基于互聯(lián)網(wǎng)+通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

王 芳

（東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 吉林 吉林 132012）

0 引言

通信原理是通信類的核心課程之一,同時(shí)它也是理論和實(shí)踐相結(jié)合很強(qiáng)的一門專業(yè)課。

通信原理實(shí)驗(yàn)是本課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié),它不僅能幫助學(xué)生理解理論教學(xué)中的抽象概念,還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。 隨著實(shí)用型人才需求量的不斷擴(kuò)大,實(shí)踐環(huán)節(jié)變得愈發(fā)重要。 傳統(tǒng)的通信實(shí)驗(yàn)課是在固定的實(shí)驗(yàn)室,由老師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求,依托現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,學(xué)生自行完成操作。 這也是全國普遍的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式。 學(xué)生對(duì)于這種教學(xué)模式普遍積極性不高,學(xué)習(xí)興趣低。 另外,實(shí)驗(yàn)課也會(huì)受時(shí)間、場(chǎng)地、設(shè)備更新速度等這些因素的影響而難以達(dá)到預(yù)期的效果。 特別是在疫情的影響下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)能否正常進(jìn)行成了一個(gè)棘手的問題。 相較于線下實(shí)驗(yàn)教學(xué),線上網(wǎng)絡(luò)教育更具優(yōu)勢(shì)。 網(wǎng)絡(luò)教育也因此得到了越來越多的家長(zhǎng)和老師的關(guān)注。

遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而開發(fā)構(gòu)建的。 近幾年因其投入成本低、升級(jí)靈活等特點(diǎn),在各大高校的線上教學(xué)中得到了長(zhǎng)期從事實(shí)踐教學(xué)的專家和科研人員的重視。 這種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段主要借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),學(xué)生們可以在智能手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電腦等終端設(shè)備遠(yuǎn)程登錄,利用模擬手段來完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。 本文主要是針對(duì)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。 這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式促使學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,有助于學(xué)生能夠更好地理解課本中的理論知識(shí),鍛煉了學(xué)生自主開發(fā)創(chuàng)新能力,真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就是儀器”“一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”的特殊優(yōu)勢(shì)。 本設(shè)計(jì)創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想,即把理論知識(shí)與Matlab 仿真軟件結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的教學(xué)目的［1］。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體框架

通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含網(wǎng)頁設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩大部分。 網(wǎng)頁設(shè)計(jì): 主要基于DREAMWEAVER CS6 的搭建,研究了基于Web 的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),用高性能網(wǎng)頁設(shè)計(jì)軟件搭建通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架。 首先本設(shè)計(jì)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登錄頁面,通過該登錄頁面完成登錄。 用戶點(diǎn)擊首頁能夠了解通信原理的課程時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和指導(dǎo)教師等,而點(diǎn)擊學(xué)習(xí)頁面就可以進(jìn)行理論課程的視頻學(xué)習(xí)。 實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì):用戶點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)按鈕,進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),通過網(wǎng)頁內(nèi)視頻鏈接可以觀看完整實(shí)驗(yàn)原理,啟動(dòng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K,利用Matlab 與Simulink 等軟件的強(qiáng)大功能,完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建模和仿真。 在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,用戶可以完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,也可以實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)任務(wù),并能夠進(jìn)行二次開發(fā)［2］。 平臺(tái)的整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本虛擬仿真平臺(tái)是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、通信工程技術(shù),開發(fā)一個(gè)可以完成基本通信實(shí)驗(yàn)任務(wù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),而虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)則是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最重要的部分。 其中實(shí)驗(yàn)?zāi)K的主要功能包含在線實(shí)驗(yàn)操作視頻、線上虛擬實(shí)驗(yàn)、在線拓展實(shí)驗(yàn),平臺(tái)的一些輔助功能也能為在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。 在線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體3 個(gè)模塊系統(tǒng)如圖2 所示,各個(gè)模塊的功能描述如下。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于Simulink 通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

Simulink Visual Simulation Tools 軟件能夠在高度直觀的框圖中對(duì)虛擬通信仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行高精度的可視化建模,并以“實(shí)時(shí)”和“動(dòng)畫”這兩種方式將所需要的結(jié)果顯示了出來,并且在此軟件中能清楚直觀地看出虛擬通信實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡嬷蟮南嚓P(guān)結(jié)果。 Simulink為用戶提供了兩種直接開發(fā)模塊的解決方式:(1）直接利用現(xiàn)有的開發(fā)模塊搭建一個(gè)子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多層次開發(fā)模塊。 (2）編寫一個(gè)系統(tǒng)管理函數(shù)用來開發(fā)所需要模塊。 數(shù)字帶通傳輸信號(hào)的二進(jìn)制最基本的傳輸方式就是2ASK、2FSK、2PSK,本文將以此為例進(jìn)行深入研究與仿真。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

Dreamweaver 是當(dāng)代最火爆的網(wǎng)站構(gòu)建軟件之一,具有許多功能,而且與JavaScript,Matlab,Simulink,Keir等軟件同樣有巨大的兼容性,可以把視頻、動(dòng)畫設(shè)計(jì)以及其他網(wǎng)頁設(shè)計(jì)需求融合在一起［3］。 同時(shí),CS6 的操作非常便捷,用戶可以直接將有關(guān)文件移到網(wǎng)頁上以完成展示工作。 利用Dreamweaver CS6 的設(shè)計(jì)工具,本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了網(wǎng)頁的主要模塊。

2.1.1 登錄模塊

根據(jù)老師所給的賬號(hào)及密碼完成登錄,學(xué)生輸入網(wǎng)址進(jìn)入虛擬通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站,可以選擇記住密碼、忘記密碼、新用戶注冊(cè)等選項(xiàng)。 如果輸入的賬號(hào)或密碼任何一項(xiàng)存在錯(cuò)誤,系統(tǒng)便會(huì)彈出“賬號(hào)或密碼錯(cuò)誤,請(qǐng)重試”的對(duì)話框。 用戶登錄界面如圖3 所示。

圖3 登錄模塊

2.1.2 首頁模塊

登錄完成后,首頁右上角會(huì)顯示學(xué)生用戶。 首頁主要介紹課程目標(biāo)、開課時(shí)間、學(xué)時(shí)安排、指導(dǎo)老師等課程基本信息。 在此模塊中,學(xué)生點(diǎn)擊學(xué)習(xí)就能夠了解本課程的理論知識(shí)以及相關(guān)的教學(xué)視頻等。

2.1.3 學(xué)習(xí)模塊

本模塊介紹了實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容,并對(duì)該部分進(jìn)行代碼編譯,導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 學(xué)生通過界面,點(diǎn)擊“數(shù)字通信原理”以及“模擬通信原理”就可直接進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)界面進(jìn)行相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)。 此外,本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了確知信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)、模擬調(diào)制等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)是網(wǎng)頁設(shè)計(jì)的重要部分,也是本網(wǎng)站的核心。 學(xué)生可以通過學(xué)習(xí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻以及基本框圖來熟悉仿真步驟進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 振幅鍵控利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息,而其頻率和初始相位保持不變。 在2ASK 中［5］,載波的幅度只有兩種變化狀態(tài),分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制信息“0”或“1”,即利用數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波,使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。 當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí),則為二進(jìn)制振幅鍵控。 這里以2ASK 為例進(jìn)行仿真,輸出結(jié)果如圖5—6 所示。

圖5 2ASK 的 Simuilink 仿真

圖6 2ASK 仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本文利用“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)行通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端實(shí)驗(yàn)操作。 一方面,它可以將課本上理論知識(shí)、重要原理通過網(wǎng)頁的形式展示出來,不影響老師的教學(xué)進(jìn)度以及學(xué)生們的學(xué)習(xí)進(jìn)程；另一方面,學(xué)生必須自學(xué)一些相關(guān)的軟件知識(shí)才能根據(jù)老師提出的實(shí)驗(yàn)要求,通過利用Matlab 軟件中的Simulink 仿真模塊進(jìn)行建模,完成遠(yuǎn)端實(shí)驗(yàn)操作。 “互聯(lián)網(wǎng)+”通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既激發(fā)了同學(xué)們自主學(xué)習(xí)的能力,也為通信實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)手段提供了新的發(fā)展方向。