LabVIEW在通信工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用

汪弦

摘要：通信工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程，例如《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》和《通信原理》，在課程體系結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，是學(xué)習(xí)通信類后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，但存在教學(xué)內(nèi)容偏重理論，傳統(tǒng)教學(xué)方式缺乏靈活性等特點，而LabVIEW仿真設(shè)計具有較強的自主設(shè)計性和靈活性，使得抽象的理論知識更為生動形象、簡單直觀、能增強學(xué)生對于知識點的深入理解和運用，因此在課程的教學(xué)中引入LabVIEW有助于提高教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：通信工程；LabVIEW；教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0185-03

一、LabVIEW簡介

虛擬儀器的核心為“軟件就是儀器”，即用軟件模擬儀器的功能，具有簡單易學(xué)的圖形化編程界面，豐富美觀的控件。同時虛擬儀器開發(fā)軟件中集成了如自動控制原理、數(shù)字信號處理、通信原理等相關(guān)專業(yè)知識模塊，有利于專業(yè)課程學(xué)習(xí)過程中教學(xué)和實驗環(huán)境的構(gòu)建，在理工科的實驗教學(xué)設(shè)備方面也得到越來越多的應(yīng)用。

二、通信工程專業(yè)基礎(chǔ)課程傳統(tǒng)教學(xué)方式的局限性

（一）理論教學(xué)方面

通信工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程，例如《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》和《通信原理》，都存在課程內(nèi)容多、知識面廣、概念抽象、公式推導(dǎo)復(fù)雜、枯燥感較強、理論更新快的特點[1]。在理論教學(xué)中，教師多采用電子幻燈片和板書相結(jié)合的方式，花費大量的時間和精力去進(jìn)行公式的推導(dǎo)、繪制計算過程中的靜態(tài)圖形.盡管如此，學(xué)生還是無法理解專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的重要性，而容易產(chǎn)生枯燥感以及理論脫離于實際的感覺，從而失去學(xué)習(xí)的興趣。

（二）實驗教學(xué)方面

在通信類基礎(chǔ)課程的實驗教學(xué)中，由于學(xué)生人數(shù)較多，傳統(tǒng)實驗室在設(shè)備經(jīng)費等方面普遍面臨著較大壓力，設(shè)備更新?lián)Q代慢，無法滿足知識更新的速度；同時傳統(tǒng)的實驗教學(xué)采用實驗箱作為硬件平臺，只能完成限定的實驗內(nèi)容且內(nèi)容單一、理論和實驗匹配度不高；另外大部分實驗設(shè)備只能進(jìn)行簡單的連線、顯示、分析，學(xué)生可操作的模塊少、無法進(jìn)行實驗的自主設(shè)計[2]。因此目前的實驗教學(xué)具有靈活性和自主性差、硬件更新緩慢和成本高等特點。

三、在理論和實驗教學(xué)中引入LabVIEW的優(yōu)勢

針對通信專業(yè)類中理論教學(xué)和實驗教學(xué)的特點，我們需要進(jìn)行一些教學(xué)改革的探索，通過對教學(xué)方法和方式的改進(jìn)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的積極主動性，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

在課程中引入LabVIEW，教師通過軟件設(shè)計理論知識的仿真驗證過程，豐富理論教學(xué)環(huán)節(jié)，使抽象的理論知識更為生動形象、簡單直觀，加深學(xué)生對知識的理解；另一方面，讓學(xué)生參與到實驗內(nèi)容的設(shè)計中去，自行設(shè)計測試用例分析、預(yù)測實驗結(jié)果，可以提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，增加學(xué)生對實驗的可控程度和范圍[3]，有益于學(xué)生設(shè)計、分析、創(chuàng)新等多方面能力的培養(yǎng)。

因此在教學(xué)過程中引入LabVIEW，有助于提高教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、教學(xué)方案實例與分析

以《信號與系統(tǒng)》中的信號采樣、《數(shù)字信號處理》中的數(shù)字濾波器設(shè)計以及《通信原理》二進(jìn)制鍵控調(diào)制解調(diào)三個知識點為例進(jìn)行分析，這三個知識點在理論教學(xué)中都需要依據(jù)不同的參數(shù)繪制大量的波形圖，而引入LabVIEW后可以在調(diào)節(jié)參數(shù)后實時的呈現(xiàn)出波形變化，有助于教學(xué)效率的提升。此外，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，一套硬件設(shè)備只針對特定的實驗內(nèi)容，無法根據(jù)理論教學(xué)需要進(jìn)行調(diào)整，引入LabVIEW后，學(xué)生可以便捷的調(diào)節(jié)任意參數(shù)，甚至可以自主的設(shè)計實驗內(nèi)容，加深對理論知識的理解程度，提高學(xué)習(xí)興趣。以下為實例的詳細(xì)分析。

（一）信號采樣

信號采樣中，原信號是由一頻率為86Hz，幅值為1V，相位為0的正弦信號和一頻率為100Hz，幅值為1V，相位為0的正弦信號混合而成，對原信號進(jìn)行采樣，采樣間隔為4時，采樣后信號如圖1所示，信號出現(xiàn)失真現(xiàn)象；當(dāng)采樣間隔為0.5時，采樣后的信號能較好的與原信號保持相似度。采樣后信號如圖2所示。

（二）數(shù)字濾波器設(shè)計

數(shù)字濾波器設(shè)計中，包含了FIR濾波器和IIR濾波器，可以設(shè)置濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、類型（低通、高通、帶通、帶阻）和相關(guān)參數(shù)（階數(shù)、截止頻率），以低通濾波器進(jìn)行舉例驗證。

將一頻率為10Hz，幅值為10V的正弦信號和幅值為2v的均勻白噪聲信號進(jìn)行疊加，設(shè)計合適的濾波器濾出白噪聲信號，仿真圖如圖3所示。IIR低通濾波器截止頻率設(shè)置為20Hz，調(diào)整階數(shù)為11階。濾波后的波形與未添加噪聲前的正弦信號波形一致，即濾波效果比較理想，正弦信號被保留，而白噪聲信號被濾除。幅頻特性較接近理想濾波器幅頻特性。

（三）二進(jìn)制鍵控調(diào)制解調(diào)仿真設(shè)計

二進(jìn)制鍵控調(diào)制解調(diào)仿真設(shè)計包括二進(jìn)制幅移、頻移、相移以及差分相移鍵控調(diào)制解調(diào)，幅移鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK），也叫幅度調(diào)制，簡稱調(diào)幅。ASK是通過在高低電平之間變換幅度來進(jìn)行的。幅度鍵控可以通過乘法器和開關(guān)電路來實現(xiàn)。仿真過程如圖4所示。

載波信號是通過數(shù)字1和0來控制的，當(dāng)信號1產(chǎn)生時，載波被接通，此時信道上出現(xiàn)載波；如果信號為0的話，載波被斷開，信道上不出現(xiàn)載波。

頻移鍵控主要是頻率隨著信號的改變而改變，目前較為常用的是二進(jìn)制頻移鍵控。而數(shù)字頻移鍵控主要是傳送數(shù)字的信息，通過這些信息來調(diào)節(jié)載波的頻率。二進(jìn)制頻移主要是信號為“1”對應(yīng)一個載頻f1，“0”對應(yīng)于一個載頻f2（與f1不同的另一載頻）的已調(diào)波形。仿真過程如圖5所示。

相移鍵控又分為二進(jìn)制PSK和多進(jìn)制PSK。在二進(jìn)制PSK調(diào)制技術(shù)中，載波相位僅有兩種取值；仿真過程如圖6所示。

二進(jìn)制信息為011001101010，載波頻率為1，當(dāng)二進(jìn)制信息為1的時候，表示調(diào)制載波與未調(diào)制載波同向，當(dāng)二進(jìn)制信息為0的時候調(diào)制載波與未調(diào)制載波反向。然后經(jīng)過乘法器和低通濾波器，最后進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)出原信號。

五、總結(jié)

在通信類的專業(yè)基礎(chǔ)課程中引入LabVIEW進(jìn)行輔助教學(xué)，具備靈活性和適應(yīng)性。教師能根據(jù)課程的知識結(jié)構(gòu)和特點的需要，對復(fù)雜和抽象的知識點進(jìn)行仿真，增加課程教學(xué)的生動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對于學(xué)生來說，更側(cè)重于實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，如今大部分高校已經(jīng)開設(shè)與LabVIEW相關(guān)的課程，學(xué)生可以利用LabVIEW自行設(shè)計仿真內(nèi)容，加強各門課程之間的相互聯(lián)系，也可以增強學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性。通過這種教學(xué)方式，學(xué)生能與教師形成良好的互動，一方面激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面，學(xué)生在設(shè)計中遇到問題，可以從問題解決的過程中鞏固教師上課所講的知識，加深印象，在教學(xué)中取得了不錯的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊冠男.“通信原理”虛實結(jié)合的教學(xué)方法探索[J].電腦知識與技術(shù)，2017，（8）.

[2]王丹，張高遠(yuǎn)，吳紅海，謝萍.“通信原理”課程多元化實驗教學(xué)方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，（10）.

[3]張小琴，譚靜.LabVIEW在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].江蘇第二師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），2016，（6）.