LabVIEW在通信工程專業基礎課程教學中的應用

汪弦

摘要：通信工程的專業基礎課程，例如《信號與系統》、《數字信號處理》和《通信原理》，在課程體系結構中起著至關重要的作用，是學習通信類后續專業課程的基礎，但存在教學內容偏重理論，傳統教學方式缺乏靈活性等特點，而LabVIEW仿真設計具有較強的自主設計性和靈活性，使得抽象的理論知識更為生動形象、簡單直觀、能增強學生對于知識點的深入理解和運用，因此在課程的教學中引入LabVIEW有助于提高教學效率和學生的學習興趣。

關鍵詞：通信工程；LabVIEW；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0185-03

一、LabVIEW簡介

虛擬儀器的核心為“軟件就是儀器”，即用軟件模擬儀器的功能，具有簡單易學的圖形化編程界面，豐富美觀的控件。同時虛擬儀器開發軟件中集成了如自動控制原理、數字信號處理、通信原理等相關專業知識模塊，有利于專業課程學習過程中教學和實驗環境的構建，在理工科的實驗教學設備方面也得到越來越多的應用。

二、通信工程專業基礎課程傳統教學方式的局限性

（一）理論教學方面

通信工程的專業基礎課程，例如《信號與系統》、《數字信號處理》和《通信原理》，都存在課程內容多、知識面廣、概念抽象、公式推導復雜、枯燥感較強、理論更新快的特點[1]。在理論教學中，教師多采用電子幻燈片和板書相結合的方式，花費大量的時間和精力去進行公式的推導、繪制計算過程中的靜態圖形.盡管如此，學生還是無法理解專業基礎課程學習的重要性，而容易產生枯燥感以及理論脫離于實際的感覺，從而失去學習的興趣。

（二）實驗教學方面

在通信類基礎課程的實驗教學中，由于學生人數較多，傳統實驗室在設備經費等方面普遍面臨著較大壓力，設備更新換代慢，無法滿足知識更新的速度；同時傳統的實驗教學采用實驗箱作為硬件平臺，只能完成限定的實驗內容且內容單一、理論和實驗匹配度不高；另外大部分實驗設備只能進行簡單的連線、顯示、分析，學生可操作的模塊少、無法進行實驗的自主設計[2]。因此目前的實驗教學具有靈活性和自主性差、硬件更新緩慢和成本高等特點。

三、在理論和實驗教學中引入LabVIEW的優勢

針對通信專業類中理論教學和實驗教學的特點，我們需要進行一些教學改革的探索，通過對教學方法和方式的改進，調動學生學習專業課程的積極主動性，提高教學質量和效果。

在課程中引入LabVIEW，教師通過軟件設計理論知識的仿真驗證過程，豐富理論教學環節，使抽象的理論知識更為生動形象、簡單直觀，加深學生對知識的理解；另一方面，讓學生參與到實驗內容的設計中去，自行設計測試用例分析、預測實驗結果，可以提高學生理論聯系實際的能力，增加學生對實驗的可控程度和范圍[3]，有益于學生設計、分析、創新等多方面能力的培養。

因此在教學過程中引入LabVIEW，有助于提高教學效率和學生的學習興趣。

四、教學方案實例與分析

以《信號與系統》中的信號采樣、《數字信號處理》中的數字濾波器設計以及《通信原理》二進制鍵控調制解調三個知識點為例進行分析，這三個知識點在理論教學中都需要依據不同的參數繪制大量的波形圖，而引入LabVIEW后可以在調節參數后實時的呈現出波形變化，有助于教學效率的提升。此外，在傳統的實驗教學中，一套硬件設備只針對特定的實驗內容，無法根據理論教學需要進行調整，引入LabVIEW后，學生可以便捷的調節任意參數，甚至可以自主的設計實驗內容，加深對理論知識的理解程度，提高學習興趣。以下為實例的詳細分析。

（一）信號采樣

信號采樣中，原信號是由一頻率為86Hz，幅值為1V，相位為0的正弦信號和一頻率為100Hz，幅值為1V，相位為0的正弦信號混合而成，對原信號進行采樣，采樣間隔為4時，采樣后信號如圖1所示，信號出現失真現象；當采樣間隔為0.5時，采樣后的信號能較好的與原信號保持相似度。采樣后信號如圖2所示。

（二）數字濾波器設計

數字濾波器設計中，包含了FIR濾波器和IIR濾波器，可以設置濾波器的拓撲結構、類型（低通、高通、帶通、帶阻）和相關參數（階數、截止頻率），以低通濾波器進行舉例驗證。

將一頻率為10Hz，幅值為10V的正弦信號和幅值為2v的均勻白噪聲信號進行疊加，設計合適的濾波器濾出白噪聲信號，仿真圖如圖3所示。IIR低通濾波器截止頻率設置為20Hz，調整階數為11階。濾波后的波形與未添加噪聲前的正弦信號波形一致，即濾波效果比較理想，正弦信號被保留，而白噪聲信號被濾除。幅頻特性較接近理想濾波器幅頻特性。

（三）二進制鍵控調制解調仿真設計

二進制鍵控調制解調仿真設計包括二進制幅移、頻移、相移以及差分相移鍵控調制解調，幅移鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK），也叫幅度調制，簡稱調幅。ASK是通過在高低電平之間變換幅度來進行的。幅度鍵控可以通過乘法器和開關電路來實現。仿真過程如圖4所示。

載波信號是通過數字1和0來控制的，當信號1產生時，載波被接通，此時信道上出現載波；如果信號為0的話，載波被斷開，信道上不出現載波。

頻移鍵控主要是頻率隨著信號的改變而改變，目前較為常用的是二進制頻移鍵控。而數字頻移鍵控主要是傳送數字的信息，通過這些信息來調節載波的頻率。二進制頻移主要是信號為“1”對應一個載頻f1，“0”對應于一個載頻f2（與f1不同的另一載頻）的已調波形。仿真過程如圖5所示。

相移鍵控又分為二進制PSK和多進制PSK。在二進制PSK調制技術中，載波相位僅有兩種取值；仿真過程如圖6所示。

二進制信息為011001101010，載波頻率為1，當二進制信息為1的時候，表示調制載波與未調制載波同向，當二進制信息為0的時候調制載波與未調制載波反向。然后經過乘法器和低通濾波器，最后進行解調，解調出原信號。

五、總結

在通信類的專業基礎課程中引入LabVIEW進行輔助教學，具備靈活性和適應性。教師能根據課程的知識結構和特點的需要，對復雜和抽象的知識點進行仿真，增加課程教學的生動性，提高學生的學習興趣。對于學生來說，更側重于實際應用能力的培養，如今大部分高校已經開設與LabVIEW相關的課程，學生可以利用LabVIEW自行設計仿真內容，加強各門課程之間的相互聯系，也可以增強學生的自主性和創新性。通過這種教學方式，學生能與教師形成良好的互動，一方面激發了學生的學習興趣，另一方面，學生在設計中遇到問題，可以從問題解決的過程中鞏固教師上課所講的知識，加深印象，在教學中取得了不錯的效果。

參考文獻：

[1]楊冠男.“通信原理”虛實結合的教學方法探索[J].電腦知識與技術，2017，（8）.

[2]王丹，張高遠，吳紅海，謝萍.“通信原理”課程多元化實驗教學方法[J].科技創新導報，2017，（10）.

[3]張小琴，譚靜.LabVIEW在信號與系統課程教學中的應用[J].江蘇第二師范學院學報（自然科學），2016，（6）.