基于通信原理的遠(yuǎn)程課堂教輔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李明媚，董麗元，趙 寧，陳國虎

（天津仁愛學(xué)院，天津 301600）

0 引 言

“通信原理”是電子信息類專業(yè)的核心課程之一，其前序課程涉及高等數(shù)學(xué)、模擬電子線路、信息論、信號(hào)與系統(tǒng)等，是“通信原理”中公式推導(dǎo)和系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)；其基礎(chǔ)理論為后續(xù)專業(yè)課程，如移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)通信等做好教學(xué)銜接。同時(shí)“通信原理”是眾多院校電子信息類專業(yè)的考研課程，而針對(duì)此類理論性強(qiáng)、抽象度高的課程，用傳統(tǒng)的教學(xué)方式講授，學(xué)生在理解上存在一定困難，因此，很多院校通過建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生深入理解通信實(shí)驗(yàn)中對(duì)信號(hào)的處理過程[1-4]。

從我院的教學(xué)情況看，增設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)不足以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還需從課堂入手。本著強(qiáng)化基礎(chǔ)、注重理解的原則，引入動(dòng)態(tài)化演示系統(tǒng)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證的課堂教學(xué)方式，其既能將理論具象化，幫助學(xué)生當(dāng)堂理解教學(xué)內(nèi)容，又能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。因此，我院通信原理教研組依據(jù)模擬調(diào)制系統(tǒng)的課堂教學(xué)思路，充分利用LabVIEW 的圖形化、可視化編程特點(diǎn)[3-4]，開發(fā)線上、線下授課均可遠(yuǎn)程使用的教學(xué)輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的課堂教學(xué)。

1 模擬調(diào)制系統(tǒng)授課思路

模擬調(diào)制系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要由幅度調(diào)制、角度調(diào)制和頻分復(fù)用構(gòu)成[5]，教學(xué)思路如圖1 所示。課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)按照?qǐng)D1 實(shí)線內(nèi)容設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求及解決方案見表1 所列。

2 模擬調(diào)制課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)組成

模擬調(diào)制課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖2 所示。其由調(diào)制信號(hào)、高頻載波、邊帶/帶通/低通濾波、微/積分處理、信道噪聲模塊構(gòu)成，通過模塊的有機(jī)組合分別搭建幅度調(diào)制、角度調(diào)制和頻分復(fù)用系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.1 調(diào)制信號(hào)模塊

本系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)m(t)由振幅、初始相位、頻率大小均隨機(jī)選取的多個(gè)余弦信號(hào)疊加得到。以圖3 所示的單邊帶調(diào)制（SSB）系統(tǒng)為例，通過設(shè)定混頻數(shù)、最高頻率、最大幅值和最大初始相位，影響余弦信號(hào)的數(shù)目和各余弦信號(hào)三參數(shù)的取值范圍，從而生成隨機(jī)信號(hào)。為方便學(xué)生觀察，也可生成單音信號(hào)，即單頻余弦信號(hào)，作為調(diào)制信號(hào)使用。

圖3 SSB 調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)界面和運(yùn)行效果

2.2 高頻載波模塊

選取高頻余弦信號(hào)作為高頻載波，其頻率可調(diào)，振幅和初始相位均為固定值。

2.3 邊帶濾波模塊

SSB（VSB）信號(hào)可由DSB 信號(hào)通過上/下邊帶（殘留邊帶）濾波器濾波得到，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)原理框圖中選定的邊帶類型進(jìn)行濾波器的切換。

2.4 帶/低通濾波模塊

系統(tǒng)中的BPF/LPF 均按照理想濾波器設(shè)計(jì)。根據(jù)授課需求，幅度調(diào)制和角度調(diào)制的重點(diǎn)是調(diào)制和相干解調(diào)原理，在該設(shè)計(jì)中，將通信環(huán)境設(shè)定為無噪、無損耗且無時(shí)延環(huán)境，BPF/LPF 參數(shù)由系統(tǒng)類型、調(diào)制信號(hào)和高頻載波的參數(shù)決定，無需單獨(dú)設(shè)置；FDM 是基于幅度或角度調(diào)制的信號(hào)多路復(fù)用系統(tǒng)，重點(diǎn)在于復(fù)用和解復(fù)用原理，選用SSB 信號(hào)作為復(fù)用信號(hào)，用參數(shù)可調(diào)的BPF 提取多路復(fù)用信號(hào)。

2.5 信道噪聲模塊

作為模擬調(diào)制的綜合應(yīng)用，F(xiàn)DM 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了能驗(yàn)證復(fù)用和解復(fù)用原理，還要盡可能接近實(shí)際，因此設(shè)計(jì)了高斯白噪聲模塊以影響信號(hào)的質(zhì)量。

2.6 微/積分處理模塊

LabVIEW 擁有豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算子VI[8]，因此角度調(diào)制與解調(diào)中的微、積分過程直接使用LabVIEW 提供的微/積分子VI 來實(shí)現(xiàn)。

3 模擬調(diào)制課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)界面

模擬調(diào)制課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)界面分為1 個(gè)主界面和6 個(gè)子界面。為滿足師生共用的需求，將開發(fā)的教輔系統(tǒng)在阿里云服務(wù)器上做Web 發(fā)布，用戶端僅需安裝LabVIEW Run-Time 引擎即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程VI 面板的訪問與控制[9]，效果如圖4 所示。點(diǎn)擊主界面中的各系統(tǒng)按鍵，進(jìn)入相應(yīng)子界面，每個(gè)子界面都劃分為參數(shù)設(shè)置區(qū)、原理框圖區(qū)和信號(hào)時(shí)頻顯示區(qū)。以圖5 所示的FDM 系統(tǒng)為例，參數(shù)設(shè)置區(qū)在調(diào)制信號(hào)、高頻載波的參數(shù)基礎(chǔ)上，添加了復(fù)用路數(shù)（即用戶數(shù)）n和載頻間隔fg的設(shè)置。原理框圖區(qū)在呈現(xiàn)完整系統(tǒng)框圖的同時(shí)，在每個(gè)處理環(huán)節(jié)做了編號(hào)。信號(hào)時(shí)頻顯示區(qū)分為2 路復(fù)用時(shí)頻顯示區(qū)和信號(hào)提取仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)。2 路復(fù)用時(shí)頻顯示區(qū)設(shè)置了與原理框圖對(duì)應(yīng)的編號(hào)按鍵，實(shí)現(xiàn)按步處理和顯示功能；信號(hào)提取仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)顯示了多路復(fù)用信號(hào)和解復(fù)用信號(hào)的時(shí)、頻域變化情況，同時(shí)設(shè)置了可調(diào)的BPF 有效頻域范圍[fmin，fmax]和本地載波頻率fci參數(shù)，用于觀察不同參數(shù)下的信號(hào)提取和恢復(fù)情況，驗(yàn)證解復(fù)用原理。

圖4 通過IE 瀏覽器訪問云服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng)主界面效果圖

圖5 FDM 系統(tǒng)界面和運(yùn)行效果

4 遠(yuǎn)程訪問和控制實(shí)現(xiàn)

基于LabVIEW 開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)可通過多種方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[9]。LabVIEW Web Server 和DSTP 協(xié)議的DataSocket編程[10]方式均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可借助服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信?？紤]到用戶端的使用方便程度，在阿里云服務(wù)器上通過IIS 創(chuàng)建站點(diǎn)，結(jié)合LabVIEW 的Web 發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)師生對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問和控制。網(wǎng)絡(luò)通信方式見表2所列。

表2 滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的網(wǎng)絡(luò)通信方式

5 結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)的模擬調(diào)制課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)顯示了各環(huán)節(jié)的信號(hào)時(shí)、頻變化，達(dá)到了驗(yàn)證調(diào)制、解調(diào)、復(fù)用和解復(fù)用原理的目的；基于LabVIEW 的模塊化設(shè)計(jì)能夠靈活且快速地實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)搭建，直觀、動(dòng)態(tài)且具象地顯示，方便學(xué)生觀察、對(duì)比和分析，而參數(shù)可調(diào)的設(shè)計(jì)利于增加學(xué)生的參與度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；可遠(yuǎn)程控制的教輔系統(tǒng)的引入，不僅能活躍課堂氣氛、提升教學(xué)質(zhì)量，還能在一定程度上為學(xué)生課下的知識(shí)鞏固和后續(xù)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，方便學(xué)生思考和理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；同時(shí)，鼓勵(lì)教師在現(xiàn)有條件下創(chuàng)新性地開展教輔系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

注：本文通訊作者為董麗元。