CN105426584A - 一种基于虚拟仪器的信号仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仪器的信号仿真系统及方法，包括虚拟信号发生器、虚拟信号传递器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器；虚拟信号发生器、虚拟信号传递器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器共同构成信号仿真链路，进行信号仿真处理；虚拟信号发生器，用于生成实验中的原始仿真信号；虚拟信号处理器，用于对原始仿真信号进行仿真处理；虚拟信号接收器，用于接收虚拟信号处理器的输出，并对虚拟信号接收器输出进行分析处理，并显示相应的信号轨迹；虚拟信号传递器，用于虚拟信号发生器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器之间的信号传递。本发明的有益效果是，基本达到和真实仪器一致的效果，方便学生学习微波理论。

Description

一种基于虚拟仪器的信号仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及信号仿真领域，尤其是一种基于虚拟仪器的信号仿真系统及方法。

背景技术

在现代科技发展的过程中，不断创新的计算机技术从各个侧面影响着不同领域技术的发展模式。虚拟仪器是在20世纪后期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。

虚拟仪器(Virtuallnstrument，简称V1)技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，将日益普及的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，可以方便灵活地完成对被测试量的采集、分析、判断、显示及数据存储等，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。虚拟仪器技术充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

对于实验课程教学来说，提高教学内容的先进性是帮助学生学习前沿科学知识的重要手段。验证现有理论的正确性与探索未知领域的现象和规律是实验的两大首要任务，但一直以来，由于供学生使用的实验仪器相对落后，而先进的仪器价格又过于昂贵，阻碍了学生探索和认识世界的进程。要使得学生能够接触到前沿的科学知识，就必须提供先进的实验仪器帮助学生学习和理解。如何在现有基础上提升实验仪器性能，在不增加或增加少量开支的基础上使实验仪器在精确性、灵敏度、可测范围等方面有一个大的飞跃，让先进的实验内容走进实验教学课堂是摆在从事实验课程教学的教育者面前的一个难题。虚拟仪器充分利用了最先进的计算机技术来提升和完善实验仪器的性能，具备精确性和科学性，同时使用成本又相对低廉，这为前沿科学知识走进实验教学课堂提供了基本却是非常重要的条件。

目前，微波信号相关专业的教学中，多采用LAVVIEW开发的简单的信号演示系统，或者配合功能单一，结构简单的教学实验箱，基于这样的教学条件，导致微波信号教学多偏重理论，与社会的实际需求的技能相差较大。部分高校为此采购整套微波仪器，从信号发生类仪器、信号接收类仪器、网络分析类仪器到噪声分析类仪器，用于深化学生知识，培养学生工程能力。这样一套仪器目前的市场价过百万，价格昂贵，因此为每个高校的微波信号类专业配置一套这样的仪器，也是目前做不到的。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于虚拟仪器的信号仿真系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于虚拟仪器的信号仿真系统，包括虚拟信号发生器、虚拟信号传递器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器；虚拟信号发生器、虚拟信号传递器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器共同构成信号仿真链路，进行信号仿真处理；

虚拟信号发生器，用于生成实验中的原始仿真信号；

虚拟信号处理器，用于对原始仿真信号进行仿真处理；所述仿真处理是指对原始仿真信号进行放大，滤波、功分、衰减、混频、倍频、分频、调制处理；

虚拟信号接收器，用于接收虚拟信号处理器的输出，并对虚拟信号接收器输出进行分析处理，并显示相应的信号轨迹；

虚拟信号传递器，用于虚拟信号发生器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器之间的信号传递。

优选的，所述虚拟信号发生器包括信号发生模块，通过调用信号发生模块，实现生成原始仿真信号。

虚拟信号发生器包括虚拟信号源、虚拟矢量网络分析仪、虚拟噪声仪或者虚拟晶振。

优选的，所述原始仿真信号包括连续波信号、扫频信号、调制信号、者低频信号和脉冲信号。

进一步优选的，所述虚拟信号发生器还包括仿真调制模块，该模块用于提供载波信号。

优选的，所述虚拟信号传递器包括信号传递模块，信号传递模块用于将原始仿真信号在虚拟信号发生器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器之间进行传输。

所述虚拟信号传递器为虚拟电缆。通过虚拟电缆，将虚拟信号发生器、虚拟信号传递器以及虚拟信号处理器之间通过虚拟电缆连接，信号传递模块可支持信号在上述部件之间传输。

优选的，所述虚拟信号接收器包括频谱分析模块、仿真变频模块和仿真解调模块。

其中，频谱分析模块用于对虚拟信号传递器的输出进行解析处理，生成信号轨迹并显示。

所述解析指根据信号的类型进行中频滤波、加噪、解调或者时频变换。

仿真变频模块用于将虚拟信号传递器的输出进行变频处理，得到低频信号，实现将高频段的信号切换到低频可处理频段。

仿真解调模块用于将频谱分析模块的输出进行解调处理。

基于上述基于虚拟仪器的信号仿真系统，本发明还公开了一种基于虚拟仪器的信号仿真方法，包括以下步骤：

步骤一，从虚拟仪器库中选择信号仿真用到的虚拟仪器，搭建信号处理仿真链路；

步骤二，对信号处理仿真链路中的虚拟仪器进行设置，通过虚拟信号发生器，生成原始仿真信号并将原始仿真信号发送给虚拟信号传递器；

步骤三，虚拟信号传递器对原始仿真信号进行衰减处理，得到衰减信号并将衰减信号发送给虚拟信号处理器；

步骤四，虚拟信号处理器接收衰减信号，根据需求对衰减信号进行仿真处理得到中间信号，并将中间信号发送给虚拟信号传递器；

步骤五，虚拟信号传递器对中间信号进行衰减处理，得到待显示信号并将待显示信号发送给虚拟信号接收器；

步骤六，虚拟信号接收器接收待显示信号，根据需求对待显示信号进行分析处理得到显示信号并进行显示。

优选的，所述步骤三中衰减处理指从原始仿真信号中除去虚拟信号传递器本身差损；所述步骤五中衰减处理指从中间信号中除去虚拟信号传递器本身差损。

优选的，所述步骤四中，虚拟信号处理器对中间信号进行放大、滤波、衰减、倍频、分频、混频、调制、功率分配或者检波处理。

优选的，所述步骤三中衰减处理指从原始仿真信号中除去虚拟信号传递微波部件本身差损；所述步骤五中衰减处理指从中间信号中除去虚拟信号传递微波部件本身差损。

本发明的有益效果是：

1.虚拟仪器的仿真度很高，基本达到了和真实仪器完全一致，可以让用户在电脑上轻松学习各种电子测量仪器和微波部件的使用方法，作用原理等；

2.本发明与现有技术相比，完全用软件实现了基于虚拟仪器的信号处理的全过程仿真，节约教学成本。

附图说明

图1是本发明基于虚拟仪器的信号仿真系统结构示意图，

图2是本发明基于虚拟仪器的信号处理系统的信号仿真方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种基于虚拟仪器的信号仿真系统，包括虚拟信号发生器、虚拟信号传递器一、虚拟信号传递器二、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器；虚拟信号发生器、虚拟信号传递器一、虚拟信号传递器二、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器共同构成信号仿真链路，进行信号仿真处理；

虚拟信号发生器，用于生成实验中的原始仿真信号；

虚拟信号处理器，用于对原始仿真信号进行仿真处理；所述仿真处理是指对原始仿真信号进行放大，滤波、功分、衰减、混频、倍频、分频、调制处理)；

虚拟信号接收器，用于接收虚拟信号处理器的输出，对信号进行分析处理，并显示相应的信号轨迹；

虚拟信号传递器一，用于虚拟信号发生器、虚拟信号处理器之间信号传递；

虚拟信号传递器二，用于虚拟信号处理器、虚拟信号接收器之间的信号传递。

优选的，所述虚拟信号发生器包括信号发生模块，通过调用信号发生模块实现生成原始仿真信号。信号发生模块用于提供实验中所需的各种信号资源，包括连续波信号、扫频信号、调制信号、低频信号。信号发生模块通过将模拟信号数字化，生成原始仿真信号，同时，该模块可按照真实仪器的操作要求，连续或者分时发送原始仿真信号。

信号发生模块通过将模拟信号数字化，生成原始仿真信号，同时，该模块可按照真实仪器的操作要求，连续或者分时发送原始仿真信号。

虚拟信号发生器包括虚拟信号源、虚拟矢量网络分析仪、虚拟噪声仪或者虚拟晶振。

所述虚拟信号源用于产生仿真信号，例如点频、扫频、调制信号等；所述虚拟矢量网络分析仪，一般有两个端口，每一个端口都可以做一个信号源使用；所述虚拟噪声仪用于产生噪音信号；所述虚拟矢量网络分析仪，可以显示驻波比，增益、信号频谱图等；所述虚拟功率计可以显示信号的功率；所述虚拟示波器可以显示时域信号的信号轨迹。

优选的，所述原始仿真信号包括连续波信号、扫频信号、调制信号或者低频信号。

进一步优选的，所述虚拟信号发生器还包括仿真调制模块，该模块用于提供载波信号。当信号发生模块的信号资源为调制信号时，用户调用仿真调制模块，实现载波信号对调制信号的调制，生成已调信号，并对已调信号进行虚拟采样处理获得采样信号，并将采样信号进行傅里叶变换得到频域信号，将该频域信号作为虚拟信号发生器的原始仿真信号。

优选的，所述虚拟信号传递器包括信号传递模块，信号传递模块用于将原始仿真信号在虚拟信号发生器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器之间进行传输。

所述虚拟信号传递器为虚拟电缆。通过虚拟电缆，将虚拟信号发生器、虚拟信号传递器以及虚拟信号处理器连接，信号传递模块可支持信号在上述部件之间传输。

优选的，所述虚拟信号接收器包括频谱分析模块、仿真变频模块和仿真解调模块。

其中，频谱分析模块用于对虚拟信号传递器的输出进行解析处理，生成信号轨迹并显示。

所述解析指根据待显示信号的类型进行中频滤波、加噪、解调或者时频变换。

仿真变频模块用于将虚拟信号传递器的输出进行变频处理，得到低频信号，实现将高频段的信号切换到低频可处理频段。

仿真解调模块用于将调制信号进行解调处理。

如图2所示，基于上述基于虚拟仪器的信号处理系统，本发明还公开了一种基于虚拟仪器的信号仿真方法，包括以下步骤：

步骤一，从虚拟仪器库中选择信号仿真用到的虚拟仪器，搭建信号处理仿真链路；

步骤二，对信号处理仿真链路中的虚拟仪器进行设置，通过虚拟信号发生器，生成原始仿真信号并将原始仿真信号发送给虚拟信号传递器；

步骤三，虚拟信号传递器对原始仿真信号进行衰减处理，得到衰减信号并将衰减信号发送给虚拟信号处理器；

步骤四，虚拟信号处理器接收衰减信号，根据需求对衰减信号进行仿真处理得到中间信号，并将中间信号发送给虚拟信号传递器；

步骤五，虚拟信号传递器对中间信号进行衰减处理，得到待显示信号并将待显示信号发送给虚拟信号接收器；

步骤六，虚拟信号接收器接收待显示信号，根据需求对待显示信号进行分析处理得到显示信号并进行显示。

优选的，所述步骤三中衰减处理指从原始仿真信号中除去虚拟信号传递器本身差损；所述步骤五中衰减处理指从中间信号中除去虚拟信号传递器本身差损。

优选的，所述步骤四中，虚拟信号处理器对中间信号进行放大、滤波、衰减、倍频、分频、混频、调制、功率分配或者检波处理。

优选的，所述步骤三中衰减处理指从原始仿真信号中除去虚拟信号传递微波部件本身差损；所述步骤五中衰减处理指从中间信号中除去虚拟信号传递微波部件本身差损。

实施例：以原始仿真信号为点频信号为例进行说明虚拟信号发生仪器为虚拟信号源，虚拟信号传递器为仿真电缆。

(1)从虚拟仪器库中选择信号仿真用到的虚拟仪器，搭建信号处理仿真链路；

(2)对信号处理仿真链路上的虚拟信号源进行设置，即在该虚拟信号源上设置输入参数，设置信号类型为点频，同时设置点频信号的频率和幅度，点击“射频开”按钮，即通过虚拟信号源实现点频信号的生成；并通过虚拟信号传递器将点频信号发送给仿真电缆；

(3)仿真电缆接收点频信号后，根据仿真电缆实际的插损，对点频信号进行衰减处理得到中间信号，再调用信号传递模块将中间信号发送给虚拟信号处理器。

(4)虚拟信号处理器接收中间信号，根据需求调用信号处理模块对中间信号进行放大处理并将处理后的中间信号发送给仿真电缆；

(5)仿真电缆接收中间信号，对该仿真电缆进行衰减处理得到中间信号，除去仿真电缆本身差损得到待显示信号，并将待显示信号发送给虚拟信号接收器；

(6)虚拟信号接收器接收待显示信号，调用信号处理模块中的频谱分析模块，频谱分析模块对待显示信号依次进行中频滤波、解调以及时频变换得到频域信号，并将频域信号对应的信号轨迹进行显示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于虚拟仪器的信号仿真系统，其特征是，包括虚拟信号发生器、虚拟信号传递器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器；虚拟信号发生器、虚拟信号传递器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器共同构成信号仿真链路，进行信号仿真处理；

虚拟信号发生器，用于生成实验中的原始仿真信号；

虚拟信号处理器，用于对原始仿真信号进行仿真处理；所述仿真处理是指对原始仿真信号进行放大，滤波、功分、衰减、混频、倍频、分频、调制处理；

虚拟信号接收器，用于接收虚拟信号处理器的输出，并对虚拟信号接收器输出进行分析处理，并显示相应的信号轨迹；

虚拟信号传递器，用于虚拟信号发生器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器之间的信号传递。

2.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统，其特征是，所述虚拟信号发生器包括信号发生模块，通过调用信号发生模块，实现生成原始仿真信号。

3.如权利要求2所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统，其特征是,所述原始仿真信号包括连续波信号、扫频信号、调制信号、者低频信号和脉冲信号。

4.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统，其特征是，所述虚拟信号发生器还包括仿真调制模块，该模块用于提供载波信号。

5.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统，其特征是，，所述虚拟信号传递器包括信号传递模块，信号传递模块用于将原始仿真信号在虚拟信号发生器、虚拟信号处理器以及虚拟信号接收器之间进行传输。

6.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统，其特征是，所述虚拟信号接收器包括频谱分析模块、仿真变频模块和仿真解调模块；其中，频谱分析模块用于对虚拟信号传递器的输出进行解析处理，生成信号轨迹并显示；所述解析指根据衰减信号的类型进行中频滤波、加噪、解调或者时频变换；仿真变频模块用于将虚拟信号传递器的输出进行变频处理，得到低频信号，实现将高频段的衰减信号切换到低频可处理频段；仿真解调模块用于将频谱分析模块的输出进行解调处理。

7.基于权利要求1-6任一所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，从虚拟仪器库中选择信号仿真用到的虚拟仪器，搭建信号处理仿真链路；

步骤二，对信号处理仿真链路中的虚拟仪器进行设置，通过虚拟信号发生器，生成原始仿真信号并将原始仿真信号发送给虚拟信号传递器；

步骤三，虚拟信号传递器对原始仿真信号进行衰减处理，得到衰减信号并将中间信号发送给虚拟信号处理器；

步骤四，虚拟信号处理器接收中间信号，根据需求对衰减信号进行仿真处理得到中间信号，并将中间信号发送给虚拟信号传递器；

步骤五，虚拟信号传递器对中间信号进行衰减处理，得到待显示信号并将待显示信号发送给虚拟信号接收器；

步骤六，虚拟信号接收器接收待显示信号，根据需求对待显示信号进行分析处理得到显示信号并进行显示。

8.如权利要求7所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统的方法，其特征是，所述步骤三中衰减处理指从原始仿真信号中除去虚拟信号传递器本身差损；所述步骤五中衰减处理指从待显示信号中除去虚拟信号传递器本身差损。

9.如权利要求8所述的基于虚拟仪器的信号仿真系统的方法，其特征是，所述步骤四中，虚拟信号处理器对中间信号进行放大、滤波、衰减、倍频、分频、混频、调制、功率分配或者检波处理。