基于LabVIEW的调幅波解调器设计

第28卷第3期
基于LabVIEW 的调幅波解调器设计
丁　硕
(渤海大学信息科学与工程学院　锦州　121000)
摘　要:利用虚拟仪器在信号处理分析及显示方面的强大功能,在传感器技术实验教学中引进虚拟调幅波解调器,简单介绍了虚拟仪器的概念和调幅波解调器的工作原理,详细阐述了基于LabV IEW7.1平台的虚拟调幅波解调器的设计过程,并给出了仿真结果,检波效果良好,为改善大学电工类实验教学提出一种新的方法。

关键词:虚拟仪器;调幅波解调器;实验教学;LabV IEW 中图分类号:TP39119 文献标识码:A
Amplitude modulation w ave and demodulator
design based on LabVIEW
Ding Shuo
(College of Information Science and Engineering ,Bohai University ,Jinzhou 121000,China )
Abstract :Based on t he powerful f unction of virt ual instrument in handling ,analyzing and displaying signal ,amplit ude modulation wave and demodulator are introduced into sensor technology experiment teaching.The definition of virt ual instrumentation and t he working principle of amplit ude modulation wave demodulator are introduced.Then a detailed description is provided of t he designing process of amplit ude modulation and wave demodulator based on LabV IEW7.1.The simulative result is also provided ,which shows a favorable demodulation f unction.And t his work gives insight s into t he improvement of college electronic engineering experiment teaching.
K eyw ords :virt ual instrumentation ;amplitude modulation wave and demodulator ;experiment teaching ;LabVIEW
　作者简介:丁硕,硕士,助教,主要研究方向为电子技术。

0　引　言
虚拟仪器(virt ual instrument ,V I )是基于个人电脑的测控设备或系统,通常由计算机、测控电路模块和专门应用软件组成,通过人机交互来完成对信号的采集、分析、处理和显示,具有性能高、功能强、操作方便、自动化程度高、复用性强等优点。

虚拟仪器概念的提出是测控技术领域的一次革命[1]。

它在以计算机为核心的硬件平台上,其功能由用户定义和设计,具有虚拟面板,其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

由于虚拟仪器可借助PC 强大的计算及处理能力,可由用户定义和扩展功能,且价格低廉,深受广大用户青睐,V I 逐步改革了全世界工程师和科学家们测量和自动化控制的方法及概念,目前,国内外测试技术界和仪器制造界都在对其进行研制和开发。

LabV IEW 是美国N I 公司推出的一种基于图形化编程语言(graphics language ,G 语言)的虚拟仪器软件开发工具。

本文在LabV IEW 环境下设计了一台虚拟仪器系统,以美
国NI 公司的LabVIEW7.1作为开发平台,实现虚拟调幅波解调器的设计。

工程中被测物理量,如力、位移、温度等,经过传感器变换后,常常是一些缓变的微小电信号。

从放大处理来看,直流放大有零漂和级间耦合等问题。

为此,往往把缓变信号先变为频率适当的交流信号,然后利用交流放大器放大,最后再恢复为原缓变信号[2]。

这样的变换过程称为调制与解调,已被广泛用于传感器的调理电路中。

调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数(幅值、频率或相位),使其按被测信号的规律变化,以利于信号的放大与传输。

若控制量是高频振荡波的幅值,则称为调幅(AM );若控制量是高频振荡波的频率或相位,则称为调频(FM )或调相(PM )。

1　调制解调原理
1.1　解调原理
在AM 调制过程中,如果将载波分量抑制掉,就可以
形成抑制载波的双边带信号。

双边带信号也可以用载波和调制信号直接相乘得到[3]。

当调制信号为单频信号时,若设:
u Ω(t )=u Ωm cos Ωt ,u c (t )=u cm cos ωc t 式中:Ωνωc 。

则双边带调幅信号的数学表示式为:
u DSB (t )=ku Ωu c =ku Ωm u cm cos Ωt cos ωc t
(1)
式中:k 为乘积电路的电路常数;ku Ωm u cm cos Ωt 为双边带调幅信号的振幅,它与调制信号成正比。

一般把控制高频振荡波的缓变信号称为调制波;载送缓变信号的高频振荡波称为载波;经过调制的高频振荡波称为已调波。

解调器中的乘法器有2个输入信号:一个是待解调的调幅波,另一个是同步信号。

双边带调幅解调器结构如图1
所示。

图1　双边带调幅解调器结构
1.2　乘积型同步检波器原理
调幅信号与同步信号经过乘法器和滤波后就可以得
到原调制信号。

如果同步信号和发送端的频率及相位有一定的偏差,将会使恢复出来的调制信号产生失真。

设输入信号为DSB 信号:
u i (t )=U im cos Ωt cos ωc t
式中:u im =ku Ωm u cm t 。

同步信号为:
u r (t )=U rm cos (ωr t +φ
)这两个信号相乘,输出为:
u i u r =U im cos Ωt cos ωc tU rm cos (ωr t +φ
)=1
2
U im U rm cos Ωt{cos [(ωc +ωr )t +φ]+cos [(ωc -ωr )t +φ]}(2)
式中:k 为乘法器的相乘系数。

经低通滤波得到输出信号为
u o (t )=
1
2
U im U rm cos Ωt cos [(ωc -ωr )t +φ](3)
乘法器后接的低通滤波器的截止频率远小于和频ωc +ωr 时,上式中的高频分量cos [(ωc +ωr )t +φ]项将被低通滤波器大大衰减,而只有差额信号项cos [(ωc -ωr )t +φ]输出。

可见,解调器是由乘法器和低通滤波器组成的。

2　仪器功能
该仪器的功能是仿真生成两个幅值、相位和频率可调的正弦波,这两个仿真正弦波一个是高频信号作为载波信号,用来模拟传感器实验主机箱提供的音频振荡信号,另一个是低频信号作为调制信号,它同时也是用来模拟金属箔应变式传感器所测得的振动源的原始振动信号。

低频信号经高频载波后形成调幅波,调幅波再经巴特沃斯滤波器滤波后解调,并同时输出调幅波和解调后信号的波形。

通过波形分析,使学生掌握调制解调器的基本原理[4]。

3　虚拟调幅波解调器设计过程
3.1　选用同步解调的理由
调幅波解调的方法大致有4种非线性解调、线性解调、包络线解调和同步解调。

本文选用同步解调主要因为[5]
:(1)非线性解调其解调失真大,难以得到高质量的解调;(2)线性解调虽不产生解调失真,但输出的解调信号比较小,剩下很多调制波成分,这表明输入的调制波过而不入,只有一部分成为输出信号;(3)包络线解调平直,会产生解调失真,所以必须要减小电路的时间常数,使之具有指数函数的衰减特性,但实现起来过于繁琐;(4)所谓同步解调就是通过求解调波与载波的乘积进行解调的方法,其与调制过程仅仅存在着输入是信号还是调幅波的不同,其余完全相同,特别是本文中用来抑制载波的调幅,除该方法外再无其他解调法,所以采用该方法。

3.2　低通滤波环节
信号调理中另外一个重要的调理环节是滤波。

巴特沃思滤波器最突出特点是具备最大平坦程度的振幅响应(2阶除外),也就是具备最平直的频率响应曲线,这也是本文选用巴特沃思低通滤波器的主要原因[6]。

3.3　虚拟调幅波解调器前面板设计
仪器前面板如图2所示,前面板的设计步骤如下:(1)新建一个VI ,在前面板上放置5个Waveform Graph 波形显示器,分别显示“调制信号”、“载波信号”、“已调信号”、“已调信号与载波信号乘积”和还原出来的“相敏检波”信号;
(2)依次在前面板上放置两个参数设置模块。

调制信号参数设置以及载波信号参数设置。

用户可以通过输入控制旋钮和输入具体参数来方便设置“高频幅值”、“采样点数”、“采样频率”、“低频信号幅值”、“高频信号频率”、“低频信号频率”、“相位”、“参考信号幅值”、“参考信号频率”、“参考信号频率”、“参考信号相位”、“滤波器类型”和“滤波器低通截止频率”等参数[7];
(3)放置一个“停止”按钮开关用来结束程序的运行,并分别放置一个用于显示数据的表格和一个用于控制数据的拨杆。

第28卷第3期
图2　虚拟调制解调器前面板
3.4　虚拟调幅波解调器流程图的设计
虚拟调制解调器框图程序如图3所示,流程图的设计
步骤如下:
(1)在流程图上放置一个While 循环结构,将条件端口结束条件改为Stop If False ,与“停止”控制按钮端子相连;
(2)按照路径在“Analyze ”\“Signal Processing ”\“Sig 2nal Generation ”子选项板中选择两个“Sine Wave.vi ”函数放置于循环结构中,“Sine Wave.vi ”节点的输入端口分别与前面板的输入控制件端子相连,需要注意的是“f ”输入端口输入的是数字频率,数字频率=信号频率/采样频率;(3)采用两个“Bundle ”函数来规格化波形图的显示,
它可以将横轴的起点、横轴分度值以及输出信号值组成一个簇,在这里将X 轴的水平间距设定为采样周期(采样周期=1/f s );
(4)按照路径在“Analyze ”\“Signal Processing ”\“Fil 2ter ”子选项板中选择“Butterwort h Filter.vi ”函数放置于While 循环结构中;
(5)按照路径在“File I/O ”选项板中选择“Write Lab 2V IEW Measurement File ”模块放置于While 循环结构中;
(6)按照路径在“File I/O ”选项板中选择“Build Table ”模块放置于While 循环结构中[4]。

图3　虚拟调制解调器框图程序
4　运行和检验
双边带信号的波形仿真运行结果如图2、图4所示,同
步检波测量实验结果如表1所示。

表1　同步检波测量实验结果
参数设置同步信号与载波信号相位差φ
0°30°60°90°120°150°180°频率差Δω=ωc -ωr
0Hz (φ≠0°)100Hz (φ=0°)200Hz (φ=0°)
调制信号幅值
2222222222载波信号幅值5555555555同步信号幅值5555555555解调信号幅值
25
21.65
12.50
12.50
21.65
25
2525cos100t 25cos200t
图4　单频调制时双边带调幅信号的波形
如图3所示,双边带调幅信号的振幅可正可负,这与其振幅
表达式ku Ωm u cm cos Ωt 相符。

双边带信号的包络仍然是随调制信号变化的,即在零值的基础上变化,可正可负,所以双边带信号的包络已不能完全准确地反映低频调制信号的变化规律。

如图3所示,双边带信号已调波高频与原载波在调制信号的正半周时同相,而在调制信号的负半周时反相;双边带信号的高频相位在调制电压过零点处跳变180°。

通过前面板设置参数值如下:调制信号幅值2V 、载波信号幅值5V 、同步信号幅值5V 、乘法器相乘系数k =1,实验测得解调信号幅值如表1所示。

当同步信号与原发射端的载波信号同步时,即Δ
ω=ωc -ωr =0,φ=0时,输出信号为u o (t )=
12
U im U rm cos Ωt ,即表明同步检波器能无失真地恢复原调制信号。

当同步信号与原发射端的载波信号有一定的频率差时,
即Δ
ω≠0,φ=0时,输出信号为u o (t )=12
U im U rm cos
Δωt cos Ωt ,即表明同步检波器输出解调信号中相对于原调制信u Ω已引起振幅失真,也称之为频率失真。

当同步信号与原发射端的载波信号同频,但有一定的相
位差时,即Δ
ω=0,φ≠0时,输出信号为u o (t )=12
U im U rm cos φcos Ωt ,即表明同步检波器输出解调信号中引
入了一个振幅衰减因子cos
φ,如果φ固定不变,则同步检波器能无失真地恢复原调制信号,但幅度有衰减,称为相位失真;否则就会引起振幅失真。

5　结束语
综上所述,该实验平台已经成功地进行了调幅波解调
器的仿真测试,基于LabVIEW 的调幅波解调器的功能已经实现。

为了改善大学电工类实验的教学水平,把虚拟仪器技术引入到实验教学环节当中已成为一种必然的趋势,虚拟仪器技术使实验设备功能和实验方法水平都产生了质的飞跃,这促使我们的实验教学能跟上信息时代飞速前进的步伐,迈上智能化、网络化的新台阶。

参考文献
[1]　杨乐平,李海涛,杨磊.LabV IEW 程序设计与应用
[M ].北京:电子工业出版社,2005.
[2]　迟军.应用于机械振动测试的部分虚拟仪器技术[J ].
机械工程与自动化,2007(1):12214.
[3]　张肃文,高频电子线路[M ].北京:高等教育出版
社,2004.
[4]　侯跃谦,李慧,石玉祥.虚拟仪器在检测技术教学中的
应用[J ].长春大学学报,2006(4):29231.
[5]　郝建勋.基于网络的高频虚拟实验室的设计与开发
[D ].大庆:大庆石油学院,2006.
[6]　谢三毛.基于LabV IEW 虚拟数字滤波器的设计[J ].
华东交通大学学报,2005(1):83285.
[7]　李宁馨.基于LabV IEW 的虚拟仪器在高校电子类实
验教学中的应用[D ].北京:北京交通大学,2007.。