基于Web的隨機信號分析遠程虛擬實驗平臺設計

基于Web 的隨機信號分析遠程虛擬實驗平臺設計

通信作者：楊喜(1978—)，男，湖南湘陰人，吉首大學信息科學與工程學院副教授，博士，主要從事通信技術方面的教學與研究.

楊世江，楊喜，張銀行

(吉首大學信息科學與工程學院，湖南 吉首 416000)

摘要：以Matlab軟件為開發(fā)平臺，以《隨機信號分析與處理》課程為例，提出了其遠程虛擬實驗平臺的設計方案.用戶通過互聯網訪問服務器組件Matlab Web Server，由客戶端瀏覽器遠程進行《隨機信號分析與處理》的仿真實驗，并以LMS算法在自適應信道均衡中的應用實例驗證了該方案的有效性.

關鍵詞：實驗教學；虛擬實驗平臺；Matlab Web Server；LMS算法

文章編號：1007-2985(2015)05-0035-04

收稿日期：2015-04-15

基金項目：吉首大學教學改革研究項目(2015JSUJGB17，2013JSUJGB08)；吉首大學服務武陵山片區(qū)通信工程特色專業(yè)建設項目(教通2012[52]號)；湖南省普通高等學校教學改革研究項目(湘教通[2014]147號)

作者簡介：楊世江(1987—)，男，湖南懷化人，吉首大學信息科學與工程學院碩士研究生，主要從事無線通信技術應用研究

中圖分類號：TN91文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.008

《隨機信號分析與處理》是通信工程等專業(yè)必修課程之一，鑒于該課程涉及內容廣理論性強，傳統(tǒng)教學多采用理論講授的方式，而實踐和創(chuàng)新應用能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)不足，導致許多學生分析和解決實際問題的能力較弱.顯然，通過增加實踐環(huán)節(jié)是提高學生分析和解決問題能力的關鍵.近來，基于網絡技術的遠程虛擬仿真實驗平臺以其成本低、部署方便靈活的優(yōu)點引起了廣大教學科研工作者的興趣[1-4].遠程虛擬實驗平臺主要借助網絡通信技術及仿真軟件，使用戶可以在計算機等終端上遠程模擬完成相應的實驗任務.可以預見，如果將這種技術引入到《隨機信號分析與處理》課程的教學，在很大程度上解決該課程教學過程中所遇到的瓶頸.具有豐富的信號處理功能和優(yōu)秀的數據可視化能力的Matlab已成為信號處理教學和科研領域最為常用的應用仿真軟件，該軟件提供的網絡服務組件Web Server為建立信號的遠程分析與處理提供了可能的解決途徑[2].筆者所設計的遠程虛擬實驗系統(tǒng)正是基于Internet網絡和Matlab平臺，結合Matlab Web Server和IIS服務器技術，完成了基于Web的《隨機信號分析與處理》遠程虛擬實驗平臺設計.客戶端借助該平臺，即使沒有安裝任何版本的Matlab軟件，仍然可以通過互聯網遠程完成《隨機信號分析與處理》課程相關的仿真實驗，彌補了以往該課程過于強調理論講授的傳統(tǒng)教學方式的不足.

1　遠程虛擬實驗平臺的工作原理

圖1　文中遠程虛擬實驗平臺的工作原理程

文中遠程虛擬實驗平臺采用瀏覽器/服務器(B/S)模式，客戶端用戶借助瀏覽器可以在任何地方進行仿真實驗操作，無需額外安裝任何專用軟件，依托Matlab服務組件與IIS Web服務器的協(xié)作完成隨機信號分析與處理的遠程仿真實驗.虛擬實驗平臺的核心組件包括Matlab Web服務代理matweb.exe和服務器matlabserver.exe.其中，matweb.exe是matlabserver的TCP/IP客戶端，負責從HTML頁面提取數據并傳送給matlabserver.exe進行處理；matlabserver.exe通過啟動matweb.m來調用實現隨機信號分析和處理功能的m文件，從而完成仿真任務.處理完畢之后，計算結果將被存入特定的數據結構，最終以HTML網頁的方式通過IIS Web服務器傳送到客戶端的瀏覽器，顯示信號分析和處理結果.在虛擬實驗平臺中，配置文件matlabserver.conf用來限定合法的TCP/IP客戶端并發(fā)進程數目等，matweb.conf用以存放matweb連接matlabserver的參數配置信息.《隨機信號分析與處理》課程遠程虛擬實驗平臺的工作原理如圖1所示.

2　遠程虛擬實驗平臺的實現

2.1 Web服務器的組建與配置

《隨機信號分析與處理》遠程虛擬實驗平臺可以選擇不同的Web服務器來響應客戶端瀏覽器的請求.由于IIS Web服務器軟件設置簡單、操作方便，所以文中采用IIS Web服務器.在Windows XP系統(tǒng)環(huán)境下安裝IIS5.1軟件包后需要對Matlab Web服務器進行配置.首先，將虛擬實驗平臺軟件所在的根目錄設置為Web服務器的主目錄；然后，在主目錄下創(chuàng)建虛擬目錄cgi-bin和icon.其中，cgi-bin用來存放matweb.exe和matweb.conf，目錄訪問權限設置為“讀取”、“運行腳本”和“執(zhí)行”，而icon存放仿真運行結果的圖形文件，其訪問權限設置為“讀取”、“運行腳本”和“寫入”；最后，對相關參數進行設置.在配置文件matlabserver.conf中可以根據實際需要設定訪問的端口號與最大的并發(fā)進程數目，而配置文件matweb.conf則提供可執(zhí)行程序matweb.exe連接matlabserver.exe所必需的信息(需要注意的是這2個文件中配置的端口號必須一致).

2.2 Matlab Web應用程序文件的創(chuàng)建

圖2　LMS自適應均衡器的系統(tǒng)結構

文中以《隨機信號分析與處理》中最小均方(LMS)算法在自適應信道均衡[5]中的遠程仿真為例，分析基于Matlab Web的m文件的實現過程.假定LMS自適應均衡器采用L個抽頭的橫向濾波器來實現.LMS自適應均衡器系統(tǒng)結構如圖2所示.其中：x(n) = (x(n)，x(n-1)，…，x(n-L+1))T表示自適應信道均衡器的輸入信號矢量；w(n) = (w1(n)，w2(n)，…，wL(n))T表示橫向濾波器在第n步的抽頭系數向量，y(n) =wH(n)x(n)表示濾波器的輸出，d(n)表示判決器的輸出.LMS自適應均衡器的核心在于濾波器抽頭系數的更新，基于最陡下降法和最小均方誤差準則來實現抽頭系數的更新，相應的更新公式為：w(n+1) = w(n) +Δ(d(n) -wH(n)x(n))x(n)，式中Δ為更新步長.本系統(tǒng)平臺中實現LMS自適應信道均衡器功能的函數命名為retstr = eqlms (Inputset)，其中輸入參數Inputset為結構體變量，包含客戶端通過輸入HTML頁面提交的參數值和在matweb.conf文件中設置好的工作目錄信息.

eqlms (Inputset)函數用來獲取信道均衡效果圖和誤符號率信息，其實現流程如下：

(1)利用cd(InputSet.mldir)設置工作目錄，存放仿真過程中所產生的圖形文件.

(2)獲取輸入HTML表單中的參數值并實施信道自適應均衡處理.具體來說，參數值存放在結構體變量InputSet中，通過調用其特定的屬性獲得相應的參數值.如由InputSet.mod，InputSet.order獲取調制方式及調制階數值，之后即可調用Matlab函數lineareq，創(chuàng)建基于LMS算法的自適應均衡器，并調用equalize函數對信號進行均衡處理.其關鍵代碼如下：

eq=lineareq(8，lms(0.01));%創(chuàng)建線性均衡器

eq.SigConst=pskmod([0：InputSet.modorder-1]，InputSet.modorder)；

[symbolest，seq] = equalize(eq，filtmsg，modseq(1:trainlength))；%實施均衡處理

(3)完成設置輸出仿真圖形的坐標位置等參數，繪制未發(fā)生形變、經過信道形變和自適應均衡處理之后調制信號的星座圖.生成圖形時，需要獲取結構體InputSet中的mlid參數值，并為該圖形文件創(chuàng)建唯一的JPEG格式文件名.關鍵代碼如下：

mlid = getfield(InputSet，′mlid′);

out.GraphFileName = sprintf(′lms%s.jpeg′，mlid);

wsprintjpeg(fig，out.GraphFileName);

out.GraphFileName = sprintf(′/icons/lms%s.jpeg′，mlid);

close all;

(4)為保證在輸出網頁中正常顯示仿真結果，m文件調用templatefile = which(′LmsOutput.html′)和retstr = htmlrep(out，templatefile).其中，函數htmlrep(out，templatefile)輸出網頁LmsOutput.html中的輸出變量，用輸出結構體out中的相應值進行替換，從而確保仿真分析結果的正確反饋.

2.3 輸入和輸出網頁的設計

本系統(tǒng)平臺使用HTML腳本語言建立輸入網頁LmsIutput.html和輸出網頁LmsOutput.html.輸入網頁提供用戶和服務器進行交互的接口，接收瀏覽器用戶提交的輸入參數，主要包括請求Matlab Web服務的HTML表單文檔，輸出網頁用來實現自適應均衡器前后的誤符號率和均衡效果對比圖的遠程顯示.

3　仿真結果及討論

圖3　LMS自適應均衡實驗的遠程仿真結果

仿真參數設置如下：調制階數modorder為4，二進制訓練序列長度trainlength為500，發(fā)送的二進制隨機序列長度trainlength為1 500，固定橫向濾波器的抽頭系數設為8；LMS算法的更新步長Δ=0.01，輸入頁面中的設置調制方式設為PSK，信道參數chan=[0.986;0.845;0.237;0.123+0.31i].通過網頁提交上述參數，得到如圖3所示的仿真結果.

由圖3可知：沒有經過均衡處理的信號點分布比較離散，與理想的星座圖有很大的差異；而經過均衡處理之后的信號點分布比較集中，與理想的星座圖較為接近.從輸出參數還可以看出：沒有經過均衡時誤符號率為0.353，而經過均衡處理后則誤符號率為0，由此證明了基于LMS算法的均衡器起到了良好的信道均衡作用.整個仿真過程只需通過網絡遠程訪問相應的LMS自適應信道均衡實驗的頁面并提交相應參數，就可以快速地獲取相應的實驗數據和仿真結果.

4　結語

借助于Matlab軟件開發(fā)平臺，以《隨機信號分析與處理》課程為例，提出了基于Matlab Web Server的遠程虛擬實驗平臺的設計方案.以經典的LMS算法在自適應均衡中的應用為實例，完成了基于Web該設計方案的虛擬實驗系統(tǒng)的實現過程，其仿真結果驗證了文中設計方案的可行性.該設計方案不要求開發(fā)者深入掌握面向對象的編程語言，降低了設計與開發(fā)的難度且易于擴展，基于網絡的隨機信號分析與處理虛擬實驗不受時間地點的限制，極大地方便了學生的學習和教師的授課.

參考文獻：

[1] 姜海燕，宋慶軍，謝統(tǒng)顏.傳感器與檢測技術的網絡實驗室構建[J].實驗室研究與探索，2014，33(1)：17-19，37.

[2] 陳顯彪.基于Web的電機仿真試驗平臺開發(fā)[J].電機與控制應用，2013，40(5)：10-12，48.

[3] QIAO Yuliang，LIU Guoping,ZHENG Geng,et al.NCSLab：A Web-Based Global-Scale Control Laboratory with Rich Interactive Features[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(10)：3 253-3 265.

[4] 李威，王曉川，李融武，等.基于Web的古陶瓷鑒別分析系統(tǒng)研究[J].計算機應用與軟件，2013，30(4)：19-21.

[5] GOLDSMITH A.Wireless Communications[M].Cambridge：Cambridge University Press，2005.

Design of Virtual Experiment Platform of Remote Random Signal

Analysis Based on the Matlab Web Server

YANG Shijiang,YANG Xi,ZHANG Yinhang

(College of Information Science & Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

Abstract:Using Matlab as the software development platform，a design scheme of remote virtual laboratory platform of the course Random Signal Analysis and Processing is proposed.Through accessing the components of MATLAB Web Server via Internet，this program allows the users to take remote simulation experiments based on the client browser.Taking the example of LMS-based adaptive channel equalizer，this paper introduces the implementation procedures of this program.The simulation result demonstrates the effectiveness of the proposed method.

Key words:experiment teaching;virtual experiment platform;Matlab Web Server;LMS algorithm

(責任編輯陳炳權)

“武陵山片區(qū)研究”專欄

征稿啟事

武陵山片區(qū)是我國國家級集中連片特困地區(qū)，跨省交界面積大、少數民族聚集多、貧困人口分布廣，是全國全面實現小康社會任務最繁重的地區(qū)之一。按照國務院2011年10月批復的《武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅規(guī)劃(2011—2020年)》,武陵山片區(qū)將著力解決發(fā)展的瓶頸制約和突出矛盾，加快連片特困地區(qū)發(fā)展和脫貧致富步伐,為全國扶貧攻堅發(fā)揮示范引領作用。

《吉首大學學報(自然科學版)》是由吉首大學主辦的自然科學綜合性學術期刊，連續(xù)3屆獲評教育部科技司頒發(fā)的“中國高校特色科技期刊”獎，2014版復合影響因子0.507，期刊影響因子0.407。為了報道與武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅工作相關的基礎科技信息與階段性科研成果，發(fā)揮專業(yè)技術優(yōu)勢和期刊的橋梁紐帶作用,更好地服務于武陵山片區(qū)經濟社會發(fā)展，本刊擬開辦“武陵山片區(qū)研究”專欄，現面向國內外研究人員和科技工作者誠征專欄稿件，歡迎惠賜佳作。稿件不收取任何形式的版面費和發(fā)表費，一經錄用，稿酬從優(yōu)。

選題方向：片區(qū)特色動植物資源；自然地理與生態(tài)環(huán)境；農業(yè)資源開發(fā)與利用；特色農林業(yè)與種養(yǎng)殖業(yè)；旅游資源開發(fā)利用與保護；地方及少數民族農業(yè)經濟；片區(qū)少數民族工業(yè)與地方工業(yè)經濟；水文地質與氣象氣候；農林產品加工；生物醫(yī)藥產業(yè)；礦產礦物資源加工。

投稿郵箱：xb8563684@163.com 。郵件主題請注明“武陵山片區(qū)研究專欄投稿”字樣。

吉首大學學報編輯部

2015年9月15日