基于LabVIEW的信号的调制与解调的实现

3.1 调制与解调知识

通信系统中信号源的信息(也称为信源)通常含有直流分量和频率较低的频率分量,称为基带信号。基带信号一般不适宜直接在信道中进行传输,因此,通常需要将信号源的信息进行处理加到载波上,使其变为适合于信道传输的形式的过程,就是使载波随信号而改变的技术。这一过程被称为调制(modulation)。

调制在通信系统中有十分重要的作用。调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率,使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号,而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响,调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

解调是从携带信息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中,发送端用所传送的消息对载波进行调制,产生携带这一消息的信号,这一信号不能直接被使用,必须经解调将携带的信息从载波中提取出来,才能被接收者(也称为信宿)处理和理解,这就是解调。

I/Q调制(同相/正交),由于数字信号本身有着复数的表达形式,通过IQ调制将数据分为I/Q两路,分别进行载波调制,两路载波相互正交,可以在噪声环境下,更好地传递信号的幅度与相位信息,还可以提高频谱利用率。

BPSK(二进制相移键控)是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一,利用正弦载波来对二进制数字基带信号的调制,取码元为“1”时,调制后载波与未调载波同相;取码元为“0”时,调制后载波与未调载波反相;“1”和“0”时调制后载波相位差180°。BPSK虽然抗噪音较强但频谱效率低。

QPSK是一种数字调制方式,具有良好的抗噪特性和频带利用率。它是一种四进制相位调制,规定了四种载波相位,分别为45°,135°,225°,315°,但输入数据是二进制数字序列,则需要把二进制数据变换为四进制数据,就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组,共有四种组合,即11,01,00,10,其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特,这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。

星座图,将数字信号在复平面上直观地进行表示,根据信号幅度与相位落点在不同的地方。解调器根据星座图及接收的载波信号判断发送端发送的信息比特。

眼图,为了衡量基带传输系统的性能优劣,通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响,这就是眼图分析法。眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形,它包含了丰富的信息,从眼图上可观察码间串扰和噪声的影响,噪声越大,线条轨迹越宽、越模糊;码间串扰越大,眼图眼睛张开得越小、越不端正。

3.2 调制与解调LabVIEW实现

3.2.1 数字调制程序框图

数字调制程序框图:

数字调制框图

1)信源生成部分:将需传输的文本字符串转换为无符号字节的数组,进入for结构,将数值组转换为布尔数组,再将布尔数组转换为二进制数组,通过重排数组等操作,最后输出二进制数组、文本长度、和文本信息的一维比特序列。

2)基带调制部分:对信源信号可以选择BPSK调制或QPSK调制。

3)添加训练序列:发送端和接收端所共知的序列,用来确认同一突发脉冲其它比特的确定位置,能帮助接收端近似的估算发送信道的干扰情况。

4)成型滤波部分:为了消除码间串扰。

5)模拟信道部分:模拟在加高斯白噪声的信道中传输的情况。

6)生成眼图和星座图部分:根据输入的载波信号,生成相应的眼图和星座图。

7)生成I/Q波形部分:根据发送端发送的信号,分别生成I、Q信号的波形。

8)接收部分:即接收端部分,拥有与发送端部分相对应的模块,信道估计、信号解调、文本估计等等。

3.2.2 基带调制程序框图

BPSK调制程序框图如下:

BPSK调制程序框图

BPSK调制先将输入比特流中的数据除以2取余数,得到0和1的比特流,然后将比特流的0转换成1,1转换成-1,然后再计算平均字符能量和相位。

QPSK调制程序框图如下:

QPSK调制程序框图

QPSK调制将每2个比特组合转化成10进制再对4取余,可能的余数0,1,2,3分别对应4进制符号00,01,10,11,转成(1+1i),(1-1i),(-1+1i),(-1-1i)。

3.2.3 基带解调程序框图

BPSK解制程序框图如下:

BPSK解制程序框图

QPSK解制程序框图如下:

QPSK解制程序框图

分析图3.4和3.5,可以知道BPSK的解调是把调制生成的1和-1转换回0和1,即双极性码转换回单极性码;QPSK的解调则是把(1+1i),(1-1i),(-1+1i),(-1-1i)转换回对应的00,01,10,11,再输出数组。

3.3 结果分析

BPSK调制发送(眼图)如下:

BPSK调制发送(眼图)

BPSK调制发送(I/Q图)如下:

BPSK调制发送(I/Q图)

QPSK调制发送(星座图)如下:

QPSK调制发送(星座图)

QPSK调制发送(眼图)如下:

QPSK调制发送(眼图)

QPSK调制发送(I/Q图)如下:

QPSK调制发送(I/Q图)

结果分析

BPSK的眼图比QPSK的眼图杂乱一点,说明了QPSK消除码间串扰的能力比较强;BPSK的I/Q传输时间比QPSK的长,这是因为QPSK的I/Q分开传输,提高了传输效率,且可以看到BPSK是没有Q信号的;通过分析QPSK的星座图,可以发现落点的位置符合我们对QPSK调制的预估位置。总得来说,BPSK或QPSK调制的误码率都较低,传输的文本基本无失真。但QPSK调制解调抗干扰性能更强、误码率更低、频带利用率更高。

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LabVIEW是一种流行的图形化编程语言,可以用于数据采集、信号处理和控制系统设计。LFM(线性调频)脉冲信号是一种特殊的信号类型,其频率随时间线性变化。 解调LFM脉冲信号是指从接收到的脉冲信号中提取出原始信号的频率信息。在LabVIEW中,我们可以使用相应的信号处理技术来实现LFM脉冲信号解调。 首先,我们需要进行信号的数据采集。通过适当的硬件设备(如采样卡或传感器)将脉冲信号输入到LabVIEW中。然后,使用LabVIEW提供的函数和工具来获取和处理这些采样数据。 接下来,我们可以使用信号处理技术来解调LFM脉冲信号。一种常用的方法是通过FFT(快速傅里叶变换)将时域信号转换为频域信号。FFT可以提供信号的频谱信息,包括频率和幅度。 在LabVIEW中,我们可以使用FFT VI(虚拟仪器)来进行频谱分析。通过将采样数据输入FFT VI并设置合适的参数,我们可以获取到脉冲信号的频谱信息。 在获得频谱信息之后,我们可以提取LFM脉冲信号的频率信息。由于LFM脉冲信号频率随时间线性变化,我们可以通过查找频谱图中的最大幅度值对应的频率,来得到LFM信号随时间的频率变化。 最后,我们可以将提取的频率信息显示或保存下来,以便进一步分析或使用。 总之,LabVIEW可以用于解调LFM脉冲信号。通过采集数据、应用信号处理算法和提取频率信息,我们可以实现LFM信号解调,并进行进一步的分析和处理。
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