通信原理實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

霍曉磊，康 霞，張 弛，梁 偉

通信原理實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

霍曉磊1，康 霞2，張 弛1，梁 偉1

（1.軍械工程學院 信息工程系，石家莊 050003；2.石家莊經(jīng)濟學院 信息工程學院，石家莊 050031）

當前的通信原理實驗多為紙質(zhì)版實驗報告，需要學員將實驗結果、信號波形進行徒手繪制，效率不高；且紙質(zhì)實驗報告還不便于檔案的保存和管理。從提高實驗課堂效率和檔案記錄的數(shù)字化存貯、管理角度出發(fā)，開發(fā)了通信原理實驗系統(tǒng)。教學實踐表明，該系統(tǒng)能滿足實驗報告計算機存貯、管理的功能，但有待進一步完善。

通信原理；實驗系統(tǒng)；數(shù)字化存貯；設計

1 背景

在當今高度信息化的社會，信息和通信已成為現(xiàn)代社會的命脈。信息這種資源，只有通過傳播與交流，才能產(chǎn)生利用價值。而通信作為傳輸信息的手段或方式，與傳感技術、計算機技術相互融合，成為21世紀國際社會和世界經(jīng)濟發(fā)展的強大推力。

在高等教育中，《通信原理》課程業(yè)已成為眾多學科的專業(yè)基礎必修課。為提高教學質(zhì)量，加強學員實踐動手能力，大部分高校的《通信原理》課程都增加了對應的實驗教學環(huán)節(jié)。實驗教學可以彌補純理論教學的一些固有缺陷，使學員對通信系統(tǒng)、信號產(chǎn)生直觀印象。目前多數(shù)實驗室所使用的通信原理實訓平臺絕大部分為分離電路式設計，采用導線級聯(lián)方式來模擬不同類型通信系統(tǒng)的工作。由于此類實訓平臺一般沒有與計算機通信的功能，因此，授課模式一般為老師布置實驗題目，學員參考實驗指導書來完成實驗，并以紙質(zhì)實驗報告作為衡量學員實驗成績的依據(jù)。

但是從較長一段時間的授課效果來看，當前這種授課模式主要存在以下三方面問題：

1）對實驗過程中所應用電路的實現(xiàn)方法，尤其是各IC芯片的具體應用方法描述不清。實驗指導書受篇幅所限，對使用芯片的描述往往不是很詳細。因此，學員在實驗過程中有了深入學習的思路，往往不能立刻求證，還需要課下查閱相關資料，給學員的相關拓展學習帶來不便。

2）學員搭建好通信系統(tǒng)，生成了各種信號，但從示波器屏幕上所觀察得到的實驗波形還需要手工繪制在實驗報告上，會浪費很多寶貴時間。這往往會妨礙學員更多地對實驗進行思考和總結。

3）由于每年受訓學員人數(shù)眾多，采用紙質(zhì)報告既浪費紙張，對這些報告的存檔、管理又要占用很多人力和物力，而且對歷史檔案的查詢和管理也極其不方便。

針對上述問題，結合《通信原理》課程標準，教學組開發(fā)出一套通信原理實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)主要用于指導學員進行通信原理實驗，有以下特點：（1）相關配套資料翔實、豐富，能完全取代實驗指導書；（2）實現(xiàn)了信號采集、實驗結果存儲的數(shù)字化，能節(jié)省學員大部分寶貴時間；（3）對歷史文檔的存儲、查詢和管理全部計算機化，能節(jié)省大量人力和物力。

該系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境：WindowsXP，Lab-VIEW7.1 Professional，Device Driver7.1，Report Generation Toolkit，Database Connectivity Toolkit，Tekscope Device Driver。其中，前三項為編程的基礎環(huán)境；第四、五項為數(shù)據(jù)庫操作和報表生成的工具包；最后一項為外接示波器的儀器驅(qū)動。硬件設備包括計算機、TLS－T301通信原理實訓平臺和Tek3052B示波器。

2 實驗系統(tǒng)介紹

通信原理實驗系統(tǒng)主要由四個子功能模塊構成：學員信息登錄模塊、實訓平臺實驗模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和記錄查詢管理模塊。

2.1 學員信息登錄模塊

學員信息登錄模塊是一種權限設定，每次上課的學員名單可提前錄入系統(tǒng)目錄下的Acess數(shù)據(jù)庫中，學員登錄時輸入的學號、姓名、隊別等信息通過與提前錄入的學員信息進行比對，只有相關輸入都吻合時，才能進入實驗系統(tǒng)進行相關操作。同時，學員信息及上機時間等關鍵要素也要錄入數(shù)據(jù)庫，為檔案的存儲和實驗成績評定、管理提供相應的操作參數(shù)。進入系統(tǒng)后，主界面如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)主界面

2.2 實訓平臺實驗模塊

在主界面輸入學員信息并點擊確定后，就可進入下一個界面進行相應實驗項目的選擇，界面如圖2所示。

圖2 實驗選擇界面

圖3 具體實驗操作界面

結合課程標準要求，實驗系統(tǒng)共開設了HDB3編譯碼、FSK調(diào)制解調(diào)、PSK調(diào)制解調(diào)、PCM脈沖編碼調(diào)制、DM增量調(diào)制、電話系統(tǒng)傳輸?shù)攘鶄€典型實驗［1］。例如，選擇（FSK）調(diào)制解調(diào)實驗后，就可進入到具體實驗操作界面，如圖3所示。每個實驗科目包括實驗目的、實驗原理圖、實驗項目、實驗結論及見解等四項主要內(nèi)容。其中，實驗目的和原理圖的內(nèi)容以文本和圖片為主，給實驗學員提供操作參考指導。實驗原理圖中將本實驗的電路原理圖以圖片形式給出，學員可參考給出的原理圖，進而對實際電路進行學習和分析。在實驗原理圖中可以直接點擊實驗電路中的芯片，去調(diào)用更豐富、翔實的PDF資料，以消除學員學習過程中知識的“死角”，界面如圖4所示。

圖4 原理圖中調(diào)用pdf資料

實驗項目列出了學員需要通過實驗觀察的關鍵電信號的波形。每部實訓平臺的示波器都要通過網(wǎng)線連接到計算機網(wǎng)口上，并配置為虛擬儀器。當學員最終在示波器上調(diào)整好需要觀察的信號后，單擊波形圖左邊的“獲取”按鈕，此時示波器上所采集的信號波形、示波器設置參數(shù)等數(shù)據(jù)由網(wǎng)線傳遞回計算機存儲，并顯示在右側(cè)的波形圖中［2－3］。

實驗結論及見解包括本實驗的思考題和結論見解。思考題為一些需要學員通過進一步調(diào)節(jié)各項實驗參數(shù)才能得到驗證的結果，目的是為了強化學員對各實驗參數(shù)物理意義的理解。實驗結論見解則是學員通過本次實驗課所得到的結論總結以及對本次實驗課的一些建議和看法。其作用一是鼓勵學員通過總結進一步深化對原理的認識，二是通過匯總學員建議看法以方便對后續(xù)實驗課程的優(yōu)化設置。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于記錄學員登錄信息、所做實驗的名稱、實驗中產(chǎn)生的波形、思考題答案以及實驗結論見解等內(nèi)容。數(shù)據(jù)形式涵蓋了文字、數(shù)字、圖表、波形等多種形式。為了簡化編程工作，系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)庫工具包，該工具包將一些基礎函數(shù)命令進行了二次封裝，簡化了上層函數(shù)調(diào)用，方便了用戶的編程處理。

數(shù)據(jù)庫管理模塊的另外一個重要功能就是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，匯總生成電子版實驗報告。教員據(jù)此可掌握學員實驗完成情況，管理和查看實驗成績，并以此為依據(jù)對課程的安排做出一定的調(diào)整，優(yōu)化實驗教學效果。而在實驗報告生成過程中，對于文字、數(shù)字等數(shù)據(jù)的處理相對來說比較簡單，技術難點是如何把實驗界面中的波形也匯總生成到實驗報告中。因為，這部分圖形數(shù)據(jù)是學員實驗的重要結論，在某種程度上直接關系到學員實驗成績的評定，必須要在實驗報告中反應出來。經(jīng)過反復嘗試，最終利用報表工具包中的Append Front Panel Image to Report函數(shù)實現(xiàn)了此功能［4］。

圖5 實驗報告示意截圖

至此，系統(tǒng)能夠生成圖文并茂的實驗報告Word文檔，實驗報告截圖如圖5所示。內(nèi)容基本涵蓋了紙質(zhì)實驗報告的全部要素，實現(xiàn)了實驗報告的數(shù)字化存貯和管理。

2.4 記錄查詢管理模塊

系統(tǒng)記錄查詢管理模塊主要是為了方便歷史記錄的查詢和維護。教師可分別根據(jù)學號、學員姓名、實驗名稱來對歷史記錄進行查詢。找到對應記錄后可進行實驗報告的生成、打印等相關操作。具體操作界面如圖6所示。

圖6 實驗記錄查詢和管理界面

3 結束語

通信原理實驗系統(tǒng)經(jīng)過一個學期的試用，能夠滿足實驗報告計算機存貯、管理的基本功能。但是在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題，比如實驗操作界面交互性還不夠人性化，歷史檔案查詢管理功能還有待進一步開發(fā)完善，以及后續(xù)網(wǎng)絡環(huán)境下實驗系統(tǒng)的建立等［5］，還有待后續(xù)工作的更正和完善。在此，只是想起到拋磚引玉的作用，希望更多的人來關注和參與教學實驗系統(tǒng)的建立和完善工作，以期更好地發(fā)揮實驗教學的作用。

［1］樊昌信.通信原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［3］Travis J，Kring J.LabVIEW大學實用教程［M］.3版.喬瑞萍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］程曦.LabVIEW中復雜報表生成技術及應用［J］.實驗科學與技術，2010，8（3）：41～43.

［5］劉翔.基于虛擬平臺通信原理實驗系統(tǒng)的研究［J］.湖南理工學院學報，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

霍曉磊（1980－），男，碩士，講師，研究方向：通信裝備性能測試、故障診斷。