基于通信原理的远程课堂教辅系统设计

李明媚，董丽元，赵 宁，陈国虎

（天津仁爱学院，天津 301600）

0 引 言

“通信原理”是电子信息类专业的核心课程之一，其前序课程涉及高等数学、模拟电子线路、信息论、信号与系统等，是“通信原理”中公式推导和系统分析的基础；其基础理论为后续专业课程，如移动通信、数据通信等做好教学衔接。同时“通信原理”是众多院校电子信息类专业的考研课程，而针对此类理论性强、抽象度高的课程，用传统的教学方式讲授，学生在理解上存在一定困难，因此，很多院校通过建设虚拟仿真实验平台让学生深入理解通信实验中对信号的处理过程[1-4]。

从我院的教学情况看，增设仿真实验练习不足以调动学生的积极性，还需从课堂入手。本着强化基础、注重理解的原则，引入动态化演示系统对理论进行验证的课堂教学方式，其既能将理论具象化，帮助学生当堂理解教学内容，又能提升学生的学习兴趣，激发学生的学习主动性。因此，我院通信原理教研组依据模拟调制系统的课堂教学思路，充分利用LabVIEW 的图形化、可视化编程特点[3-4]，开发线上、线下授课均可远程使用的教学辅助系统，实现高效的课堂教学。

1 模拟调制系统授课思路

模拟调制系统的教学内容主要由幅度调制、角度调制和频分复用构成[5]，教学思路如图1 所示。课堂教学辅助系统按照图1 实线内容设计，设计要求及解决方案见表1 所列。

2 模拟调制课堂教学辅助系统组成

模拟调制课堂教学辅助系统的设计框架如图2 所示。其由调制信号、高频载波、边带/带通/低通滤波、微/积分处理、信道噪声模块构成，通过模块的有机组合分别搭建幅度调制、角度调制和频分复用系统。

图2 系统设计架构

2.1 调制信号模块

本系统的调制信号m(t)由振幅、初始相位、频率大小均随机选取的多个余弦信号叠加得到。以图3 所示的单边带调制（SSB）系统为例，通过设定混频数、最高频率、最大幅值和最大初始相位，影响余弦信号的数目和各余弦信号三参数的取值范围，从而生成随机信号。为方便学生观察，也可生成单音信号，即单频余弦信号，作为调制信号使用。

图3 SSB 调制与解调系统界面和运行效果

2.2 高频载波模块

选取高频余弦信号作为高频载波，其频率可调，振幅和初始相位均为固定值。

2.3 边带滤波模块

SSB（VSB）信号可由DSB 信号通过上/下边带（残留边带）滤波器滤波得到，因此，在设计时要根据原理框图中选定的边带类型进行滤波器的切换。

2.4 带/低通滤波模块

系统中的BPF/LPF 均按照理想滤波器设计。根据授课需求，幅度调制和角度调制的重点是调制和相干解调原理，在该设计中，将通信环境设定为无噪、无损耗且无时延环境，BPF/LPF 参数由系统类型、调制信号和高频载波的参数决定，无需单独设置；FDM 是基于幅度或角度调制的信号多路复用系统，重点在于复用和解复用原理，选用SSB 信号作为复用信号，用参数可调的BPF 提取多路复用信号。

2.5 信道噪声模块

作为模拟调制的综合应用，FDM 的系统设计除了能验证复用和解复用原理，还要尽可能接近实际，因此设计了高斯白噪声模块以影响信号的质量。

2.6 微/积分处理模块

LabVIEW 拥有丰富的数学运算子VI[8]，因此角度调制与解调中的微、积分过程直接使用LabVIEW 提供的微/积分子VI 来实现。

3 模拟调制课堂教学辅助系统界面

模拟调制课堂教学辅助系统界面分为1 个主界面和6 个子界面。为满足师生共用的需求，将开发的教辅系统在阿里云服务器上做Web 发布，用户端仅需安装LabVIEW Run-Time 引擎即可实现远程VI 面板的访问与控制[9]，效果如图4 所示。点击主界面中的各系统按键，进入相应子界面，每个子界面都划分为参数设置区、原理框图区和信号时频显示区。以图5 所示的FDM 系统为例，参数设置区在调制信号、高频载波的参数基础上，添加了复用路数（即用户数）n和载频间隔fg的设置。原理框图区在呈现完整系统框图的同时，在每个处理环节做了编号。信号时频显示区分为2 路复用时频显示区和信号提取仿真实验区。2 路复用时频显示区设置了与原理框图对应的编号按键，实现按步处理和显示功能；信号提取仿真实验区显示了多路复用信号和解复用信号的时、频域变化情况，同时设置了可调的BPF 有效频域范围[fmin，fmax]和本地载波频率fci参数，用于观察不同参数下的信号提取和恢复情况，验证解复用原理。

图4 通过IE 浏览器访问云服务器的应用系统主界面效果图

图5 FDM 系统界面和运行效果

4 远程访问和控制实现

基于LabVIEW 开发的应用系统可通过多种方法实现网络通信[9]。LabVIEW Web Server 和DSTP 协议的DataSocket编程[10]方式均可满足系统设计要求，可借助服务器实现网络通信。考虑到用户端的使用方便程度，在阿里云服务器上通过IIS 创建站点，结合LabVIEW 的Web 发布功能，实现师生对系统的远程访问和控制。网络通信方式见表2所列。

表2 满足系统设计需求的网络通信方式

5 结 语

文中设计的模拟调制课堂教学辅助系统显示了各环节的信号时、频变化，达到了验证调制、解调、复用和解复用原理的目的；基于LabVIEW 的模块化设计能够灵活且快速地实现通信系统搭建，直观、动态且具象地显示，方便学生观察、对比和分析，而参数可调的设计利于增加学生的参与度，激发学生的学习兴趣；可远程控制的教辅系统的引入，不仅能活跃课堂气氛、提升教学质量，还能在一定程度上为学生课下的知识巩固和后续的课内实验打下基础，方便学生思考和理解实验现象；同时，鼓励教师在现有条件下创新性地开展教辅系统设计，达到教学相长的目的。

注：本文通讯作者为董丽元。