虚拟仪器在“通信原理”课程教学中的应用

周子楠

（江苏联合职业技术学院江宁分院，江苏 南京 211100）

“通信原理”[1]是通信工程专业中一门重要的专业课程，特别是随着计算机技术与通信技术的紧密结合，该课程越来越显示出重要性。该课程特点是知识面广、内容多、概念抽象，许多教学内容较为抽象、难以理解，高职校学生本身与普通本科院校学生相比，文化基础较为薄弱，自主学习能力也较为欠缺，不仅很难理解教学内容，而且对理论知识该如何应用于实践也是一大难题，进而影响了“通信原理”课程的教学质量，不利于后续其他专业课程的学习。

高职教育应该更加注重对学生动手能力和实践能力的培养，如何对“通信原理”课程教学进行改进，已成为各大职业学校颇为关注的问题。为此，本文基于虚拟仪器LabView在“通信原理”课程教学中的应用进行研究，以期能为“通信原理”课程，无论是课堂教学还是实验教学水平的进一步提高做出一些贡献。

1 虚拟仪器LabView的特点

所谓虚拟仪器，实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，通俗来说，就是将仪器“装入”计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能[2]。在虚拟仪器领域，NI公司的LabView软件可谓首屈一指。LabView是一种用于虚拟仪器操作的、采用图形化G语言的软件编程环境，更加形象、直观，广泛应用于测量和控制等工业领域。图形化编程是LabView的本质，特点是基于通用计算机等标准软硬件平台，内置了许多简化编程复杂度的功能和函数，是功能强大且人机界面友好的系统，通过在计算机上用LabView搭建仿真原型，来验证设计的合理性，找到潜在的问题，已经在国内外被工程师和科学家广泛采用。

LabView程序主要包括两部分：前面板（即人机界面）和后面板（即框图程序）。前面板用于模拟真实仪器的面板操作，可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。后面板使用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码，用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。用户可以把创建的vi程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序。LabView拥有流程图程序设计语言的特点，摆脱了传统程序语言线性结构的束缚。在编写方块图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数图标，再以线条相互连接，即可实现数据的传输。

本文主要探讨采用虚拟仪器LabView设计符合教学需求的通信仿真系统方法，并将该系统应用于“通信原理”教学的演示或实验环节，生动、形象地显示抽象的概念和实例，也适合学生动手操作练习，实现做中学、学中做，从而提高教学水平和质量。当然，通信仿真系统的设计和制作可由教师完成，也可让学生在LabView平台中自行设计编写完成，提高学生的动手实践能力，增加对通信系统的深入剖析和理解。下面就以信道编码中的线性分组码仿真系统设计为例进行分析。

2 LabView仿真系统开发范例

线性分组码是指信息码元与监督码元之间的关系可用一组线性方程来表示的分组码[3]，其性质体现在两个方面：

（1）任意两个许用码组相加后仍为一个许用码组，即满足封闭性。

（2）最小码距等于所有非全零码组的最小码重。本文选取较为典型的（7，4）线性分组码作为教学实例。

2.1 （7，4）线性分组码构造原理

以（7，4）线性分组码为例，码字表示为A=［a6a5a4a3a2a1a0］，其中，前4位是信息元，后3位是监督元，设它们之间用下列线性方程组（监督方程）来描述：

若传输无错，则：

若传输有错，则校正子S1，S2，S3不全为0。在只有一位错码的条件下，若a0错，则S1S2S3=001；若a1错，则S1S2S3=010；若a2错，则S1S2S3=100；若a3错，则S1S2S3=011；…；若a6错，则S1S2S3=111。因此，收端通过计算校正子即可发现、纠正错误。

对于(n,k)码，有n－k=r个监督关系式，若要指示一位错码的n种可能位置，则要求2r－1≥n。取等号时所构成的线性分组码称为汉明码，此时，编码效率最高R＝k/n＝（2r－1－r）/（2r－1）＝1－r/n。

构成方法：（1）先列出S1S2S3与错码位置的对应关系表。（2）根据此表列出S1S2S3表达式。（3）令S1=0，S2=0，S3=0，即求得监督码元的方程，从而求得对应的编码。

2.2 （7，4）线性分组码仿真系统各子模块的设计开发

（1）（7，4）线性分组码编码.vi。实现将输入的信码与生成矩阵G相乘，得到的码字输出到信道中，实现框架如图1所示。

图1 （7，4）线性分组码编码.vi框架

（2）（7，4）线性分组码信道.vi。信道噪声等使信号经信道传输后产生错码，因此，仿真时将输入信道中信号的某一位码字取反，模仿由于噪声引起的误判误码。用LabView的公式节点[4]，与C语言的接口用C语言编写，如图2所示。

图2 （7，4）线性分组码信道.vi框架

（3）（7，4）线性分组码解码.vi。图3功能是判断信道传来的码字是否有错，如果无错显示“无错”，如果有错显示“有错”并改正。其中，对照码用C语言实现。

图3 （7，4）线性分组码解码.vi框架

2.3 （7，4）线性分组码仿真系统的完整设计开发

通过调用连接开发好的子vi，可以设计一个完整的（7，4）线性分组码系统，该系统的前面板和后面板分别如图4—5所示。

图4 （7，4）线性分组码编解码系统前面板

图5 （7，4）线性分组码编解码系统后面板

在前面板中可以输入信息码和监督矩阵，经过运行后，可以看到编码和生成矩阵，“输入产生错码的位置”空格中可设定是否有错码（0为不产生错码）及错码位置，并经过信道传输后可看到解码结果。

在后面板中清晰可读，采用模块化子程序设计，可以看到每一步的详细编程实现过程。通过连接调用被封装成编码、信道、解码等模块子程序形成完整程序，子程序模块也可加入通信软件包，供综合设计通信系统调用。

3 LabView仿真系统实验实例

3.1 仿真系统实验实例1

步骤1：在信息码处输入二进制序列0101，并输入监督矩阵。如图6—7所示。在窗口栏选择“操作→运行”，可以得出生成矩阵（见图8），编码后得到线性分组码编码0101101（见图9）

图6 输入二进制序列0101

图7 输入监督矩阵

图8 生成矩阵

图9 线性分组码编码0101101

步骤2：假设传输没有出错，输入产生错码的位置，如图10所示。

图10 输入产生错码的位置

步骤3：经过信道传输后，得到的解码后码字为0101，并显示出错位置为0，表示传输中没有出错，如图11所示。

图11 经过信道传输后得到的解码后码字

3.2 仿真系统实验实例2

步骤1：在信息码处输入二进制序列0101，输入监督矩阵，如图12—13所示。在窗口栏选择“操作→运行”，可以得出生成矩阵（见图14），编码后得到线性分组码编码0101101（见图15）

图12 在信息码处输入二进制序列0101

图13 输入监督矩阵

图14 生成矩阵

图15 线性分组码编码0101101

步骤2：假设传输中第1位产生错码，如图16所示。

图16 输入产生错码的位置

步骤3：经过信道传输后，得到的解码为1101，可观察到，第一位产生了错码，并显示出错位置为1，如图17—18所示。

图17 产生错码

图18 显示出错位置

4 实例应用

由于“通信原理”课程具备较强的理论性，如果单纯讲解理论，效果枯燥且难以接受。在“通信原理”课堂教学中，教师可以通过仿真系统直观演示，有助于原理剖析更加生动、形象，在上例中就验证了信息码、监督矩阵、生成矩阵之间的关系、校正子如何发现错码，并显示出错位置等。根据教学需求可以设计出更多的实验案例，比如，在上述实例中，可以假设产生不同位置错码，观察解码结果，引发学生思考编解码原理，激发学习兴趣。演示完后布置相关实验任务，学生实操演练，在做中进一步思考，加深内化重难点的理解、掌握和应用。

对于“通信原理”实验教学，在以往传统的“通信原理”实验中，主要是购买厂商的“通信原理”实验箱成品，开设的实验也以验证性实验为主，需要资金和场地投入较大，而学生动手操作的范围较少，实验的可设计性差，开发新实验的空间受到限制，进一步引入新技术更加困难。虚拟仪器正好解决了该问题。在LabView的仿真后面板上，教师和学生可以根据需求自行设计、搭设仿真线路，从而设计开发通信仿真系统，而在前面板上能够对实验结果进行可视化的显示，还能对实验过程中的相关参数进行实时调整，以此获得理想的实验结果。仿真程序的设计实现，将进一步、高层次地促进学生对通信系统的深度剖析和创新能力的提升。

5 结语

总之，虚拟仪器LabView与以往的仿真软件相比，直观性更强，系统的设计过程更形象，参数可操作范围更广，可以解决“通信原理”课程直观性不足的问题，加深学生对理论知识的理解，获得良好的课堂教学效果；同时，弥补硬件实验设施的不足或传统实验箱可设计性差等问题，从而提升实验教学效率，促进学生运用知识的主动性。本文提出的虚拟仪器技术LabView在高职“通信原理”课程教学中的应用，不仅让学生更好地掌握“通信原理”课程的基本概念和基本原理，更重要的是在教学过程中以“学生为主体”，激发学生学习的积极性、主动性和创造性，提升实践创新能力，使之成为高素质的创新型人才。