虚拟仪器调幅新方法及其在电子实验教学中的应用

O 引 言
    调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一作为载体的信号(称为载波信号)的某个参数，如幅度、频率或相位，使作用后的复合信号(已调波)具备调制信号的特征。传统方法实现信号调制均要基于硬件电路进行，这里将以调幅为例，探讨一种基于虚拟仪器软件进行信号调幅的方法。这种方法只需向调制系统提供待调制信号，载波产生及信号调制处理过程则完全由软件来完成，无需使用电路，从而也省去了电路搭建、调整的繁琐过程，在已具备虚拟仪器系统的教学单位，可节省设备投资，方便地运用到实验、教学去。

1 虚拟仪器简介
1．1 虚拟仪器的概念
    所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合相应的输入／输出接口，具有计算机显示器的虚拟面板，信号处理功能则由软件来实现的一种计算机仪器系统其突出特点是打破了传统仪器的封闭性，把仪器的绝大部分硬件变成计算机上的文件；用户可以自行定义、自行设计、自行组建自己需要的仪器，并可将组建的多种仪器存放在计算机的仪器库中，配以数据通信卡和传感器，构成功能、性能、外观和操作方式都和传统仪器相同或超过传统仪器功能的新概念仪器系统。虚拟仪器的实质就是利用计算机强大的软件功能实现信号调理及数据的运算、分析和处理，利用相应接口设备完成信号的采集、输入／输出，从而完成各种仪器功能。决定虚拟仪器超越传统仪器的根本原因，在于“虚拟仪器的关键是软件”。
    目前最具代表性的虚拟仪器系统是美国NI公司(National Instrumets)的图形化开发平台LabVIEW(Labor。atory Virtual Instrument Engineering Work—bench)，目前的最高版本是LabVIEw8．2。
1．2 虚拟仪器技术的应用领域
    虚拟仪器不但可以完成几乎所有传统仪器的功能，而且其功能比传统仪器更为先进。如网络化仪器、一机多用、实时更换更新，在信号调理、数据分析、数据存储、数据显示等多个方面，都具有传统仪器无法相比的优越性。虚拟仪器有广泛的应用范围，其中最典型的是信号测试及信号处理领域。
    探讨虚拟仪器应用于教学的方式，可弥补有关教学、实验环节的相关不足，使虚拟仪器的强大功能在在教学领域进一步获得应用。

2 传统调幅方法及其局限性
2．1 传统模拟信号调幅方法
    传统的调幅方法完全基于硬件电路来完成，其调幅过程如图1所示。

    其中的各环节均由硬件电路完成。
2．2 传统调幅方法的局限性
    传统模拟电路调幅虽然技术已比较成熟。但由于硬件电路本身固有的特点，存在着如下局限性：
    (1)电路搭建及调试过程繁杂；
    (2)由于元件参数的准确度有限及存在较大离散性，最终电路的准确度难于保证；
    (3)电路制作一旦完成，功能便不可更改；
    (4)电路工作状态受环境因素影响较大；
    (5)难于实现多功能；
    (6)电路的随机故障难于避免。
    这些局限性在虚拟仪器出现之前就本质存在，且往往只能用改进电路的方法来在一定程度上解决问题，这是传统技术在一定发展时期内的必然现象。

3 基于虚拟仪器LabVIEW实现的软件调幅方法
3．1 基于虚拟仪器的软件调幅原理
    基于虚拟仪器实现软件调幅．无需考虑硬件电路领域的若干问题，其实现的思想是将所有的信号处理环节交由软件来处理，必要的硬件环节只需完成信号与计算机之间的输入／输出接口即可，而且接口卡是通用的。
    实现调幅的数学原理为：

   
式中：i表示已调幅信号电流(已调波)；I0为载波幅值；n调制信号角频率；0ω为载波角频率；m为调制深度(调制系数)。基于虚拟仪器实现软件件调幅，直接运用上述原理进行。
3．2 基于虚拟仪器的软件调幅实现
    根据虚拟仪器的特点，用虚拟仪器实现电路功能是直接根据信号处理的原理来实现，无需再考虑电路问题，这从根本上改变了电路功能实现的方式。
3．2．1 调幅实验
    根据式(1)，载波(COSω0t)及调制信号(cos Ω)由LabVIEw系统的函数(VI)分别产生的正(余)弦信号提供，并设置控制因子m，I0，ω0，Ω，实现式(1)调幅过程就是完成该式的计算，其输出为i，相应的LabVIEW程序(后面板)如图2所示。

    利用图2程序实验的典型结果(相应的LabVIEW前面板)之一如图3所示。

    从实验过程可以看出，调幅过程只需进行式(1)的运算即可。而且实现的程序非常简洁。下面讨论如何实现实际信号的调幅。
3．2．2 实际调幅过程的实现
    为充分发挥虚拟仪器的功能和优势，尽量减少系统对外电路的依赖，只要是虚拟仪器系统能够完成的信号处理功能，就尽量使用虚拟仪器系统来完成。信号调幅过程仍采用图2的程序，选用合适的数据采集卡作为信号的输入／输出设备，做到只须向接口输入调制信号，系统实现调幅后直接从接口卡输出已调波，载波则由虚拟仪器系统自行产生，无需外界振荡器提供。
    这里选用NI uSB一6009 DAQ采集卡实现对外信号的采集与输出，其主要特点和性能参数为：方便的拔热插USB连接方式，无需外接电源；具有嵌入式、可移动的连接器；12个数字I／O接口线32位计数器功能模块；8SE／4DI的模拟输入；可单端输入也可差分输入；最大模拟输入电压范围高达±20 V。
    NI采集卡的驱动程序在LabVIEw系统中已经具备，配置也很简单，这里所用采集卡接口为热拔插的USB方式，体积小巧，方便易用。
    对外界实际输入信号的调幅过程仍采用与图2程序相同的方法，即将输入调制信号连接至图中标注的调制信号输入端，取代原调制信号发生器(VI)即可。
    系统主体结构如图4所示。

    实验时调制信号由实验用函数信号发生器产生，合成后输入到USB一6009 DAQ采集卡的模拟输入端口，由虚拟仪器系统VI产生的400 Hz正弦信号作为载波，信号可经DAQ卡的模拟端口向外输出，其设置方法也很简单(略)，调幅的结果如图5所示。

    NI USB一6009 DAQ的采样速率达48 kS／s，分辨率为14 b，响应时间为41．67 ns，故可以满足音频及低于音频的信号采集要求。

4 在实验教学中的应用
    在实验教学中，对于仪器设备功能单一、价格又比较昂贵的实验设备，均可运用虚拟仪器系统实现。如实现信号调幅(调频等)的教学过程，教学中往往只能进行理论分析教学，因为电子技术实验室一般只具备有关单元电路原理的实验设备或电路单元模块，一些多功能仪器往往也并不顾及调制之类的功能，用虚拟仪器来实现包括调幅、调频等电子技术、电路原理相关的演示教学与实验教学，有其自身的特点和优势。
    另外，虚拟仪器系统是可以完成实际仪器系统功能的，而运用仿真技术、虚拟现实技术进行的演示教学，则只能是演示而已，并不能实现系统的实际功能。这也是虚拟仪器系统应用于教学时与仿真和虚拟现实技术的最大不同之处。

5 结 语
    尽管实现调幅等过程无需基于虚拟仪器系统实现，但从教学、实验的角度来说，其实现的方法简单，各项参数调节方便，无需电路元件；根据不同条件下的信号要求，可方便地设置、更改或更新系统，不同的教学、实验环节还可以实现一机多用。其对调制等相关教学、实验环节的教学会起到事半功倍的效果，虚拟仪器应用于教学、实验，是其在测试领域之外获得应用的一个重要补充。