器组成，其原理框图如图所示： 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 12 页 图 5.1.2 解调原理框图 解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调的调幅波 u(t)。 u(t)=Ez(t)*sin0t 式中，E比例常数。 乘法器的另一个输入信号 u(t)称为参考信号，它应是与载波频率 0 相同频 率的高频信号，考虑到实际情况中，载波信号 sin0t 会有一个相位差 ，则 u(t)为：u(t)= Ur*sin(0t+）于是，乘法器的输出 y(t)为： y(t)=u(t)*sin(0t+)= Ez(t）*sin0t*U*sin(0t+)令 A=EUr,并根据三角 函 数关系，上式可写为： y(t)= A z(t) sin0t*sin(0t+) =0.5A z(t)cos-cos(20t+) =0.5A z(t)cos-0.5A z(t)cos(20t+) 当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远远小于频率 20，并大于信号 z(t) 的最高频率 时，上式中的频率分量 cos(20t+)项将被低通滤波器大大衰减， 而只有差频信号项 0.5A z(t)cos 输出，于是解调器的输出为 f(t) 为： f(t)= 0.5A z(t)cos=kz(t) 式中，k=0.5A cos 为比例常量，可由实际标定得到。 5.25.2 程序设计程序设计 程序总体设计分为前面板设计和程序框图的设计，其程序流程图如下图所 示： 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 13 页 图 5.2.1 程序流程图 1、前面板设计具体步骤如下： （a）九个输入型数字控件 供使用者输入采样频率、采样点数、高频信号频率、低频信号频率、高频 信号幅值、低频信号幅值、高频信号初始相位、低频信号初始相位、低通滤波 器的低截止频率。 操作 ControlsNumericnumeric control 连续九次，得到九个输入型控件。 （b）添加四个输出显示型控件。 四个输出显示图形控件用来显示载波，调制信号，调制波和解调波形。执 行 ControlsGraphWaveform Graph 操作，调入图形控件 Graph。其横轴为时 间轴，在 0.1Hz-4.0Hz 范围内，纵轴为电压轴，生成信号幅值的范围应充满整个 显示画面。其控件图形如下图所示： 图 5.2.2 输出显示控件 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 14 页 （c）一个开关控件执行 ControlsBooleanLabeled Ruond Button 操作，调入 开关按钮控件，标记为“OFF”。 前面板总体设计如下： 图 5.2.3 前面板设计 2、程序框图设计 (1)添加两个正弦波发生器图标，执行 functionsanalyzesignal processingsignal generationsine wave.vi 操作，其图标与端口图如下图所示： 图 5.2.4 sine wave.vi 图标与端口图 函数图标左侧一列为输入端口，即该函数调用钱的参数设置端口。 Samples： 生成波形的总点数 N Amplitude：生成波形的幅值。 F： 生成信号的数字频率。 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 15 页 Phase in：生成波形的初始相位。 Reset phase ：默认生成值为 true。当为 ture 时，函数以 Phase in 的值作为初始相 位，如果该值为 false，则函数以上一次调用后的 Phase out 输出值为此次波形的 初始相位，显然，此时产生的信号波形是连续光滑的。 函数图标的右侧一列为输出端口，其各自的含义如下： Sine wave：数组名，该数组内存放所生成的波形数据。 Phase out ：当 Reset phase 为 ture 时，该参数无效。当 Reset phase 为 false 时， 该参数作为下一次生成正弦波的初始相位。 Error： 错误代码。若有错误，则输出错误代码。根据错误代码，查找 LabVIEW 帮助文件，可以找到与错误代码对应的错误含义。 (2)执行： functionsanalyzesignal processingfilterbutterwoeth filter.vi 操作，调入巴 特沃斯滤波器图标。 (3)执行 FunctionsNumeric5 次，可以分别放置 2 个除法器，1 个倒数器，2 个 乘法器。所需的数字频率 f 有除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样 频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采 样间隔，便于显示。 (3)执行 FunctionsClusterBundle,调入 Bundle 捆绑图标。 (4)执行 FunctionsBoolenaNot 操作，调入 Not 图标。 (5)在流程图中执行 FunctionsStructuresWhile Loop 操作，调入 While 循环结 构。while 结构是条件信号结构，为一种无限循环结构，执行 while 结构时，先 执行框内程序，然后判断条件端子的输入是否为真，如果为真，则进入下一次 循环，否则，跳出 while 结构，执行下面的流程，其图标如下图所示： 图 5.2.5 while 循环结构 其中为循环次数，为判断条件端子。本设计只执行一次循环。 总程序框图设计如下： 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 16 页 图 5.2.5 程序框图设计 3、运行检验 设置低频调制信号的频率为 1Hz,幅值为 1V,初始相位 0,设置载波高频信号的 频率为 10Hz,幅值为 1V,初始相位为 0,设置巴特沃斯滤波器的低截止频率为 2Hz, 设置对调制和载波信号的采样频率均为 50Hz,采样点数均为 200 点。其运行结果 图 5.2.3 所示： 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 17 页 5.2.6 运行结果图 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 第 18 页 6 6 总结与体会总结与体会 事实证明将虚拟仪器技术引入到教学实验中是行之有效的解决方案。应用虚 拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计实验与仪器，方便 灵活而且开发周期短。它可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生学习的 积极性，取得较好的教学效果，其具有传统实验所无可比拟的优