通信工程專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

耿艷香， 陳 宇， 蒲艷紅， 潘福利， 蔡姍姍， 李海丹

(天津商業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300134)

0 引 言

虛擬實(shí)驗(yàn)基于虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境之上，重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。利用多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建等同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)硬件和軟件的操作環(huán)境，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)客觀條件的不足。以計(jì)算機(jī)為核心，利用現(xiàn)代系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)滿足用戶需求的操作平臺(tái)，進(jìn)而構(gòu)建符合實(shí)際需求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)通常具有網(wǎng)絡(luò)資源共享性、交互操作性、透明性、用戶自主性、可擴(kuò)展性以及安全性等特點(diǎn)[1-3]。通信工程專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是與通信專業(yè)現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)開發(fā)相結(jié)合的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將硬件實(shí)驗(yàn)虛擬化，這樣一來，不僅能夠保證學(xué)生在操作過程中的安全性，還提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，在豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，也讓學(xué)生能更加清晰、明確的了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[4-6]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教育領(lǐng)域不過30多年的歷史，但發(fā)展卻異常迅速，目前國(guó)外相當(dāng)多的高校開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，如新加坡國(guó)立大學(xué)在進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了以 Lab View 作為 Internet 工具之一的圖形化用戶操作平臺(tái)；類似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還有西班牙大學(xué)電子系的電子儀器虛擬工作平臺(tái)以及意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室等等[7-8]。在美國(guó)的各個(gè)大學(xué)，虛擬儀器系統(tǒng)更是已經(jīng)成為理工科學(xué)生必修課之一。

在國(guó)內(nèi)，很多高校也陸續(xù)開展了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的探索，最早可以追溯到1996年天津大學(xué)開發(fā)的虛擬校園系統(tǒng)，此后比較有名的就是北京郵電大學(xué)、吉首大學(xué)和中南大學(xué)[9-10]。北京郵電大學(xué)和吉首大學(xué)關(guān)注的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要是基于Matlab Web Server，這種虛擬實(shí)驗(yàn)室以演示性實(shí)驗(yàn)為主，只能夠完成部分給定實(shí)驗(yàn)，局限性較大；而中南大學(xué)則使用自己創(chuàng)建組件的模式，用 Java 和開源包 Jmatlink 將Java 和 Matlab聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)了以 Java Applet 為關(guān)鍵技術(shù)的部分簡(jiǎn)單通信原理實(shí)驗(yàn)[11-13]。

總的來說，雖然國(guó)內(nèi)各大高校已經(jīng)開始虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，但大多數(shù)都處于起步階段，僅僅局限于某一個(gè)課程或者某幾個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，不成體系[14-15]。針對(duì)這種現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)涵蓋通信工程專業(yè)多個(gè)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既包含獨(dú)立課程的單個(gè)實(shí)驗(yàn)，也包含跨學(xué)科的綜合實(shí)驗(yàn)，這有利于專業(yè)理論知識(shí)的融會(huì)貫通，增強(qiáng)理論知識(shí)的系統(tǒng)性分析。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是建立一個(gè)涵蓋通信工程專業(yè)眾多實(shí)際工程項(xiàng)目類型和典型應(yīng)用領(lǐng)域在內(nèi)的多課程聯(lián)合性虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)與應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)包括《通信原理》、《多媒體通信技術(shù)》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》、《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用》在內(nèi)的多個(gè)通信專業(yè)必修課，將課程理論既獨(dú)立又統(tǒng)一的設(shè)計(jì)在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之內(nèi)，形成分立的體系架構(gòu)，并延伸其應(yīng)用方向，用以課前的預(yù)習(xí)、課堂演示、實(shí)物操作過程的輔助以及課下的二次開發(fā)等方面，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間和時(shí)間的束縛，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和手段，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，保證操作環(huán)節(jié)的安全性，確保硬件實(shí)驗(yàn)的效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。并且本著“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則，輔助硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到提高實(shí)踐動(dòng)手能力的目的，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新意識(shí)，滿足適應(yīng)社會(huì)需求的技術(shù)技能型應(yīng)用人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1平臺(tái)的架構(gòu)模型

通信工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由圖形界面構(gòu)成的，利用Matlab/Simulink、Multisim等電路仿真軟件搭建的軟件仿真平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)包括電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、移動(dòng)通信、多協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)、智能控制、程控交換在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)類型，每種類型實(shí)驗(yàn)又包括多個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，比如多協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)類包括ZigBee組網(wǎng)、WiFi組網(wǎng)、藍(lán)牙組網(wǎng)、IPV6協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合的內(nèi)容。總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)模型

2.2.2平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)及說明

目前設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋6門課程，近50個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，現(xiàn)以如下4個(gè)實(shí)驗(yàn)為例簡(jiǎn)要介紹其基本設(shè)計(jì)思路和操作方法。平臺(tái)總體包括3部分，第1部分就是系統(tǒng)的主界面，能夠讓用戶快速地了解該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能，并且可以在用戶界面上通過簡(jiǎn)單的操作來進(jìn)行程序的編寫。由主界面可以進(jìn)入到第2部分，就是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，它包含著課程全部的實(shí)驗(yàn)操作所需內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求、實(shí)驗(yàn)步驟和開始實(shí)驗(yàn)等5個(gè)按鈕。第2部分可以各自進(jìn)入到實(shí)現(xiàn)它具體功能的第3部分，也就是系統(tǒng)仿真生成界面。所以對(duì)于界面設(shè)計(jì)來說是由總到分的形式來設(shè)計(jì)的：

(1) 《數(shù)字信號(hào)處理》的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面介紹。本系統(tǒng)主界面包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介、序列運(yùn)算、連續(xù)信號(hào)的頻譜分析、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和FIR數(shù)字濾波器等幾個(gè)索引模塊，如圖2所示。

學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：在系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊“IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)”，進(jìn)入IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面

界面包含著本課程全部的實(shí)驗(yàn)操作所需內(nèi)容，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)函數(shù)3個(gè)按鈕，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入圖像處理的實(shí)驗(yàn)界面。具體界面如圖4所示。

圖4 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)包括高通、低通、帶通、帶阻等濾波器的設(shè)計(jì)，IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)界面有：設(shè)計(jì)方法、濾波階數(shù)、頻率參數(shù)、幅值等參數(shù)的設(shè)置。

選擇濾波器的類型，點(diǎn)擊“方法選擇”的下拉菜單可選擇“巴特沃斯”、“平波”。在階數(shù)設(shè)置編輯框可輸入數(shù)值或選擇默認(rèn)階數(shù)，編輯頻率參數(shù)中的采樣頻率、起始頻率、截止頻率。同樣編輯幅值參數(shù)中的起始幅值和截止幅值。一切設(shè)置好之后，點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)濾波器”按鈕，可在左上圖顯示波形圖形。

如：選中“高通”單選框，在IIR選擇下拉菜單中選擇巴特沃斯，設(shè)置濾波階數(shù)、頻率參數(shù)、幅值參數(shù)，一切設(shè)置好之后，點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)濾波器”按鈕可得相應(yīng)圖像，如圖5所示。

圖5 IIR高通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊退出，退出實(shí)驗(yàn)界面。

(2) 《信號(hào)與系統(tǒng)》的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面介紹。本系統(tǒng)主界面包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介、連續(xù)(離散)時(shí)間信號(hào)的實(shí)現(xiàn)、連續(xù)時(shí)間信號(hào)的時(shí)域基本運(yùn)算、正弦余弦的基本運(yùn)算、連續(xù)LTI系統(tǒng)的時(shí)域分析、連續(xù)系統(tǒng)的復(fù)頻域分析等幾個(gè)索引模塊。如：實(shí)驗(yàn)“連續(xù)時(shí)間信號(hào)的時(shí)域基本運(yùn)算”。在該系統(tǒng)界面點(diǎn)擊“連續(xù)時(shí)間信號(hào)的時(shí)域基本運(yùn)算”，進(jìn)入這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面

單擊“開始實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)界面

信號(hào)的基本運(yùn)算包括信號(hào)的相加(減)和相乘(除)。信號(hào)的時(shí)域包括信號(hào)的平移、翻轉(zhuǎn)、倒相以及尺度變換。這里要介紹的信號(hào)處理之所以要強(qiáng)調(diào)“基本運(yùn)算”，是為了與后面將要介紹的信號(hào)的卷積、相關(guān)等復(fù)雜的處理方法相區(qū)別。

界面還設(shè)置有幅值、頻率、改變值的輸入框，可以按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行賦值，然后點(diǎn)擊信號(hào)顯示按鈕，就可以出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，單擊退出，退出實(shí)驗(yàn)。

(3) 《多媒體通信》實(shí)驗(yàn)界面介紹。本系統(tǒng)主界面包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介、2維高斯函數(shù)3D圖、圖像的增強(qiáng)和濾波、圖像的傅里葉變換和邊緣提取、語音的清濁音對(duì)比、語音信號(hào)的時(shí)域分析、語音信號(hào)的線性預(yù)測(cè)(LPC)分析等幾個(gè)索引模塊。如圖9所示。

圖9 多媒體通信主界面

用戶可以按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行操作。如“實(shí)驗(yàn)四 語音的清濁音對(duì)比”。在系統(tǒng)界面點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)4”，可進(jìn)入該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面，如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求和實(shí)驗(yàn)步驟等4個(gè)部分，用戶可以根據(jù)本界面詳細(xì)了解這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所用的知識(shí)，方便的進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)界面。如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)界面

實(shí)驗(yàn)主要研究清音和濁音在短時(shí)能量、短時(shí)平均幅度、平均過零率、短時(shí)自相關(guān)函數(shù)和頻譜的不同。實(shí)驗(yàn)分為清音和濁音兩個(gè)語音信號(hào)，以此來對(duì)比語音的特性，點(diǎn)擊不同的按鈕可以實(shí)現(xiàn)不同的波形顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示清音和濁音的波形差異比較明顯，在相同的時(shí)間間距內(nèi)，濁音的波形呈現(xiàn)出一定的周期性，相反，清音的波形是隨機(jī)呈現(xiàn)的。并且，濁音波形樣點(diǎn)之間的相似性要比清音好得多。

圖12給出了清音濁音的短時(shí)自相關(guān)函數(shù)波形。

實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊退出，退出實(shí)驗(yàn)界面。

圖12 實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面

(4) 《通信原理》的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面介紹。該系統(tǒng)界面包括實(shí)驗(yàn)科目簡(jiǎn)介、模擬線性調(diào)制實(shí)驗(yàn)、量化、眼圖原理及仿真、2ASK(2FSK、2PSK)調(diào)制與解調(diào)等幾個(gè)索引模塊。如圖13所示。

圖13 通信原理主界面

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行操作：在界面點(diǎn)擊“2ASK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)入2ASK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面，具體設(shè)計(jì)如圖14所示。

圖14 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書界面包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)函數(shù)等3個(gè)按鈕，用戶可以根據(jù)本界面詳細(xì)了解這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所用的知識(shí)，方便的進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)界面。如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)界面

實(shí)驗(yàn)完成后，退出實(shí)驗(yàn)界面。

在通信領(lǐng)域內(nèi)，二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)的調(diào)制方式較為簡(jiǎn)單，它類似于模擬信號(hào)中的調(diào)幅，而幅移就是以頻率、相位為常量，把振幅作為變量，通過載波的幅度來傳遞信息比特的過程。在調(diào)制過程中，由于輸入的數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)電平(0或1)，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻或者關(guān)斷，或者接通。也就是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，不傳輸載波。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于Maltab設(shè)計(jì)的通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)地介紹了部分實(shí)驗(yàn)的具體操作方法。該系統(tǒng)力求以工程建模為主導(dǎo)，以學(xué)生為中心，涵蓋多門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，豐富課堂教學(xué)手段，建立立體式的教學(xué)模式，做到虛實(shí)結(jié)合，借助多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)線上線下的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生能夠隨時(shí)隨地完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生的自主研究和知識(shí)的擴(kuò)展起到了不可預(yù)期的效果，激發(fā)了學(xué)生的思考問題、解決問題的興趣，建立良好的科研精神。此外，有效的緩解實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間有限、實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足、設(shè)備不夠等諸多矛盾。