通信原理实验系统的设计与实现

霍晓磊，康 霞，张 弛，梁 伟

通信原理实验系统的设计与实现

霍晓磊1，康 霞2，张 弛1，梁 伟1

（1.军械工程学院 信息工程系，石家庄 050003；2.石家庄经济学院 信息工程学院，石家庄 050031）

当前的通信原理实验多为纸质版实验报告，需要学员将实验结果、信号波形进行徒手绘制，效率不高；且纸质实验报告还不便于档案的保存和管理。从提高实验课堂效率和档案记录的数字化存贮、管理角度出发，开发了通信原理实验系统。教学实践表明，该系统能满足实验报告计算机存贮、管理的功能，但有待进一步完善。

通信原理；实验系统；数字化存贮；设计

1 背景

在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的命脉。信息这种资源，只有通过传播与交流，才能产生利用价值。而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相互融合，成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推力。

在高等教育中，《通信原理》课程业已成为众多学科的专业基础必修课。为提高教学质量，加强学员实践动手能力，大部分高校的《通信原理》课程都增加了对应的实验教学环节。实验教学可以弥补纯理论教学的一些固有缺陷，使学员对通信系统、信号产生直观印象。目前多数实验室所使用的通信原理实训平台绝大部分为分离电路式设计，采用导线级联方式来模拟不同类型通信系统的工作。由于此类实训平台一般没有与计算机通信的功能，因此，授课模式一般为老师布置实验题目，学员参考实验指导书来完成实验，并以纸质实验报告作为衡量学员实验成绩的依据。

但是从较长一段时间的授课效果来看，当前这种授课模式主要存在以下三方面问题：

1）对实验过程中所应用电路的实现方法，尤其是各IC芯片的具体应用方法描述不清。实验指导书受篇幅所限，对使用芯片的描述往往不是很详细。因此，学员在实验过程中有了深入学习的思路，往往不能立刻求证，还需要课下查阅相关资料，给学员的相关拓展学习带来不便。

2）学员搭建好通信系统，生成了各种信号，但从示波器屏幕上所观察得到的实验波形还需要手工绘制在实验报告上，会浪费很多宝贵时间。这往往会妨碍学员更多地对实验进行思考和总结。

3）由于每年受训学员人数众多，采用纸质报告既浪费纸张，对这些报告的存档、管理又要占用很多人力和物力，而且对历史档案的查询和管理也极其不方便。

针对上述问题，结合《通信原理》课程标准，教学组开发出一套通信原理实验系统。该实验系统主要用于指导学员进行通信原理实验，有以下特点：（1）相关配套资料翔实、丰富，能完全取代实验指导书；（2）实现了信号采集、实验结果存储的数字化，能节省学员大部分宝贵时间；（3）对历史文档的存储、查询和管理全部计算机化，能节省大量人力和物力。

该系统软件开发环境：WindowsXP，Lab-VIEW7.1 Professional，Device Driver7.1，Report Generation Toolkit，Database Connectivity Toolkit，Tekscope Device Driver。其中，前三项为编程的基础环境；第四、五项为数据库操作和报表生成的工具包；最后一项为外接示波器的仪器驱动。硬件设备包括计算机、TLS－T301通信原理实训平台和Tek3052B示波器。

2 实验系统介绍

通信原理实验系统主要由四个子功能模块构成：学员信息登录模块、实训平台实验模块、数据库管理模块和记录查询管理模块。

2.1 学员信息登录模块

学员信息登录模块是一种权限设定，每次上课的学员名单可提前录入系统目录下的Acess数据库中，学员登录时输入的学号、姓名、队别等信息通过与提前录入的学员信息进行比对，只有相关输入都吻合时，才能进入实验系统进行相关操作。同时，学员信息及上机时间等关键要素也要录入数据库，为档案的存储和实验成绩评定、管理提供相应的操作参数。进入系统后，主界面如图1所示。

图1 实验系统主界面

2.2 实训平台实验模块

在主界面输入学员信息并点击确定后，就可进入下一个界面进行相应实验项目的选择，界面如图2所示。

图2 实验选择界面

图3 具体实验操作界面

结合课程标准要求，实验系统共开设了HDB3编译码、FSK调制解调、PSK调制解调、PCM脉冲编码调制、DM增量调制、电话系统传输等六个典型实验［1］。例如，选择（FSK）调制解调实验后，就可进入到具体实验操作界面，如图3所示。每个实验科目包括实验目的、实验原理图、实验项目、实验结论及见解等四项主要内容。其中，实验目的和原理图的内容以文本和图片为主，给实验学员提供操作参考指导。实验原理图中将本实验的电路原理图以图片形式给出，学员可参考给出的原理图，进而对实际电路进行学习和分析。在实验原理图中可以直接点击实验电路中的芯片，去调用更丰富、翔实的PDF资料，以消除学员学习过程中知识的“死角”，界面如图4所示。

图4 原理图中调用pdf资料

实验项目列出了学员需要通过实验观察的关键电信号的波形。每部实训平台的示波器都要通过网线连接到计算机网口上，并配置为虚拟仪器。当学员最终在示波器上调整好需要观察的信号后，单击波形图左边的“获取”按钮，此时示波器上所采集的信号波形、示波器设置参数等数据由网线传递回计算机存储，并显示在右侧的波形图中［2－3］。

实验结论及见解包括本实验的思考题和结论见解。思考题为一些需要学员通过进一步调节各项实验参数才能得到验证的结果，目的是为了强化学员对各实验参数物理意义的理解。实验结论见解则是学员通过本次实验课所得到的结论总结以及对本次实验课的一些建议和看法。其作用一是鼓励学员通过总结进一步深化对原理的认识，二是通过汇总学员建议看法以方便对后续实验课程的优化设置。

2.3 数据库管理模块

数据库管理模块主要用于记录学员登录信息、所做实验的名称、实验中产生的波形、思考题答案以及实验结论见解等内容。数据形式涵盖了文字、数字、图表、波形等多种形式。为了简化编程工作，系统采用了数据库工具包，该工具包将一些基础函数命令进行了二次封装，简化了上层函数调用，方便了用户的编程处理。

数据库管理模块的另外一个重要功能就是根据实验数据，汇总生成电子版实验报告。教员据此可掌握学员实验完成情况，管理和查看实验成绩，并以此为依据对课程的安排做出一定的调整，优化实验教学效果。而在实验报告生成过程中，对于文字、数字等数据的处理相对来说比较简单，技术难点是如何把实验界面中的波形也汇总生成到实验报告中。因为，这部分图形数据是学员实验的重要结论，在某种程度上直接关系到学员实验成绩的评定，必须要在实验报告中反应出来。经过反复尝试，最终利用报表工具包中的Append Front Panel Image to Report函数实现了此功能［4］。

图5 实验报告示意截图

至此，系统能够生成图文并茂的实验报告Word文档，实验报告截图如图5所示。内容基本涵盖了纸质实验报告的全部要素，实现了实验报告的数字化存贮和管理。

2.4 记录查询管理模块

系统记录查询管理模块主要是为了方便历史记录的查询和维护。教师可分别根据学号、学员姓名、实验名称来对历史记录进行查询。找到对应记录后可进行实验报告的生成、打印等相关操作。具体操作界面如图6所示。

图6 实验记录查询和管理界面

3 结束语

通信原理实验系统经过一个学期的试用，能够满足实验报告计算机存贮、管理的基本功能。但是在使用过程中也发现了不少问题，比如实验操作界面交互性还不够人性化，历史档案查询管理功能还有待进一步开发完善，以及后续网络环境下实验系统的建立等［5］，还有待后续工作的更正和完善。在此，只是想起到抛砖引玉的作用，希望更多的人来关注和参与教学实验系统的建立和完善工作，以期更好地发挥实验教学的作用。

［1］樊昌信.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］阮奇桢.我和LabVIEW：一个NI工程师的十年编程经验［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［3］Travis J，Kring J.LabVIEW大学实用教程［M］.3版.乔瑞萍，译.北京：电子工业出版社，2008.

［4］程曦.LabVIEW中复杂报表生成技术及应用［J］.实验科学与技术，2010，8（3）：41～43.

［5］刘翔.基于虚拟平台通信原理实验系统的研究［J］.湖南理工学院学报，2005，18（2）：33～35.

Design and Implementation of Communication Principle Experiment System

HUO Xiaolei，KANG Xia，ZHANG Chi，LIANGWei
（1.Deptartment of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.School of Information Engineering，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China）

The current communication principle experiments are often how to print reports，which require students freehand drawing by using the experiment and the signalwaveform.Thus，the efficiency is not high.In addition，the test report of soft copy is not easy to archive preservation and manage.Therefore，from improving the efficiency of the experimental class and the records of digital storage，management，communication principle experiment system is developed.Teaching practice proved that the system canmeet the functions of storing and managing experiment report.But，it also need to be improved.

communication principle；the experimental system；digital storage；design

G434；TN911

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.044

2013－08－22；修改日期：2013－09－17

霍晓磊（1980－），男，硕士，讲师，研究方向：通信装备性能测试、故障诊断。