基于互聯網+通信虛擬仿真實驗平臺的設計

王 芳

（東北電力大學 電氣工程學院， 吉林 吉林 132012）

0 引言

通信原理是通信類的核心課程之一,同時它也是理論和實踐相結合很強的一門專業課。

通信原理實驗是本課程的重要教學環節,它不僅能幫助學生理解理論教學中的抽象概念,還能培養學生的創造性思維和實踐能力。 隨著實用型人才需求量的不斷擴大,實踐環節變得愈發重要。 傳統的通信實驗課是在固定的實驗室,由老師講解實驗內容和要求,依托現有的實驗設備,學生自行完成操作。 這也是全國普遍的實驗課教學模式。 學生對于這種教學模式普遍積極性不高,學習興趣低。 另外,實驗課也會受時間、場地、設備更新速度等這些因素的影響而難以達到預期的效果。 特別是在疫情的影響下,實驗教學能否正常進行成了一個棘手的問題。 相較于線下實驗教學,線上網絡教育更具優勢。 網絡教育也因此得到了越來越多的家長和老師的關注。

遠程虛擬仿真實驗平臺是基于移動互聯網技術而開發構建的。 近幾年因其投入成本低、升級靈活等特點,在各大高校的線上教學中得到了長期從事實踐教學的專家和科研人員的重視。 這種新的實驗技術手段主要借助于互聯網技術,學生們可以在智能手機、平板計算機、移動電腦等終端設備遠程登錄,利用模擬手段來完成相應的實驗。 本文主要是針對通信虛擬仿真實驗平臺的網頁設計和“互聯網+”的控制系統虛擬實驗平臺的設計。 這種實驗教學模式促使學生獨立完成實驗內容,有助于學生能夠更好地理解課本中的理論知識,鍛煉了學生自主開發創新能力,真正體現了虛擬儀器技術“軟件就是儀器”“一臺計算機就是一個虛擬電子實驗平臺”的特殊優勢。 本設計創新了實驗教學思想,即把理論知識與Matlab 仿真軟件結合起來,實現遠程操作的教學目的［1］。

1 虛擬仿真實驗平臺的整體設計方案

1.1 實驗平臺的整體框架

通信虛擬仿真實驗平臺主要包含網頁設計和仿真實驗設計兩大部分。 網頁設計: 主要基于DREAMWEAVER CS6 的搭建,研究了基于Web 的網絡化實驗系統的結構,用高性能網頁設計軟件搭建通信實驗系統的框架。 首先本設計構建實驗平臺登錄頁面,通過該登錄頁面完成登錄。 用戶點擊首頁能夠了解通信原理的課程時間、實驗內容和指導教師等,而點擊學習頁面就可以進行理論課程的視頻學習。 實驗仿真設計:用戶點擊實驗按鈕,進入虛擬實驗環節,通過網頁內視頻鏈接可以觀看完整實驗原理,啟動相應的實驗模塊,利用Matlab 與Simulink 等軟件的強大功能,完成各個實驗項目的建模和仿真。 在本實驗平臺上,用戶可以完成多個實驗項目,也可以實時查看實驗任務,并能夠進行二次開發［2］。 平臺的整體框架如圖1 所示。

圖1 系統總體設計

1.2 虛擬仿真實驗系統總體設計

本虛擬仿真平臺是基于“互聯網+”技術、通信工程技術,開發一個可以完成基本通信實驗任務的虛擬實驗平臺,而虛擬實驗仿真系統則是整個虛擬實驗平臺最重要的部分。 其中實驗模塊的主要功能包含在線實驗操作視頻、線上虛擬實驗、在線拓展實驗,平臺的一些輔助功能也能為在線虛擬仿真實驗提供依據。 在線通信實驗系統總體3 個模塊系統如圖2 所示,各個模塊的功能描述如下。

圖2 實驗系統結構

2 基于Simulink 通信原理虛擬仿真實驗平臺的設計

Simulink Visual Simulation Tools 軟件能夠在高度直觀的框圖中對虛擬通信仿真實驗系統進行高精度的可視化建模,并以“實時”和“動畫”這兩種方式將所需要的結果顯示了出來,并且在此軟件中能清楚直觀地看出虛擬通信實驗模型仿真之后的相關結果。 Simulink為用戶提供了兩種直接開發模塊的解決方式:(1）直接利用現有的開發模塊搭建一個子系統,實現多層次開發模塊。 (2）編寫一個系統管理函數用來開發所需要模塊。 數字帶通傳輸信號的二進制最基本的傳輸方式就是2ASK、2FSK、2PSK,本文將以此為例進行深入研究與仿真。

2.1 實驗平臺的網頁設計

Dreamweaver 是當代最火爆的網站構建軟件之一,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、動畫設計以及其他網頁設計需求融合在一起［3］。 同時,CS6 的操作非常便捷,用戶可以直接將有關文件移到網頁上以完成展示工作。 利用Dreamweaver CS6 的設計工具,本設計主要設計了網頁的主要模塊。

2.1.1 登錄模塊

根據老師所給的賬號及密碼完成登錄,學生輸入網址進入虛擬通信實驗網站,可以選擇記住密碼、忘記密碼、新用戶注冊等選項。 如果輸入的賬號或密碼任何一項存在錯誤,系統便會彈出“賬號或密碼錯誤,請重試”的對話框。 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,首頁右上角會顯示學生用戶。 首頁主要介紹課程目標、開課時間、學時安排、指導老師等課程基本信息。 在此模塊中,學生點擊學習就能夠了解本課程的理論知識以及相關的教學視頻等。

2.1.3 學習模塊

本模塊介紹了實驗的原理和實驗基本內容,并對該部分進行代碼編譯,導出實驗內容。 學生通過界面,點擊“數字通信原理”以及“模擬通信原理”就可直接進入仿真實驗界面進行相關仿真實驗。 此外,本系統還設計了確知信號、隨機信號、模擬調制等實驗內容。

2.2 虛擬仿真實驗的設計

仿真實驗是網頁設計的重要部分,也是本網站的核心。 學生可以通過學習相關的實驗教學視頻以及基本框圖來熟悉仿真步驟進行仿真實驗。 振幅鍵控利用載波的幅度變化來傳遞數字信息,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,分別對應二進制信息“0”或“1”,即利用數字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續的載波,使載波時斷時續地輸出。 當數字基帶信號為二進制時,則為二進制振幅鍵控。 這里以2ASK 為例進行仿真,輸出結果如圖5—6 所示。

圖5 2ASK 的 Simuilink 仿真

圖6 2ASK 仿真結果

3 結語

本文利用“互聯網+”進行通信虛擬仿真實驗平臺的設計,實現了遠端實驗操作。 一方面,它可以將課本上理論知識、重要原理通過網頁的形式展示出來,不影響老師的教學進度以及學生們的學習進程；另一方面,學生必須自學一些相關的軟件知識才能根據老師提出的實驗要求,通過利用Matlab 軟件中的Simulink 仿真模塊進行建模,完成遠端實驗操作。 “互聯網+”通信虛擬仿真實驗平臺既激發了同學們自主學習的能力,也為通信實驗課的教學手段提供了新的發展方向。