基于虛實結合的通信原理仿真平臺模式探索

史洪瑋，朱 琳，許崇彩，黃 駿

（1.宿遷學院 信息工程學院，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷學院產業技術研究院，江蘇 宿遷 223800；3.宿遷澤達職業技術學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引 言

通信原理涵蓋的知識點包括消息、信息與信號的概念、通信系統的分類與傳輸方式、通信系統的指標、調制與解調、信源編碼、差錯控制編碼、同步和信道復用等，是一門兼顧理論性與實踐性的重要專業必修課。傳統的通信原理實驗教學長期以單一的線下實驗為主，開展所需的驗證性實驗和綜合性實驗，助力學生更好地理解通信的抽象性概念；而線下實驗存在實驗設備維護成本高、利用率不足、實驗內容可擴展性差、實時性差等缺點，難以滿足新時代教學探索與改革的需求。

基于C/S 架構[1]的客戶應用程序運行在用戶計算機上，實驗環境不需要下載配置，只需要待傳輸的數據與服務器通信，也就是說當通信原理虛擬仿真實驗場景需要對數據庫中的數據進行任何操作時，客戶應用程序才尋找服務器程序，并向其發出請求，從而減輕應用服務器運行數據的負荷量[2]。本文將C/S 架構引入到通信原理虛擬仿真實驗項目設計中，提出基于虛實結合技術構建實驗環境的解決方法，提供實時在線實驗條件，學生突破地域、時間的限制，隨時、隨地進行驗證性實驗、設計性實驗，在實踐中提高自己的實踐與創新能力。

1 虛實結合仿真平臺設計

虛實結合仿真實驗平臺模擬了真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境[2]，通過實驗教學仿真實驗了解通信原理，將核心的理論性知識、內容抽象等知識結構進行優化，實現理論與實踐的相融合更能突顯出知識的重難點，更好地增加學生直觀感受，更好地理解和掌握相關的通信原理教學內容。本文項目由驗證型向設計型、綜合型轉化，再配合通信原理課程設計以及案例教學，使學生能夠及時發現問題、分析問題、解決問題，達到學生學以致用的目的，進一步提高學生的實踐創新能力。

虛實結合實驗環境采用“服務器+交換機+終端”模式，終端集成數據發生器、實驗箱、示波器等設備功能，交換機實現一個IP 端口對應多終端，客戶端軟件完成參數配置和顯示功能，所有數據生成、分析均由終端完成，不僅節約了設備、場地以及維護和管理等經費，而且數據真實有效、實時性更強。虛擬實驗環境的搭建為學生提供一個真實自然的通信原理學習環境，通過虛擬化實驗環境，滿足教師多維互動式線上教學，提高教師的教學手段及方法，滿足學生通信原理實時學習的要求，進而推動通信原理課程實驗教學，幫助學生加深理論學習的理解。

1.1 明確通信原理虛擬仿真任務安排

本次基于C/S 架構的通信原理虛擬仿真項目，其任務共設計為三大部分，分別為：項目資源設計、內容設計以及平臺設計。通信原理虛擬仿真實驗項目任務安排如圖1所示。

圖1 通信原理虛擬仿真實驗項目任務安排

通信原理虛擬仿真實驗項目[3]資源設計簡單，如課程簡介、教學大綱以及指導手冊，為學生在線實驗提供導讀性資料，幫助學生把握重難點，快速完成實驗；項目內容設計分為模擬信號虛擬仿真實驗以及數字傳輸虛擬仿真實驗，并將兩大模塊進行細分，進一步完成各項實驗；項目平臺采用C/S 架構，結合“服務器+交換機+終端”模式，其工作規則是客戶端提供與終端功能相對應的實驗環境，如對碼長、碼型、碼速等參數進行設置，終端根據參數設置產生信號、處理信號，并將結果上傳到客戶端供學生查看。

1.2 構建通信原理虛擬仿真實驗場景

在通信原理虛擬仿真實驗場景開發過程中，可以將信號源、濾波器、信號處理器、示波器以及連線等進行復現，增強仿真實驗場景的沉浸感。首先根據C/S 架構的基本原則將通信原理虛擬仿真實驗場景分解成多個子場景，由客戶端計算機進行再現；再通過客戶應用程序和數據庫服務器實現數據交互，如控制終端生成、分析數據；最后送到客戶端展現，達到真實的實驗效果。通過構建通信原理虛擬仿真實驗場景，有效解決了空間與時間的限制，學生能在遠端通過客戶端隨時、隨地完成課程實驗，加深對概念的理解[4]。

1.3 完成通信原理虛擬仿真實驗項目設計

實驗項目分為驗證性項目、綜合設計性項目以及設計性項目。學生根據實驗指導書結合虛擬環境中已有的資源完成驗證性項目，如抽樣定理實驗、信源編譯碼實驗、信道編譯碼實驗、數字調制解調實驗、基帶傳輸實驗[5]、信道模擬及特性研究實驗、同步技術實驗、模擬調制解調實驗、信道復用技術實驗等加深對理論知識的理解。綜合設計性項目在老師的要求下進行，在完成基本任務的情況下可以拓展、優化，其中自主設計的優秀作品，可以作為綜合實驗教學項目儲備，列入常規教學項目，將其教材化，加大對新生的認可度，進而激發學生的創作熱情，實現創新能力的自發性提高。

2 基于C/S 架構的通信原理虛擬仿真實驗項目應用

在通信原理的學習中，需要掌握通信的基本概念、通信系統的模型、通信系統的傳輸方式、信息及其度量、信道、模擬調制系統、數字基帶傳輸、數字帶通調制系統、信源編碼等知識，通過虛擬仿真實驗可以幫助學生對這些概念的加深理解。本文主要針對抽樣定理[6]、PCM 編碼以及碼型變換三個經典實驗，利用通信實驗模塊進行相關虛擬仿真實驗。

2.1 抽樣定理

抽樣定理為如果一個連續信號f(t)所包含有的最高頻率不超過fh，則當抽樣頻率f大于等于2fh，抽樣信號包含了原信號的全部信息客戶端抽樣實驗界面，信號源（A2 單元左側）產生模擬信號和抽樣脈沖，信號波形、頻率、幅度均可調節，抽樣脈沖頻率和占空比可調節，恢復濾波器帶寬可設置，A2單元完成抽樣，A7 單元完成信號恢復。示波器通過連線方式驗證抽樣效果如圖2所示。

圖2 信號抽樣和信號恢復

（1）如圖3所示，原始信號被設置成幅度為24、頻率為2 kHz 的正弦波，將參數傳遞到終端中，實現終端中生成真正的正弦波數據源。

圖3 原始信號設置

（2）如圖4所示，抽樣脈沖被設置成占空比為1/2，頻率為5 kHz 的抽樣脈沖，終端生成相應的數據。

圖4 抽樣脈沖信號的頻率設置

（3）如圖5所示，客戶端示波器顯示的四道波形圖從下到上分別表示為原始信號、抽樣信號、抽樣輸出信號、恢復信號，其中恢復信號與原始信號相比未見失真，再對比其他頻率的抽樣脈沖，驗證抽樣定理。

圖5 示波器監測波形

2.2 PCM 編碼

數字通信系統的典型特征就是信源和信宿都是模擬信號，因此需要把模擬信號轉換成數字信號再進行傳輸，本實驗采用脈沖編碼調制（PCM）[7]。其工作原理如圖6所示。

圖6 虛擬仿真PCM 編碼工作原理

（1）抽樣

抽樣是在時間上將模擬信號離散化，但是抽樣的幅度值還是沒有離散化，仍有無數多個可能，為模擬信號。

（2）量化

量化可采用均勻量化和非均勻量化，但是通信系統傳輸過程中，要滿足通信系統的信噪比大于26 dB。信噪比公式為：

SNB=10lg(Us/UN)2=20lg(Us/UN)

均勻量化中量化誤差最大值恒定，假設為0.5，如抽樣量化電平為1 時，代入上式得該信號的信噪比為6 dB；當抽樣量化電平為128 時，量化信噪比為48 dB。存在小信號不能滿足通信要求的問題。

非均勻量化對信號的不同部分采用不同的量化間隔進行量化[8-9]，從而改善小信號的信噪比，其信噪比改善量為：SNR2-SNR1=20lg(?y/?x)，可以有效改善其信噪比。?y/?x即為每一線段的斜率。信噪比曲線如圖7所示。

圖7 信噪比曲線

（3）編碼

在A 律13 折線中，由于正、負各有8 段，每段內有16 個量化間隔，共有2×8×16=256=28 個量化級，因此所需編碼位數N=8。8 位碼的安排如下：a7a6a5a4a3a2a1a0。a7 表示極性；a6a5a4 表示樣值的幅度所處在8 段中的哪一段落；a3a2a1a0表示每一大段中16小段所對應的量化間隔序號。編碼效果圖如圖8所示，抽樣值為1 216，表示幅度落在第8 段的第3 量化間隔，為正值，二進制編碼表示為1-111-0011。

圖8 編碼效果圖

2.3 碼型變換

碼型變換可以根據不同的信道要求選擇合適的碼型進行輸出，數字信號的碼型設計需要遵循傳輸碼型功率譜，應不含直流或低頻頻率分量、定時時鐘提取方便等原則。在這里介紹單極性不歸零碼轉變為曼徹斯特碼的實驗。

單極性不歸零碼中，占空比為1，“1”碼、“0”碼可分別用正、負電平表示。缺點是含有直流成分，而且不能直接提取同步信號。

曼徹斯特碼中，“1”、“0”碼分別對應“正負脈沖”“負正脈沖”，達到直流分量相互抵消、定時信息便于提取的目的。

本文用單極性不歸零碼表示基帶信號，其二進制碼流為“0110001100001111”，基帶時鐘信號為下降沿有效，基帶數據轉化成曼徹斯特碼。曼徹斯特碼信號如圖9所示。

圖9 曼徹斯特碼信號

如圖10所示，客戶端完成參數設置，并通過連線方式連接示波器的各通道，其碼型變換單元A3：基帶信號從2P6輸出基帶信號（見波形1）；2TP8 輸出基帶時鐘（時鐘速率可以設置為2 kHz，見波形2）；3P6 輸出對2P6 信號的碼型變換結果（見波形3）。

圖10 編碼碼型連線圖

如圖11所示，實現了單極性非歸零碼轉換曼徹斯特碼，其中波形1、波形2、波形3 從下往上顯示。

圖11 編碼碼型信號圖

3 結 語

通過仿真實驗證明，基于C/S 架構的通信原理虛實結合仿真平臺場景擬合度的高低是保證通信原理虛擬仿真實驗項目設計質量的主要衡量標準，平臺將C/S 架構與“服務器+交換機+終端”模式結合一起，可以大幅度提高虛擬仿真實驗項目場景擬合度，從根本上降低系統的通信開銷。基于C/S 架構的通信原理虛實結合仿真實驗項目使得學生能夠突破時間、空間的限制，并且采用硬件終端進行數據分析，增加學生直觀感受[10]，使學生能夠及時發現問題、分析問題、解決問題，更好地理解和掌握相關的通信原理教學內容。本文唯一不足之處在于，沒有對基于C/S 架構的通信原理虛擬仿真實驗設計項目效果進行深入分析，相信這一點，也可以作為通信原理虛擬仿真實驗項目日后的研究方向之一，進一步提高學生的創新實踐能力。