通信工程专业虚拟实验平台的设计和实现

耿艳香， 陈 宇， 蒲艳红， 潘福利， 蔡姗姗， 李海丹

(天津商业大学 信息工程学院，天津 300134)

0 引 言

虚拟实验基于虚拟的实验环境之上，重点是实验操作的交互性和实验结果的真实性。利用多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上创建等同于传统实验操作环节的相关硬件和软件的操作环境，弥补了传统实验客观条件的不足。以计算机为核心，利用现代系统仿真软件设计满足用户需求的操作平台，进而构建符合实际需求的实验内容。与传统的实验相比，虚拟实验通常具有网络资源共享性、交互操作性、透明性、用户自主性、可扩展性以及安全性等特点[1-3]。通信工程专业虚拟实验平台是与通信专业现有的硬件实验开发相结合的虚拟实验平台，将硬件实验虚拟化，这样一来，不仅能够保证学生在操作过程中的安全性，还提高了实验教学的效率，在丰富实验内容的同时，也让学生能更加清晰、明确的了解实验现象[4-6]。

1 国内外研究现状

虚拟实验应用于教育领域不过30多年的历史，但发展却异常迅速，目前国外相当多的高校开发了虚拟实验教学系统，如新加坡国立大学在进行信号处理、数据分析时，根据远程示波器实验和压力实验，设计了以 Lab View 作为 Internet 工具之一的图形化用户操作平台；类似的虚拟实验平台还有西班牙大学电子系的电子仪器虚拟工作平台以及意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室等等[7-8]。在美国的各个大学，虚拟仪器系统更是已经成为理工科学生必修课之一。

在国内，很多高校也陆续开展了对虚拟现实技术应用于实践教学的探索，最早可以追溯到1996年天津大学开发的虚拟校园系统，此后比较有名的就是北京邮电大学、吉首大学和中南大学[9-10]。北京邮电大学和吉首大学关注的远程通信网络虚拟实验室，主要是基于Matlab Web Server，这种虚拟实验室以演示性实验为主，只能够完成部分给定实验，局限性较大；而中南大学则使用自己创建组件的模式，用 Java 和开源包 Jmatlink 将Java 和 Matlab联系起来，实现了以 Java Applet 为关键技术的部分简单通信原理实验[11-13]。

总的来说，虽然国内各大高校已经开始虚拟实验平台的建设，但大多数都处于起步阶段，仅仅局限于某一个课程或者某几个仿真实验的设计，不成体系[14-15]。针对这种现象，本文设计了一个涵盖通信工程专业多个学科的虚拟实验平台，既包含独立课程的单个实验，也包含跨学科的综合实验，这有利于专业理论知识的融会贯通，增强理论知识的系统性分析。

2 虚拟实验平台总体设计

2.1 设计目标

本平台的设计目标是建立一个涵盖通信工程专业众多实际工程项目类型和典型应用领域在内的多课程联合性虚拟实验平台，利用现代信息技术手段，以完整的实验教学项目为基础，实现信息技术与实验教学的深度融合，不断加强实验教学优质资源的建设与应用。实现包括《通信原理》、《多媒体通信技术》、《数字信号处理》、《信号与系统》、《无线传感网络技术》、《物联网技术及应用》在内的多个通信专业必修课，将课程理论既独立又统一的设计在同一实验平台之内，形成分立的体系架构，并延伸其应用方向，用以课前的预习、课堂演示、实物操作过程的辅助以及课下的二次开发等方面，拓展实验教学的深度和广度，打破实验教学的空间和时间的束缚，丰富实验教学的内容和手段，提升实验教学的质量和水平，保证操作环节的安全性，确保硬件实验的效率，激发学生的学习兴趣和创新意识。并且本着“虚实结合、能实不虚”的原则，辅助硬件实验教学，达到提高实践动手能力的目的，培养学生的科研能力和创新意识，满足适应社会需求的技术技能型应用人才的培养目标。

2.2 虚拟实验平台的实现

2.2.1平台的架构模型

通信工程虚拟实验平台是由图形界面构成的，利用Matlab/Simulink、Multisim等电路仿真软件搭建的软件仿真平台。实现包括电路设计、信号处理、移动通信、多协议组网技术、智能控制、程控交换在内的实验类型，每种类型实验又包括多个方面的实验设置，比如多协议组网技术类包括ZigBee组网、WiFi组网、蓝牙组网、IPV6协议组网技术等实际应用领域相结合的内容。总体架构如图1所示：

图1 虚拟实验平台的架构模型

2.2.2平台仿真实验及说明

目前设计的虚拟实验平台涵盖6门课程，近50个实验项目，现以如下4个实验为例简要介绍其基本设计思路和操作方法。平台总体包括3部分，第1部分就是系统的主界面，能够让用户快速地了解该虚拟实验平台的主要功能，并且可以在用户界面上通过简单的操作来进行程序的编写。由主界面可以进入到第2部分，就是实验指导书，它包含着课程全部的实验操作所需内容，包括实验目的、实验原理、实验报告要求、实验步骤和开始实验等5个按钮。第2部分可以各自进入到实现它具体功能的第3部分，也就是系统仿真生成界面。所以对于界面设计来说是由总到分的形式来设计的：

(1) 《数字信号处理》的实验平台界面介绍。本系统主界面包括实验项目简介、序列运算、连续信号的频谱分析、IIR数字滤波器的设计和FIR数字滤波器等几个索引模块，如图2所示。

学生可以根据实验要求进行实验：在系统主界面点击“IIR数字滤波器的设计”，进入IIR数字滤波器的设计实验指导书界面，如图3所示。

图3 实验指导书界面

界面包含着本课程全部的实验操作所需内容，其实验目的、实验原理和实验函数3个按钮，点击“开始实验”进入图像处理的实验界面。具体界面如图4所示。

图4 IIR数字滤波器的设计

IIR数字滤波器的设计包括高通、低通、带通、带阻等滤波器的设计，IIR数字滤波器的设计界面有：设计方法、滤波阶数、频率参数、幅值等参数的设置。

选择滤波器的类型，点击“方法选择”的下拉菜单可选择“巴特沃斯”、“平波”。在阶数设置编辑框可输入数值或选择默认阶数，编辑频率参数中的采样频率、起始频率、截止频率。同样编辑幅值参数中的起始幅值和截止幅值。一切设置好之后，点击“设计滤波器”按钮，可在左上图显示波形图形。

如：选中“高通”单选框，在IIR选择下拉菜单中选择巴特沃斯，设置滤波阶数、频率参数、幅值参数，一切设置好之后，点击“设计滤波器”按钮可得相应图像，如图5所示。

图5 IIR高通数字滤波器的设计

实验完成后，点击退出，退出实验界面。

(2) 《信号与系统》的实验平台界面介绍。本系统主界面包括实验项目简介、连续(离散)时间信号的实现、连续时间信号的时域基本运算、正弦余弦的基本运算、连续LTI系统的时域分析、连续系统的复频域分析等几个索引模块。如：实验“连续时间信号的时域基本运算”。在该系统界面点击“连续时间信号的时域基本运算”，进入这项实验的实验指导书界面，如图6所示。

图6 实验指导书界面

单击“开始实验”，进入实验界面，如图7所示。

图7 实验界面

信号的基本运算包括信号的相加(减)和相乘(除)。信号的时域包括信号的平移、翻转、倒相以及尺度变换。这里要介绍的信号处理之所以要强调“基本运算”，是为了与后面将要介绍的信号的卷积、相关等复杂的处理方法相区别。

界面还设置有幅值、频率、改变值的输入框，可以按照实验要求进行赋值，然后点击信号显示按钮，就可以出现实验结果，如图8所示。

图8 实验结果

实验结束后，单击退出，退出实验。

(3) 《多媒体通信》实验界面介绍。本系统主界面包括实验项目简介、2维高斯函数3D图、图像的增强和滤波、图像的傅里叶变换和边缘提取、语音的清浊音对比、语音信号的时域分析、语音信号的线性预测(LPC)分析等几个索引模块。如图9所示。

图9 多媒体通信主界面

用户可以按照实验要求进行操作。如“实验四 语音的清浊音对比”。在系统界面点击“实验4”，可进入该项实验的实验指导书界面，如图10所示。

图10 实验指导书界面

实验指导书包括实验目的、实验原理、实验报告要求和实验步骤等4个部分，用户可以根据本界面详细了解这项实验所用的知识，方便的进行下一步实验。

点击“开始实验”进入到实验界面。如图11所示。

图11 实验界面

实验主要研究清音和浊音在短时能量、短时平均幅度、平均过零率、短时自相关函数和频谱的不同。实验分为清音和浊音两个语音信号，以此来对比语音的特性，点击不同的按钮可以实现不同的波形显示。实验结果显示清音和浊音的波形差异比较明显，在相同的时间间距内，浊音的波形呈现出一定的周期性，相反，清音的波形是随机呈现的。并且，浊音波形样点之间的相似性要比清音好得多。

图12给出了清音浊音的短时自相关函数波形。

实验完成后，点击退出，退出实验界面。

图12 实验结果界面

(4) 《通信原理》的实验平台界面介绍。该系统界面包括实验科目简介、模拟线性调制实验、量化、眼图原理及仿真、2ASK(2FSK、2PSK)调制与解调等几个索引模块。如图13所示。

图13 通信原理主界面

学生根据实验要求进行操作：在界面点击“2ASK调制解调实验”，进入2ASK调制解调实验的设计的实验指导书界面，具体设计如图14所示。

图14 实验指导书界面

实验指导书界面包括实验目的、实验原理、实验函数等3个按钮，用户可以根据本界面详细了解这项实验所用的知识，方便的进行下一步实验。点击“开始实验”进入到实验界面。如图15所示。

图15 实验界面

实验完成后，退出实验界面。

在通信领域内，二进制振幅键控(2ASK)的调制方式较为简单，它类似于模拟信号中的调幅，而幅移就是以频率、相位为常量，把振幅作为变量，通过载波的幅度来传递信息比特的过程。在调制过程中，由于输入的数字信号只有两个电平(0或1)，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通。也就是当调制的数字信号为“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。

3 结 语

本文设计了基于Maltab设计的通信工程专业实验仿真系统，系统地介绍了部分实验的具体操作方法。该系统力求以工程建模为主导，以学生为中心，涵盖多门专业实验课程，丰富课堂教学手段，建立立体式的教学模式，做到虚实结合，借助多媒体技术实现线上线下的有机结合，使学生能够随时随地完成实验。同时，对于学生的自主研究和知识的扩展起到了不可预期的效果，激发了学生的思考问题、解决问题的兴趣，建立良好的科研精神。此外，有效的缓解实验室开放时间有限、实验课时不足、设备不够等诸多矛盾。