虛擬儀器在“通信原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用

周子楠

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院江寧分院，江蘇 南京 211100）

“通信原理”[1]是通信工程專業(yè)中一門重要的專業(yè)課程，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的緊密結(jié)合，該課程越來(lái)越顯示出重要性。該課程特點(diǎn)是知識(shí)面廣、內(nèi)容多、概念抽象，許多教學(xué)內(nèi)容較為抽象、難以理解，高職校學(xué)生本身與普通本科院校學(xué)生相比，文化基礎(chǔ)較為薄弱，自主學(xué)習(xí)能力也較為欠缺，不僅很難理解教學(xué)內(nèi)容，而且對(duì)理論知識(shí)該如何應(yīng)用于實(shí)踐也是一大難題，進(jìn)而影響了“通信原理”課程的教學(xué)質(zhì)量，不利于后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

高職教育應(yīng)該更加注重對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，如何對(duì)“通信原理”課程教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，已成為各大職業(yè)學(xué)校頗為關(guān)注的問題。為此，本文基于虛擬儀器LabView在“通信原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期能為“通信原理”課程，無(wú)論是課堂教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的進(jìn)一步提高做出一些貢獻(xiàn)。

1 虛擬儀器LabView的特點(diǎn)

所謂虛擬儀器，實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通俗來(lái)說，就是將儀器“裝入”計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能[2]。在虛擬儀器領(lǐng)域，NI公司的LabView軟件可謂首屈一指。LabView是一種用于虛擬儀器操作的、采用圖形化G語(yǔ)言的軟件編程環(huán)境，更加形象、直觀，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和控制等工業(yè)領(lǐng)域。圖形化編程是LabView的本質(zhì)，特點(diǎn)是基于通用計(jì)算機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件平臺(tái)，內(nèi)置了許多簡(jiǎn)化編程復(fù)雜度的功能和函數(shù)，是功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的系統(tǒng)，通過在計(jì)算機(jī)上用LabView搭建仿真原型，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找到潛在的問題，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外被工程師和科學(xué)家廣泛采用。

LabView程序主要包括兩部分：前面板（即人機(jī)界面）和后面板（即框圖程序）。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示。后面板使用圖形編程語(yǔ)言編寫，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼，用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。用戶可以把創(chuàng)建的vi程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序。LabView擁有流程圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)程序語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的束縛。在編寫方塊圖程序時(shí)，只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo)，再以線條相互連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

本文主要探討采用虛擬儀器LabView設(shè)計(jì)符合教學(xué)需求的通信仿真系統(tǒng)方法，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于“通信原理”教學(xué)的演示或?qū)嶒?yàn)環(huán)節(jié)，生動(dòng)、形象地顯示抽象的概念和實(shí)例，也適合學(xué)生動(dòng)手操作練習(xí)，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做，從而提高教學(xué)水平和質(zhì)量。當(dāng)然，通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作可由教師完成，也可讓學(xué)生在LabView平臺(tái)中自行設(shè)計(jì)編寫完成，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，增加對(duì)通信系統(tǒng)的深入剖析和理解。下面就以信道編碼中的線性分組碼仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。

2 LabView仿真系統(tǒng)開發(fā)范例

線性分組碼是指信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系可用一組線性方程來(lái)表示的分組碼[3]，其性質(zhì)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）任意兩個(gè)許用碼組相加后仍為一個(gè)許用碼組，即滿足封閉性。

（2）最小碼距等于所有非全零碼組的最小碼重。本文選取較為典型的（7，4）線性分組碼作為教學(xué)實(shí)例。

2.1 （7，4）線性分組碼構(gòu)造原理

以（7，4）線性分組碼為例，碼字表示為A=［a6a5a4a3a2a1a0］，其中，前4位是信息元，后3位是監(jiān)督元，設(shè)它們之間用下列線性方程組（監(jiān)督方程）來(lái)描述：

若傳輸無(wú)錯(cuò)，則：

若傳輸有錯(cuò)，則校正子S1，S2，S3不全為0。在只有一位錯(cuò)碼的條件下，若a0錯(cuò)，則S1S2S3=001；若a1錯(cuò)，則S1S2S3=010；若a2錯(cuò)，則S1S2S3=100；若a3錯(cuò)，則S1S2S3=011；…；若a6錯(cuò)，則S1S2S3=111。因此，收端通過計(jì)算校正子即可發(fā)現(xiàn)、糾正錯(cuò)誤。

對(duì)于(n,k)碼，有n－k=r個(gè)監(jiān)督關(guān)系式，若要指示一位錯(cuò)碼的n種可能位置，則要求2r－1≥n。取等號(hào)時(shí)所構(gòu)成的線性分組碼稱為漢明碼，此時(shí)，編碼效率最高R＝k/n＝（2r－1－r）/（2r－1）＝1－r/n。

構(gòu)成方法：（1）先列出S1S2S3與錯(cuò)碼位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。（2）根據(jù)此表列出S1S2S3表達(dá)式。（3）令S1=0，S2=0，S3=0，即求得監(jiān)督碼元的方程，從而求得對(duì)應(yīng)的編碼。

2.2 （7，4）線性分組碼仿真系統(tǒng)各子模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

（1）（7，4）線性分組碼編碼.vi。實(shí)現(xiàn)將輸入的信碼與生成矩陣G相乘，得到的碼字輸出到信道中，實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示。

圖1 （7，4）線性分組碼編碼.vi框架

（2）（7，4）線性分組碼信道.vi。信道噪聲等使信號(hào)經(jīng)信道傳輸后產(chǎn)生錯(cuò)碼，因此，仿真時(shí)將輸入信道中信號(hào)的某一位碼字取反，模仿由于噪聲引起的誤判誤碼。用LabView的公式節(jié)點(diǎn)[4]，與C語(yǔ)言的接口用C語(yǔ)言編寫，如圖2所示。

圖2 （7，4）線性分組碼信道.vi框架

（3）（7，4）線性分組碼解碼.vi。圖3功能是判斷信道傳來(lái)的碼字是否有錯(cuò)，如果無(wú)錯(cuò)顯示“無(wú)錯(cuò)”，如果有錯(cuò)顯示“有錯(cuò)”并改正。其中，對(duì)照碼用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

圖3 （7，4）線性分組碼解碼.vi框架

2.3 （7，4）線性分組碼仿真系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)開發(fā)

通過調(diào)用連接開發(fā)好的子vi，可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的（7，4）線性分組碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的前面板和后面板分別如圖4—5所示。

圖4 （7，4）線性分組碼編解碼系統(tǒng)前面板

圖5 （7，4）線性分組碼編解碼系統(tǒng)后面板

在前面板中可以輸入信息碼和監(jiān)督矩陣，經(jīng)過運(yùn)行后，可以看到編碼和生成矩陣，“輸入產(chǎn)生錯(cuò)碼的位置”空格中可設(shè)定是否有錯(cuò)碼（0為不產(chǎn)生錯(cuò)碼）及錯(cuò)碼位置，并經(jīng)過信道傳輸后可看到解碼結(jié)果。

在后面板中清晰可讀，采用模塊化子程序設(shè)計(jì)，可以看到每一步的詳細(xì)編程實(shí)現(xiàn)過程。通過連接調(diào)用被封裝成編碼、信道、解碼等模塊子程序形成完整程序，子程序模塊也可加入通信軟件包，供綜合設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)調(diào)用。

3 LabView仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)例

3.1 仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)例1

步驟1：在信息碼處輸入二進(jìn)制序列0101，并輸入監(jiān)督矩陣。如圖6—7所示。在窗口欄選擇“操作→運(yùn)行”，可以得出生成矩陣（見圖8），編碼后得到線性分組碼編碼0101101（見圖9）

圖6 輸入二進(jìn)制序列0101

圖7 輸入監(jiān)督矩陣

圖8 生成矩陣

圖9 線性分組碼編碼0101101

步驟2：假設(shè)傳輸沒有出錯(cuò)，輸入產(chǎn)生錯(cuò)碼的位置，如圖10所示。

圖10 輸入產(chǎn)生錯(cuò)碼的位置

步驟3：經(jīng)過信道傳輸后，得到的解碼后碼字為0101，并顯示出錯(cuò)位置為0，表示傳輸中沒有出錯(cuò)，如圖11所示。

圖11 經(jīng)過信道傳輸后得到的解碼后碼字

3.2 仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)例2

步驟1：在信息碼處輸入二進(jìn)制序列0101，輸入監(jiān)督矩陣，如圖12—13所示。在窗口欄選擇“操作→運(yùn)行”，可以得出生成矩陣（見圖14），編碼后得到線性分組碼編碼0101101（見圖15）

圖12 在信息碼處輸入二進(jìn)制序列0101

圖13 輸入監(jiān)督矩陣

圖14 生成矩陣

圖15 線性分組碼編碼0101101

步驟2：假設(shè)傳輸中第1位產(chǎn)生錯(cuò)碼，如圖16所示。

圖16 輸入產(chǎn)生錯(cuò)碼的位置

步驟3：經(jīng)過信道傳輸后，得到的解碼為1101，可觀察到，第一位產(chǎn)生了錯(cuò)碼，并顯示出錯(cuò)位置為1，如圖17—18所示。

圖17 產(chǎn)生錯(cuò)碼

圖18 顯示出錯(cuò)位置

4 實(shí)例應(yīng)用

由于“通信原理”課程具備較強(qiáng)的理論性，如果單純講解理論，效果枯燥且難以接受。在“通信原理”課堂教學(xué)中，教師可以通過仿真系統(tǒng)直觀演示，有助于原理剖析更加生動(dòng)、形象，在上例中就驗(yàn)證了信息碼、監(jiān)督矩陣、生成矩陣之間的關(guān)系、校正子如何發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，并顯示出錯(cuò)位置等。根據(jù)教學(xué)需求可以設(shè)計(jì)出更多的實(shí)驗(yàn)案例，比如，在上述實(shí)例中，可以假設(shè)產(chǎn)生不同位置錯(cuò)碼，觀察解碼結(jié)果，引發(fā)學(xué)生思考編解碼原理，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。演示完后布置相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生實(shí)操演練，在做中進(jìn)一步思考，加深內(nèi)化重難點(diǎn)的理解、掌握和應(yīng)用。

對(duì)于“通信原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在以往傳統(tǒng)的“通信原理”實(shí)驗(yàn)中，主要是購(gòu)買廠商的“通信原理”實(shí)驗(yàn)箱成品，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)也以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，需要資金和場(chǎng)地投入較大，而學(xué)生動(dòng)手操作的范圍較少，實(shí)驗(yàn)的可設(shè)計(jì)性差，開發(fā)新實(shí)驗(yàn)的空間受到限制，進(jìn)一步引入新技術(shù)更加困難。虛擬儀器正好解決了該問題。在LabView的仿真后面板上，教師和學(xué)生可以根據(jù)需求自行設(shè)計(jì)、搭設(shè)仿真線路，從而設(shè)計(jì)開發(fā)通信仿真系統(tǒng)，而在前面板上能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行可視化的顯示，還能對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以此獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，將進(jìn)一步、高層次地促進(jìn)學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的深度剖析和創(chuàng)新能力的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，虛擬儀器LabView與以往的仿真軟件相比，直觀性更強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程更形象，參數(shù)可操作范圍更廣，可以解決“通信原理”課程直觀性不足的問題，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，獲得良好的課堂教學(xué)效果；同時(shí)，彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)施的不足或傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱可設(shè)計(jì)性差等問題，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的主動(dòng)性。本文提出的虛擬儀器技術(shù)LabView在高職“通信原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用，不僅讓學(xué)生更好地掌握“通信原理”課程的基本概念和基本原理，更重要的是在教學(xué)過程中以“學(xué)生為主體”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提升實(shí)踐創(chuàng)新能力，使之成為高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。