通信工程專業虛擬實驗平臺的設計和實現

耿艷香， 陳 宇， 蒲艷紅， 潘福利， 蔡姍姍， 李海丹

(天津商業大學 信息工程學院，天津 300134)

0 引 言

虛擬實驗基于虛擬的實驗環境之上，重點是實驗操作的交互性和實驗結果的真實性。利用多媒體、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上創建等同于傳統實驗操作環節的相關硬件和軟件的操作環境，彌補了傳統實驗客觀條件的不足。以計算機為核心，利用現代系統仿真軟件設計滿足用戶需求的操作平臺，進而構建符合實際需求的實驗內容。與傳統的實驗相比，虛擬實驗通常具有網絡資源共享性、交互操作性、透明性、用戶自主性、可擴展性以及安全性等特點[1-3]。通信工程專業虛擬實驗平臺是與通信專業現有的硬件實驗開發相結合的虛擬實驗平臺，將硬件實驗虛擬化，這樣一來，不僅能夠保證學生在操作過程中的安全性，還提高了實驗教學的效率，在豐富實驗內容的同時，也讓學生能更加清晰、明確的了解實驗現象[4-6]。

1 國內外研究現狀

虛擬實驗應用于教育領域不過30多年的歷史，但發展卻異常迅速，目前國外相當多的高校開發了虛擬實驗教學系統，如新加坡國立大學在進行信號處理、數據分析時，根據遠程示波器實驗和壓力實驗，設計了以 Lab View 作為 Internet 工具之一的圖形化用戶操作平臺；類似的虛擬實驗平臺還有西班牙大學電子系的電子儀器虛擬工作平臺以及意大利帕瓦多大學的遠程虛擬教育實驗室等等[7-8]。在美國的各個大學，虛擬儀器系統更是已經成為理工科學生必修課之一。

在國內，很多高校也陸續開展了對虛擬現實技術應用于實踐教學的探索，最早可以追溯到1996年天津大學開發的虛擬校園系統，此后比較有名的就是北京郵電大學、吉首大學和中南大學[9-10]。北京郵電大學和吉首大學關注的遠程通信網絡虛擬實驗室，主要是基于Matlab Web Server，這種虛擬實驗室以演示性實驗為主，只能夠完成部分給定實驗，局限性較大；而中南大學則使用自己創建組件的模式，用 Java 和開源包 Jmatlink 將Java 和 Matlab聯系起來，實現了以 Java Applet 為關鍵技術的部分簡單通信原理實驗[11-13]。

總的來說，雖然國內各大高校已經開始虛擬實驗平臺的建設，但大多數都處于起步階段，僅僅局限于某一個課程或者某幾個仿真實驗的設計，不成體系[14-15]。針對這種現象，本文設計了一個涵蓋通信工程專業多個學科的虛擬實驗平臺，既包含獨立課程的單個實驗，也包含跨學科的綜合實驗，這有利于專業理論知識的融會貫通，增強理論知識的系統性分析。

2 虛擬實驗平臺總體設計

2.1 設計目標

本平臺的設計目標是建立一個涵蓋通信工程專業眾多實際工程項目類型和典型應用領域在內的多課程聯合性虛擬實驗平臺，利用現代信息技術手段，以完整的實驗教學項目為基礎，實現信息技術與實驗教學的深度融合，不斷加強實驗教學優質資源的建設與應用。實現包括《通信原理》、《多媒體通信技術》、《數字信號處理》、《信號與系統》、《無線傳感網絡技術》、《物聯網技術及應用》在內的多個通信專業必修課，將課程理論既獨立又統一的設計在同一實驗平臺之內，形成分立的體系架構，并延伸其應用方向，用以課前的預習、課堂演示、實物操作過程的輔助以及課下的二次開發等方面，拓展實驗教學的深度和廣度，打破實驗教學的空間和時間的束縛，豐富實驗教學的內容和手段，提升實驗教學的質量和水平，保證操作環節的安全性，確保硬件實驗的效率，激發學生的學習興趣和創新意識。并且本著“虛實結合、能實不虛”的原則，輔助硬件實驗教學，達到提高實踐動手能力的目的，培養學生的科研能力和創新意識，滿足適應社會需求的技術技能型應用人才的培養目標。

2.2 虛擬實驗平臺的實現

2.2.1平臺的架構模型

通信工程虛擬實驗平臺是由圖形界面構成的，利用Matlab/Simulink、Multisim等電路仿真軟件搭建的軟件仿真平臺。實現包括電路設計、信號處理、移動通信、多協議組網技術、智能控制、程控交換在內的實驗類型，每種類型實驗又包括多個方面的實驗設置，比如多協議組網技術類包括ZigBee組網、WiFi組網、藍牙組網、IPV6協議組網技術等實際應用領域相結合的內容。總體架構如圖1所示：

圖1 虛擬實驗平臺的架構模型

2.2.2平臺仿真實驗及說明

目前設計的虛擬實驗平臺涵蓋6門課程，近50個實驗項目，現以如下4個實驗為例簡要介紹其基本設計思路和操作方法。平臺總體包括3部分，第1部分就是系統的主界面，能夠讓用戶快速地了解該虛擬實驗平臺的主要功能，并且可以在用戶界面上通過簡單的操作來進行程序的編寫。由主界面可以進入到第2部分，就是實驗指導書，它包含著課程全部的實驗操作所需內容，包括實驗目的、實驗原理、實驗報告要求、實驗步驟和開始實驗等5個按鈕。第2部分可以各自進入到實現它具體功能的第3部分，也就是系統仿真生成界面。所以對于界面設計來說是由總到分的形式來設計的：

(1) 《數字信號處理》的實驗平臺界面介紹。本系統主界面包括實驗項目簡介、序列運算、連續信號的頻譜分析、IIR數字濾波器的設計和FIR數字濾波器等幾個索引模塊，如圖2所示。

學生可以根據實驗要求進行實驗：在系統主界面點擊“IIR數字濾波器的設計”，進入IIR數字濾波器的設計實驗指導書界面，如圖3所示。

圖3 實驗指導書界面

界面包含著本課程全部的實驗操作所需內容，其實驗目的、實驗原理和實驗函數3個按鈕，點擊“開始實驗”進入圖像處理的實驗界面。具體界面如圖4所示。

圖4 IIR數字濾波器的設計

IIR數字濾波器的設計包括高通、低通、帶通、帶阻等濾波器的設計，IIR數字濾波器的設計界面有：設計方法、濾波階數、頻率參數、幅值等參數的設置。

選擇濾波器的類型，點擊“方法選擇”的下拉菜單可選擇“巴特沃斯”、“平波”。在階數設置編輯框可輸入數值或選擇默認階數，編輯頻率參數中的采樣頻率、起始頻率、截止頻率。同樣編輯幅值參數中的起始幅值和截止幅值。一切設置好之后，點擊“設計濾波器”按鈕，可在左上圖顯示波形圖形。

如：選中“高通”單選框，在IIR選擇下拉菜單中選擇巴特沃斯，設置濾波階數、頻率參數、幅值參數，一切設置好之后，點擊“設計濾波器”按鈕可得相應圖像，如圖5所示。

圖5 IIR高通數字濾波器的設計

實驗完成后，點擊退出，退出實驗界面。

(2) 《信號與系統》的實驗平臺界面介紹。本系統主界面包括實驗項目簡介、連續(離散)時間信號的實現、連續時間信號的時域基本運算、正弦余弦的基本運算、連續LTI系統的時域分析、連續系統的復頻域分析等幾個索引模塊。如：實驗“連續時間信號的時域基本運算”。在該系統界面點擊“連續時間信號的時域基本運算”，進入這項實驗的實驗指導書界面，如圖6所示。

圖6 實驗指導書界面

單擊“開始實驗”，進入實驗界面，如圖7所示。

圖7 實驗界面

信號的基本運算包括信號的相加(減)和相乘(除)。信號的時域包括信號的平移、翻轉、倒相以及尺度變換。這里要介紹的信號處理之所以要強調“基本運算”，是為了與后面將要介紹的信號的卷積、相關等復雜的處理方法相區別。

界面還設置有幅值、頻率、改變值的輸入框，可以按照實驗要求進行賦值，然后點擊信號顯示按鈕，就可以出現實驗結果，如圖8所示。

圖8 實驗結果

實驗結束后，單擊退出，退出實驗。

(3) 《多媒體通信》實驗界面介紹。本系統主界面包括實驗項目簡介、2維高斯函數3D圖、圖像的增強和濾波、圖像的傅里葉變換和邊緣提取、語音的清濁音對比、語音信號的時域分析、語音信號的線性預測(LPC)分析等幾個索引模塊。如圖9所示。

圖9 多媒體通信主界面

用戶可以按照實驗要求進行操作。如“實驗四 語音的清濁音對比”。在系統界面點擊“實驗4”，可進入該項實驗的實驗指導書界面，如圖10所示。

圖10 實驗指導書界面

實驗指導書包括實驗目的、實驗原理、實驗報告要求和實驗步驟等4個部分，用戶可以根據本界面詳細了解這項實驗所用的知識，方便的進行下一步實驗。

點擊“開始實驗”進入到實驗界面。如圖11所示。

圖11 實驗界面

實驗主要研究清音和濁音在短時能量、短時平均幅度、平均過零率、短時自相關函數和頻譜的不同。實驗分為清音和濁音兩個語音信號，以此來對比語音的特性，點擊不同的按鈕可以實現不同的波形顯示。實驗結果顯示清音和濁音的波形差異比較明顯，在相同的時間間距內，濁音的波形呈現出一定的周期性，相反，清音的波形是隨機呈現的。并且，濁音波形樣點之間的相似性要比清音好得多。

圖12給出了清音濁音的短時自相關函數波形。

實驗完成后，點擊退出，退出實驗界面。

圖12 實驗結果界面

(4) 《通信原理》的實驗平臺界面介紹。該系統界面包括實驗科目簡介、模擬線性調制實驗、量化、眼圖原理及仿真、2ASK(2FSK、2PSK)調制與解調等幾個索引模塊。如圖13所示。

圖13 通信原理主界面

學生根據實驗要求進行操作：在界面點擊“2ASK調制解調實驗”，進入2ASK調制解調實驗的設計的實驗指導書界面，具體設計如圖14所示。

圖14 實驗指導書界面

實驗指導書界面包括實驗目的、實驗原理、實驗函數等3個按鈕，用戶可以根據本界面詳細了解這項實驗所用的知識，方便的進行下一步實驗。點擊“開始實驗”進入到實驗界面。如圖15所示。

圖15 實驗界面

實驗完成后，退出實驗界面。

在通信領域內，二進制振幅鍵控(2ASK)的調制方式較為簡單，它類似于模擬信號中的調幅，而幅移就是以頻率、相位為常量，把振幅作為變量，通過載波的幅度來傳遞信息比特的過程。在調制過程中，由于輸入的數字信號只有兩個電平(0或1)，相乘的結果相當于將載頻或者關斷，或者接通。也就是當調制的數字信號為“1”時，傳輸載波；當調制的數字信號為“0”時，不傳輸載波。

3 結 語

本文設計了基于Maltab設計的通信工程專業實驗仿真系統，系統地介紹了部分實驗的具體操作方法。該系統力求以工程建模為主導，以學生為中心，涵蓋多門專業實驗課程，豐富課堂教學手段，建立立體式的教學模式，做到虛實結合，借助多媒體技術實現線上線下的有機結合，使學生能夠隨時隨地完成實驗。同時，對于學生的自主研究和知識的擴展起到了不可預期的效果，激發了學生的思考問題、解決問題的興趣，建立良好的科研精神。此外，有效的緩解實驗室開放時間有限、實驗課時不足、設備不夠等諸多矛盾。