虚拟仪器设计(虚拟调制解调器相关函数)

1、湖 南 科 技 大 学课 程 设 计课程设计名称： 虚拟仪器课程设计 学 生 姓 名： 王 松 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 测控（2）班 学 号： 1103030219 指导教师： 毛征宇 郭迎福 年 月 日课 程 设 计 任 务 书机电学院 测控仪器 系 系 主 任： 杨书仪 学生班级：2011测控1、2、3 班 日 期： 2014.12.12一、 设计目的：在学习和了解虚拟仪器及总线技术与LabVIEW开发平台的基本原理和方法的基础上，使学生理论与实践相结合，深入了解虚拟仪器技术及LabVIEW编程技术在工程常见领域的测量与分析的应用，提高学生将虚拟仪器、测试技术和电子、机械、通

2、讯等多学科的综合应用能力和实际动手能力。二、 学生提交设计期限：在本学期2014年12月15日至2014年12月26日完成，设计必须学生本人交指导老师评阅，指导教师将组织部分学生答辩。三、 本设计参考材料： LabVIEW2010基础教程基于LabVIEW的虚拟仪器设计虚拟仪器虚拟仪器技术分析与应用 测试技术四、 设计题目的选定：参考设计题目附后页，必须选二题（一般信号分析的虚拟仪器设计和工程测试实验教学虚拟仪器各一题）。五、 设计要求：1、 查阅相关资料；2、 提出整体系统设计方案；3、 详细设计虚拟仪器各部分的原理、组成及具体实现过程；4、 说明前面板控件布置、流程图（节点和图框）编辑和数

3、据流实现方法；5、 运行检测（仿真检测和实测检测。）六、 设计成果及处理说明书主要章节：1 设计成果（包括说明书、前面板窗口设计和程序代码编辑及其程序软件）；2 设计说明书格式及主要章节：a. 封面（参照学院规定标准）；b. 设计任务书（包括选定设计题目与要求）；c. 目录d. 说明书正文；（主要章节包括：系统总体方案分析及确定；虚拟仪器设计步骤详细介绍；程序调试运行与结果分析等）e. 设计总结及体会；f. 参考文献七、 设计所得学分及成绩评定：本设计单独算学分及成绩：占2个学分。考核与评分主要分四个方面：1 学生平时出勤及工作态度；2 虚拟仪器设计正确性及前面板布置实用、美观程度；3 说明书

4、、软件编写规范、调试分析结果及独立工作能力；4 答辩成绩。八、 设计进度与答疑：1、 确定设计题目及查阅资料，并确定方案：12.1512. 16日； 2、 虚拟仪器设计及编程 12.1712.22日；3、 运行调试检测与修改，撰写课程设计报告：12.2312.26日；4、 提交设计报告，学生答辩：12.2612.28日。学生签名： 指导老师签名： 学 号： 日 期： 日 期： 湖南科技大学本科生课程设计（论文）目 录第一章 虚拟调制解调器设计11.1 系统总体方案分析11.1.1 功能要求11.1.2 系统总体方案设计11.1.3 系统设计基本原理11.2 虚拟仪器设计步骤21.2.1 前面板

5、设计21.2.2 程序框图设计31.3 程序调试运行与结果分析4第二章 相关分析虚拟实验仪器设计52.1 系统总体方案分析52.1.1 功能要求52.1.2 系统总体方案设计52.1.3 系统设计基本原理52.2 虚拟仪器设计步骤72.2.2 程序框图设计82.3 程序调试运行与结果分析102.3.1 互相关函数虚拟仪器结果102.3.2 自相关函数虚拟仪器结果10第三章 总结与体会14参考文献15 - i -第一章 虚拟调制解调器设计1.1 系统总体方案分析1.1.1 功能要求用该调幅波解调器可观察调幅波，以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形。并分析调试结果。1.1.2 系统总体方案设计本

6、文以美国NI公司的LabVIEW为软件开发平台设计虚拟信号频谱分析仪。本设计的虚拟频谱分析仪可以实现对虚拟信号发生器所产生的信号进行频谱分析，同时也可以对通过信号调理器，基于PCI总线的DAQ卡组成的采集系统所采集到的外部信号进行频谱分析。本设计主要由信号生成、波形显示以及波形的傅里叶变换三部分组成。信号生成是主要是由LabVIEW所提供的信号发生器进行模拟，同时通过输入控件改变输入信号的频率范围、幅度、相位、直流偏移量和占空比，达到可变的目的；通过波形图显示控件进行波形的显示，同时进行波形的调试与观察；另外利用LabVIEW中所提供的强大函数支持对信号进行傅里叶变换，观察波形经过FFT变换后

7、的幅值谱，并进行分析调试，最后得出结果。1.1.3 系统设计基本原理（1）调幅波的数学表达式及其特性 （1-1）常量；高频载波频率；低频缓变信号。该是就是调幅波的一般数学表达式，它反映了低频还变信号在z（t）对高频信号0震荡信号sin（0t）的控制。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震荡信号称为载波。利用低频缓变信号来控制或改变高频震荡信号的幅值称为调制过程。（2）调幅波的解调调幅波u（t）的肤质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与调幅波分离，并最后提取出来。解调器由乘法器和低通滤波器组成。其原理图如下：乘法器低通滤波器u（t）y（t）f

8、（t）图1.1 调幅波原理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）： （1-2）式中E为比例常数。乘法器的另一个输入信号Ur（t）称为参考信号，它应是与载波频率表0相同的高频信号，考虑到实际情况，载波信号sin0t会有一个相位差，则Ur（t）： （1-3）于是，乘法器输出y（t）为： （1-4）令A=EUr ，并根据三角函数上式可写为： （1-5）当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，式中的频率分量项将被低通滤波器大大衰减，只有输出。1.2 虚拟仪器设计步骤1.2.1 前面板设计执行“控件>>新式>>数值>&

9、gt;数值输入控件”九次，得到九个输入型数字控件，把控件的标签分别改为“采样频率”、“采样点数”、“高频频率”、“低频频率”、“高频相位”、“低频相位”、“高频幅值”“低频幅值”以及“截止频率”；执行“控件>>新式>>图形>>波形图”两次，得到两个输出显示型图形控件，把控件的标签分别改为“解调波”与“调制波”，用于显示调制波和低频缓变信号的幅值谱；执行“控件>>新式>>布尔>>停止按钮”，得到一个布尔型开关控件，把控件的标签以及布尔文本都改为“关闭”；对前面板各个控件布局后加修饰，然后在所有控件的上方键入仪器名称“虚拟调制

10、解调器”，在字体对话框中将字体的大小改为47，将字体的颜色改为红色；完成后的面板如“图1.2”所示。图1.2虚拟调制解调器前面板1.2.2 程序框图设计在程序框图中执行“函数>>编程>>结构>>While循环”，调出While循环结构；在程序框图中执行“函数>>信号处理>>信号生成>>正弦波”，调出两个正弦波；在程序框图中执行“函数>>信号处理>>滤波器>>Butterworth滤波器”； 在程序框图中执行“函数>>编程>>簇、类与变体>>捆绑”两次，

11、调出两个簇捆绑函数，都上拉为三输入。按照“图1.3”连接，完成程序框图。图1.3虚拟调制解调器程序1.3 程序调试运行与结果分析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0，设置巴特沃斯滤波器的低截注，止频率为 2Hz ，设置对调制和载波信号的采样率均为 50Hz，采样点数为200 点。图1.4虚拟调制解调器结果第二章 相关分析虚拟实验仪器设计2.1 系统总体方案分析2.1.1 功能要求（1）可测试四种典型信号的自相关函数。（2）可测试两个正弦函数的互相关函数。2.1.2 系统总体方案设计本文以美国NI公司的LabVIEW为软

12、件开发平台设计相关分析虚拟实验仪器，利用自相关函数和互相关函数来进行信号分析处理，可以用于测试典型信号的互相关函数和自相关函数。本设计主要由信号生成、波形显示以及自相关与互相关分析三部分组成。信号生成主要是由LabVIEW提供的信号发生器进行模拟，这里使用的是双信道信号发生器，两个信道可分别产生正弦波、三角波、方波和锯齿波信号，并将其产生的信号传输给两个子相关分析系统，同时通过输入控件改变输入信号的频率范围、幅值、采样点数等参数，达到可变的目的；通过波形图显示控件进行波形的显示，同时进行波形的调试与观察；另外利用LabVIEW中所提供的强大函数支持对信号进行自相关与互相关分析，通过观察与调试波

13、形经过自相关与互相关分析的函数图形，分别验证分析同一信号和两个不同信号在不同时刻的相互依赖关系，最后得出结果。2.1.3 系统设计基本原理相关是指两个变量之间的线性关系。相关分析是分析两个信号之间关系或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。在实际工程领域、相关测速和利用相关原理探测管道破裂点、识别信号类别成分等得到广泛应用。相关函数可以用相关分析仪测量。相关分析仪有模拟式和数字式两种。使用LabVIEW提供的函数可以构建一台数字式的相关分析仪。两模拟信号x(t)和y（t）做数字化处理后，他们的相关函数表达式应为： （2-1）式中 N=沿时间轴的总采样数；i=沿时间轴的采样序数；r=间断时移

14、值。作为有限长采样的相关函数估计为： （2-2）用这一公式做离散相关的步骤是：（1）r=0,将所有对应采样点的x(i)和有y（i）相乘；（2）将所有的乘积相加；（3）以总采样点数做平均，得到相关函数的一个值 。（4）取=1，将所有对应采样点的和相乘，然后相加，平均，得到。依次取=1，=2，=3，···按以上步骤重复计算后得到相关函数的各个值。在X（i）和Y（i）二离散序列长度相等时，计算Rxy（0）可以用全部计算长度数据来计算，而下一步计算时因y（i）做一步时移，使可提供计算的序列长度由N变为N-1。且随时移增大，可提供计算的序列长度越来越短，所以互相关函数的估值

15、应为： （2-3）与此类似，自相关函数的估值为： （2-4）求互相关的VI算法为： （2-5）求自相关的VI算法为： （2-6）式（2-5）和式（2-6）的算法仅适用于确定性信号中的瞬态信号，所以在一般情况下需要加以修正。这里提供的程序（Modi Correlation）用于完成这一修正。此VI对labvIEW求出的相关函数进行修正，将每个相关值除以（N-r）。N式labvIEW求出的相关函数输出数组的长度，r是时移的位置。参数Rxx in式labvIEW求出的相关函数值，Rxx out是修正后的相关函数值，samples是取样数，d是输出相关函数首尾截去的百分比（把移位造成的重叠太少而没有意

16、义的部分截掉）。n是截短后的取样数。图2.1 Modi Correlation VI程序2.2 虚拟仪器设计步骤2.2.1 前面板设计（1）互相关函数虚拟仪器设计执行“控件>>新式>>数值>>水平填充滑动杆”两次得到两个输入型图形控件，把控件的标签改为“频率”，用于控制两个输入波形的频率。并添加其数值显示方式；执行“控件>>新式>>数值>>旋钮”，得到一个输入型图形控件，把控件的标签改为“时标”；执行“控件>>新式>>数值>>数值输入控件”两次，得到两个输入型数字控件，把控件的标签都改为

17、“相位”；执行“控件>>新式>>布尔>>停止按钮”，得到一个布尔型开关控件，把控件的标签以及布尔文本都改为“关闭”，并隐藏标签；执行“控件>>新式>>图形>>波形图”两次，得到两个输出显示型图形控件，把控件的标签分别改为“时域波形”与“互相关函数”，并隐藏；对前面板各个控件布局后加修饰，然后在所有控件的上方键入仪器名称“互相关函数虚拟实验仪”，在字体对话框中将字体的大小改为53，将字体的颜色改为红色；完成后的面板如“图2.2”所示。图2.2 互相关函数虚拟试验仪（2）自相关函数虚拟仪器设计执行“控件>>新式&g

18、t;>数值>>旋钮”，得到一个输入型图形控件，把控件的标签改为“时标”；执行“控件>>新式>>布尔>>停止按钮”，得到一个布尔型开关控件，把控件的标签以及布尔文本都改为“关闭”，并隐藏标签；执行“控件>>新式>>数值>>数值输入控件”五次，得到五个输入型数字控件，把控件的标签分别改为“高阶截止频率”、“低阶截止频率”、“噪声频率”、“信号频率”及“信号幅值”；执行“控件>>新式>>布尔>>停止按钮”，得到一个布尔型开关控件，把控件的标签以及布尔文本都改为“关闭”，并隐藏

19、标签；执行“控件>>新式>>图形>>波形图”两次，得到两个输出显示型图形控件，把控件的标签分别改为“时域波形”与“自相关函数”，并隐藏；对前面板各个控件布局后加修饰，然后在所有控件的上方键入仪器名称“自相关函数虚拟实验仪”，在字体对话框中将字体的大小改为39，将字体的颜色改为红色；完成后的面板如“图2.3”所示。图2.3 自相关函数虚拟试验仪前面版2.2.2 程序框图设计（1）互相关函数虚拟仪器设计在程序框图中执行“函数>>编程>>结构>>While循环”，调出While循环结构；在程序框图中执行“函数>>信号

20、处理>>信号生成>>正弦波”，调出两个正弦波；在程序框图中执行“函数>>数组>>创建数组”，调出一个创建数组函数，拉为两输入；在程序框图中执行“函数>>信号处理>>信号运算>>互相关”； 在程序框图中执行“函数>>编程>>簇、类与变体>>捆绑”两次，调出两个簇捆绑函数，都上拉为三输入。在程序框图中执行“函数>>选择VI”调出“Modi Correlation VI”，按照“图2.4”连接，完成程序框图。图2.4 互相关函数虚拟仪器程序（2）自相关函数虚拟仪器设计在

21、程序框图中执行“函数>>编程>>结构>>While循环”，调出While循环结构；在程序框图中执行“函数>>编程>>结构>>条件结构”，调出条件结构；在程序框图中执行“函数>>信号处理>>信号生成>>正弦波”，调出一个正弦波；在程序框图中执行“函数>>信号处理>>信号生成>>均匀白噪声”，调出一个白噪声波；在程序框图中执行“函数>>信号处理>>信号运算>>自相关”； 在程序框图中执行“函数>>定时>>等待下一个整数毫秒”，调出延时； 在程序框图中执行“函数>>编程>>簇、类与变体>>捆绑”两次，调出两个簇捆绑函数，都上拉为三输入。在程序框图中执行“函数>>选择VI”调出“Modi Correlation VI”，按照“图2.5”连接，完成程序框图。图2.5自相关函数虚拟仪器程序2.3 程序调试运行与结果分析2.3.1 互相关函数虚拟仪器结果把一通道和而二通道的频率分别设置为100Hz和102.5Hz，一、二通道的相位都改为0度，把时标调至25附近，运行结果如下：图2.6互相关函数虚拟仪器结果2.3.2 自相关函数虚拟