摘 要： 結合當下流行的數據采集和虛擬儀器技術，采用G語言和LabVIEW IDE對通信系統中的解調系統進行了軟件無線電設計。對本地文件中已有的已調信號以及外部通用數據采集卡采集的調幅和調頻信號進行解調和分析，對調頻信號的解調提出了一種軟件脈沖均值標記濾波算法，該算法可以很好地實現調頻波的解調。本系統還可以對實時信號波形數據進行保存、打印和對歷史信號的回放。該系統彰顯了數據采集技術和虛擬儀器技術在無線電領域的應用優越性。
關鍵詞： 數據采集；軟件無線電；LabVIEW；脈沖均值
0 引言
隨著通信技術的飛速發展，以通用硬件和配套軟件為核心的軟件無線電技術應運而生。軟件的靈活性和可移植性大大地減小了通信系統的設計難度和開發成本，從而促使傳統的通信系統逐漸擺脫硬件的束縛，而更多地依靠軟件編程來實現硬件難以實現的功能。在軟件無線電通信接收系統中，數據的采集和處理是其關鍵技術。近些年來隨著計算機軟硬件的快速發展，虛擬儀器技術具有的精度高、通用性強、成本低廉等許多優點，使其在儀器控制和數據采集、分析、處理等領域得到了廣泛的應用。虛擬儀器將大部分傳統的處理分析部分從硬件設計當中脫離開來，它的興起可以大大縮短用戶軟件的開發周期，增加程序的可復用性和可完善性[1]。由NI公司開發的LabVIEW是虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺[2]，它與傳統文本語言的不同之處在于：傳統編程語言是用文本語言編程，而LabVIEW是用圖形化語言（G語言）編程[3]。LabVIEW程序主要由前面板、框圖程序、節點三部分構成。節點包括圖標、端口和連線，接線端口用于不同節點間數據傳遞。LabVIEW中子程序（在LabVIEW中稱為子VI）可以保存起來供其他函數調用，這使LabVIEW得以實現層次化、模塊化編程。它不僅避免了傳統開發語言的繁瑣性，還具有強大的測控功能平臺并可同時保持系統的靈活性[4]。本文結合當下流行的虛擬儀器技術，提出了一種基于LabVIEW的軟件無線電解調系統的設計，并對其實現的關鍵技術進行了深入的研究，最后給出了實現的測試系統，并對其進行了實驗驗證。
1 系統的總體方案
完整的軟件無線電解調系統由硬件和軟件兩部分構成，系統總體框圖如圖1所示。外部設備用于提供需要處理的信號，采集卡主要完成外部信號的采集，驅動通信程序主要實現采集卡的識別以及與LabVIEW之間的通信。虛擬儀器軟件平臺主要實現以下功能：（1）參數設置，參數包括采樣頻率、采樣點數、放大倍數，需要解調的已調波的類型、已調波的來源，采用的濾波器的階數、類型等；（2）解調處理完成已調波的解調，并顯示解調前后的波形；（3）對解調前后的波形進行頻譜分析；（4）對已采集到的數據和處理后的數據進行保存；（5）允許用戶通過TDMS查看器進行對歷史記錄文件的查看；（6）通過LabVIEW的報表工具包來完成相關數據的打印。
2 實現的關鍵技術
2.1 采集卡與LabVIEW通信
LabVIEW提供了大量的數據采集子程序，但是這些子程序只支持NI公司提供的數據采集卡（DAQ），此類采集卡雖然性能優良，但價格昂貴[5]。本文舍棄了NI公司的采集卡，選取小型、功能相對齊全完善、能滿足系統設計需求的USB集成普通采集卡。對于非NI公司的數據采集卡，要完成與LabVIEW的數據通信，可以通過調用動態鏈接庫程序（DLL）來實現。動態鏈接庫是在運行時鏈接可執行代碼和數據模塊，為進程提供數據、代碼和資源，任何用到采集卡的程序均可共享使用該動態鏈接庫的函數[6]。在LabVIEW中有自動批量導入共享庫的工具，在“工具”—“導入”—“共享庫dll”中，開發人員可根據具體需要選擇要導入和封裝的函數，LabVIEW自動封裝工具會自動將庫中函數的參數數據類型映射成LabVIEW的數據類型，但是在LabVIEW中是不支持指針類型的，LabVIEW自動封裝工具會將庫中出現的指針封裝成雙精度的浮點型，這是錯誤的。此時需手動更改相關設置，本文以庫中的int AD_continu（int chan，int Num_Sample，int Rate_Sample，float*databuf）函數為例，它的返回參數數據類型為單精度浮點型數組指針，它指向了存放采集到的信號數據的內存地址。在“控件類型”中可選擇其映射LabVIEW前面板的控件；“輸入輸出方式”中可配置其輸入輸出的許可性；“傳遞類型”中默認的為指針傳遞，這里需要將其改成數組傳遞，這是非常重要的一個設置，這直接關系到能否成功地從采集卡中讀到數據。庫中函數封裝好以后，可以在函數選板的用戶中查看到，如圖2所示。
2.2 軟件的設計思想
本系統主要實現采集和處理分析兩大功能。如果采取單一的順序結構，就必須等數據采集完成后才能進行處理和分析，等處理分析完成后才能進行下次采集，影響系統的實時性，降低了系統的執行效率，因此本系統采用了生產者-消費者的模式。本系統中，生產者是采集，消費者是處理和分析，在LabVIEW中通過采用隊列操作來完成這一模式。在生產者循環I中，不管通過什么渠道，每次循環采集到的數據都通過“入隊列”操作進入隊列；在消費者循環J中，從同一隊列中通過“出隊列”操作取出采集數據進行各種處理。該模型如圖3所示。
但是生產者的生產速度和消費者的消費速度是不相同的，如果在消費者模塊中發現隊列中沒有可用數據，有些VI就會報錯，如果將超時或者錯誤輸出連線至消費者循環的停止條件端子上，那么很可能消費者循環就此徹底停止“消費”。最壞的一種情況是，程序先執行消費者，后執行生產者，那么一開始消費者因為隊列沒有可用數據而徹底跳出循環，而后生產者采集到的數據一次也不會被處理和分析，甚至到最后，隊列中積壓了大量的數據而沒有被“消費銷毀”釋放內存，而造成系統內存崩潰。所以協調兩個循環間數據的共享顯得非常重要，尤其是在消費者分支當中。本文通過在消費者分支當中采用獲取“隊列狀態”來控制這一問題，如果隊列中沒有元素則不執行任何程序但不允許結束“消費”循環，當隊列不為空時才進行相應的處理。采集和處理的流程圖如圖4所示。
2.3 解調算法的實現
2.3.1 調頻波的解調算法
對于調頻信號，分為寬帶調頻（WBFM）和窄帶調頻（NBFM）兩大類，由于WBFM信號不像NBFM能分解成同相分量與正交分量之和，因此對于寬帶信號只能采用非相干解調方法，非相干解調方法不需要本地提供與發送端同頻同相的載波，這是它的優點[7]。傳統的非相干解調硬件實現過程需要通過限幅放大、微分、半波整流、單穩電路及低通濾波才可以實現，可見電路比較復雜[8]。本文提出采用脈沖均值濾波法來實現，該方法不需要經過傳統的繁瑣步驟，只需要判斷FM信號當前采樣點數據x（n）是不是滿足下面兩個條件即可快速地提取出脈沖序列，這兩個條件是：x（n）為正數和x（n-1）是負數，這里需用到上次的采樣值x（n-1）。在LabVIEW的循環中通過開啟“移位寄存器”實現記錄x（n-1），如果兩個條件均滿足則此時刻標記一個脈沖，否則不標記。其框圖程序如圖5所示。循環邊框上的三角圖標為“移位寄存器”，用來存儲上次循環的數據供下次循環使用。“移位寄存器”前后連接的輸入輸出數據將會被LabVIEW自動編譯為同址操作，即占用同一塊內存。當循環結束，輸入端數據的內存會被自動釋放并被輸出端數據占用。通過這樣的方式可顯式地告訴LabVIEW同址操作，以節省內存。
2.3.2 調幅波的解調算法
調幅信號不論是DSB還是SSB，信號都可以用相干解調的方法來解調。接收到的調幅波與本地載波相乘后，在經過低通濾波后即可得到原調制信號。調幅解調的VI如圖6所示。
3 系統的測試
整個系統的主界面如圖7所示，包括參數設置、解調處理、解調分析、保存、查看歷史、打印6個選項卡，需要解調的信號既可以來自采集卡，又可以來自系統已有的信號，既可以進行實現調頻波的解調，又可以實現調幅波的解調。從采集卡采集過來的調頻波經過解調后的波形和頻譜分析如圖8和9所示，來自本地已有的DSB信號經過解調后的波形如圖10所示。從測試的結果可以看出該系統可以很好地實現軟件無線電的功能。
4 結論
本文研究了虛擬儀器技術在軟件無線電領域的應用，采用LabVIEW圖形化語言的軟件開發平臺，開發了一套軟件無線電解調系統。該系統不僅可以對本地文件中已有的已調信號和外部采集卡采集的已調信號進行處理和分析，還可以對實時信號波形數據進行保存、打印和對歷史信號的回放。實際測試彰顯了數據采集技術和虛擬儀器技術在軟件無線電領域的應用優越性，為軟件無線電的研究奠定了一定的基礎。
參考文獻
[1] 向科峰.基于LabVIEW的數據采集系統設計與實現[J].機械管理開發，2011，8（4）：191-192.
[2] 榮鑫.基于虛擬儀器的數據采集與處理系統設計[D].太原：中北大學，2011.
[3] 劉其和，李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設計與應用[M].北京：化學工業出版社，2011.
[4] 袁媛，李紹穩，汪偉偉，等.基于LabVIEW的虛擬儀器技術研究與應用[J].農業網絡信息，2005（4）：6-9.
[5] 姚麗，劉東東.基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統設計[J].電子科技，2012，25（5）：79-80.
[6] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.
[7] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2010.
[8] 陽昌漢，謝紅，宮芳.高頻電子線路[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011.