虛擬仿真在彩色電視機原理實驗教學中的應用

李欣 王帥群 徐志京

關鍵詞：彩色電視機原理；全電視信號；MATLAB；虛擬儀器；云桌面

0 引言

彩色電視機原理實驗課是一門電子工藝與生產實習范圍內的實踐課程，已經開設多年。課程主要采用模擬彩色電視實驗箱為主要實驗設備。該課程的歷史悠久，實驗內容較為繁雜。近年來，隨著數字電視技術的發展，模擬電視機已經逐漸退出人們的生活和商業應用。可是，從技術發展的角度、課程設置的傳統和連續性來看，其包含的基本原理和模擬技術，如發射接收、調制解調、編解碼等，在許多領域或相關課程仍有應用，因此該課程還需要繼續進行。學生在此課程可以接觸到大量的儀器設備，如掃頻儀、示波器、萬用表等，有助于本科學生動手能力的培養；學生通過對彩色電視信號波形的直觀觀測，能夠較好的理解電磁信號測量相關的基礎知識，直觀地了解信號的發射接收、調制解調和相關硬件，對于通信原理、信號與系統等專業課程的學習有一定的幫助[1-2]。

在該課程的教學過程中，實驗設備的維護占用了大量時間，主要是彩色實驗機實驗箱芯片耐用性較差，接插件在實驗操作中易損。因此，實驗設備的維護每年都是必需的。但是，隨著數字電視的普及和技術的進步，該實驗箱的維修越來越困難，維修成本逐漸提高。因此，我們考慮主要采用虛擬仿真的教學方式，將該課程繼續設置。

本文主要探討在彩色電視機原理實驗課教學設備老化的情況下，利用虛擬仿真技術，通過改進教學方法，設計多種教學模式，幫助學生更好地理解專業知識，提高綜合實驗能力。

1 彩色電視機原理實驗課中存在的問題

彩色電視實驗箱（型號ASTV-1） 如圖1所示，設備所服務的彩色電視機原理實驗課程每學年72個學時，上課學生為兩個專業的四個班級約200人。由于時間年久、實驗箱的設計制造等原因，近幾年來發現其老化嚴重，很多不能正常使用，師生反映問題較多。

每學期上課之前實驗中心會請生產廠家進行維修調試。今年廠家調試后，發現一些接插件難以修復，個別芯片已經停供。在實驗過程中，發現還有30臺實驗箱可以正常使用，但是也多少存在一些問題。在實驗教學過程中，部分實驗箱在開機約1個小時后即不能正常輸出電視信號，重啟也不行。多個實驗箱在使用過程中出現芯片異常發熱，多位同學報告芯片燙手，并伴隨有異味。少數實驗無法正常進行，例如，測量伴音集成電路芯片TA7243P的引腳電壓無法進行，強行測量容易造成短路；實驗測量“聲表面濾波器輸出”僅有兩臺設備可以正常出現波形；實驗“測量S曲線特性”也有多臺設備不能正常輸出目標波形。此外，實驗線纜損壞較多，彩色電視信號源（型號AS305E）今年也有一臺損壞，修復成本較高。

出現這些問題有多方面的原因：一是實驗箱本身硬件設計的問題，電路板芯片都暴露在外面，學生操作時不慎就可能短路損壞；二是年代久遠，目前生產此種模擬電視機實驗箱的廠家已經寥寥，實驗箱元器件損壞較難補充；三是由于實驗測量操作任務繁重，大量學生頻繁操作儀器測量，不僅實驗箱有損耗，各種測量儀器和測量線纜的損壞率也較高。

為了解決這些問題，教師們在調研后認為，根據業界發展的情況，應改進該實驗課程教學方法，采用MATLAB仿真與虛擬儀器技術相結合的方式，解決原有的問題，甚至可以達到更好的教學效果。其主要思路是：在傳統實驗教學的基礎上，實驗內容增加MATLAB 編程仿真和NI 公司的myRIO 虛擬儀器測量，基本實驗可以實現1～2位學生為一個小組進行；基于虛擬儀器技術設計1～2個大型實驗課題，學生選題進行分組實驗，每組最多3～5位學生，虛擬儀器提供接口可以與實驗室現有儀器設備對接；并可以為遠程網絡授課提供軟硬件基礎。

2 基于MATLAB 的彩色全電視信號設計

軟件平臺對彩色全電視信號進行編程仿真。MATLAB 軟件是美國MathWorks 公司出品的數學軟件，在國內高校的教學和科研中的應用最為廣泛[3]。它可以用于算法開發、數據可視化、數據分析、數值計算等，是一種高級計算語言。同時它還包括交互式和可視化的環境。軟件主要由MATLAB和Simulink兩部分組成，基于OpenGL的圖形可視化是它的一個重要特色[4]。學生通過MATLAB程序設計，獲取直觀的圖形圖像輸出，不僅可以深入理解彩色電視機信號的構成，還能提高學生的學習興趣和編程能力。

仿真實驗以常見的電視彩條信號為例。彩色全電視信號圖像如圖2所示，這是在電視機終端直接顯示的；MATLAB編程生成的全電視信號波形如圖3所示，以波形圖和頻譜圖的方式顯示。在圖3中，一個掃描行由行同步脈沖、消隱脈沖、色同步脈沖以及圖像信號波形構成。MATLAB仿真實驗是學生在深入學習彩色電視機原理的基礎上進行編程仿真，可以研究亮度信號與色差信號；色度信號形成：正交平衡調幅；色同步信號；彩色全電視（FBYS） 及波形等內容。基于MATLAB的SIMULINK功能還可以實現更多更復雜的相關實驗。

3 基于虛擬儀器的彩色電視信號測量

虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數據采集系統。通俗來說，就是將儀器“裝入”計算機，以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能[5-6]。對于實驗室的管理來講，虛擬儀器是統一標準的，大大降低了物理儀器設備參數的不確定性，也是是網絡遠程教學的重要基礎。

虛擬儀器技術具有較長的歷史，它是在PC機出現以后發展起來的；隨著計算機技術的發展和人們需求的拓展，虛擬儀器技術近十余年來發展較為迅速。在虛擬儀器領域，采用NI公司生產的軟硬件設備較多，不但實現了儀器級的虛擬仿真，而且逐漸可以用于遠程實驗。NI公司對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統、有效的研究開發至今已經形成了較為完善的工業和教學產品體系。LabVIEW是一種用于虛擬儀器和圖形化編程的軟件環境，編程語言主要是G語言，廣泛應用于工業控制等領域。圖形化編程是Lab?VIEW的主要特點：基于通用計算機等標準軟硬件平臺，內置許多簡化編程復雜度的功能和函數，從而可以實現功能強大且人機界面友好的仿真實驗系統。人們通過在計算機上用LabVIEW搭建仿真原型，來驗證設計的合理性，提高了可復現性，非常的方便和高效。LabVIEW與MATLAB的Simulink的可視化具有異曲同工之處，只是LabVIEW更側重模擬儀器設備的功能和界面效果。配合NI公司的通用硬件，可以實現更為底層的實驗室功能，這比MATLAB在實驗教學方面更進一步。

在高校教學領域，如果使用LabVIEW進行實驗設計，可以達到與硬件實驗基本相同的效果。在硬件條件不具備或者遠程教學的條件下，使學生不致失去實踐的機會。近年來，LabVIEW的功能不斷豐富，應用范圍也在拓展。因此，利用LabVIEW虛擬儀器方法進行高校實驗教學成為可能[7-8]。學校實驗室與北京普源精電公司（Rigol） 合作，采用基于網絡儀器設備和UltraLab軟件的實驗管理解決方案，實現遠程在線實驗教學管理。該軟件易于上手使用，引導性的安裝和啟動界面可使學生更快地熟悉操作，幫助學生學習眾多工程概念，完成設計項目；在線獲取實驗報告數據和儀器使用情況數據；同時，確保實驗過程的安全性，適合用于高校的實驗課教學。

利用NI虛擬儀器軟硬件設備，結合教學大綱和教學的實際情況，進行彩色電視機原理實驗，可以提供豐富的實驗項目，如圖4所示。在實驗過程中，學生可以使用實驗室原有的測量儀器，如掃頻儀、示波器、萬用表等，對虛擬儀器信號輸出接口進行測量，觀察對應的信號圖形。教師可以讓學生學會靈活地使用該實驗平臺，有助于學生充分理解課程當中的一些基本原理和概念，并以此為平臺培養學生的創新能力。在遠程實驗方面，可以構建一個從物理信號到遠程桌面訪問的多通道數據采集系統，通過Web應用技術將數據實時顯示和發布，并可以與客戶端的虛擬儀器無縫銜接。如圖5所示，在此基礎上，學生和教師采用NI虛擬儀器開發更為復雜的電子通信和信號處理方面的教學教具、實驗平臺以及實用設備等，與UltraLab實驗管理方案相結合，實現校園網甚至廣域網的虛擬儀器實驗教學[9-10]。

4 教學管理的改進

在具備了虛擬儀器和MATLAB相結合的彩色電視機原理實驗教學條件之后，我們可以進行網絡遠程實驗授課，解決特殊情況下的部分實驗教學問題。

當前，網絡授課已經成為高校教學的重要組成部分。網絡教學有一些優點。例如，打破了傳統教學在時空上的局限，可以隨時隨地進行；享有豐富的網絡多媒體互動材料，易于拓寬大學生知識面；分享學習經驗、共同探討問題、互相協作變得更加方便，等[11-12]。

但是，對于實驗教學來說，網絡授課尚不能在物理上實現對于實驗設備的操作。對于彩色電視機原理實驗課，我們試圖進行一些初步的嘗試。首先，在實驗室建設了云桌面系統（Cloud Virtual Desktop，CVD） 。通過云桌面技術，將MATLAB軟件和虛擬儀器軟件安裝到云桌面模板虛擬機上。學生在遠程通過瀏覽器或者專用的客戶端軟件，連接指定的云桌面服務器，獲取配置好的虛擬儀器實驗系統。教師通過云桌面管理系統，可以進行遠程授課、遠程桌面監控、教學和考核等。通過虛擬儀器軟件和云桌面的授課，學生可以獲取與實際實驗室授課相同的信息；甚至一些實驗室不具備的儀器，虛擬儀器軟件也可以提供；期望能夠達到該實驗課程要求的教學效果。

在本實驗教學中，學院前期已經建設了虛擬仿真實驗基礎設施，采用基于Xenserver硬件服務器資源的云桌面系統資源分配，針對不同桌面場景，可同時分配的40～80個虛擬桌面供學生客戶端使用。因此，在Xenserver模板虛擬機基礎上，分別基于Windows 10和Ubuntu 18.04配置實驗環境。在實驗室內交換機直連的環境下，可以實現無延遲虛擬桌面實驗；在遠程云桌面環境下，學生客戶端提前緩存數據后，也可以實現實時的實驗操作。遠程網絡實驗課教學的初步實踐，既可以應對當前疫情下實驗教學的不足，也為以后的實驗教學提供一種解決方案。

5 實驗教學效果期望

在實際教學過程中，先讓學生進行MATLAB和虛擬儀器編程實驗，了解要做的實驗內容和預期的實驗結果，然后再進行實驗箱的實操訓練，可以提高實驗效率，減少硬件實驗設備的損耗，避免一些潛在的錯誤。同時，學生通過軟硬件結合的方式，加深了對所學內容的理解，提高了應用能力。

例如，圖6是彩色電視機的集成彩色解碼電路的調試實驗，需要學生用示波器檢測R-Y，B-Y，G-Y三路信號，并通過實驗箱上的可調電位器進行調節，使波形盡量接近理想狀態。但是，由于對于彩色電視機解碼原理的不熟悉，不少學生分不清楚這三路信號，因此耗費大量時間，對示波器和實驗箱都造成較大損耗甚至損壞。在課程進行虛擬仿真改革之后，學生可以通過虛擬儀器軟件預先觀察到所需波形，然后再進行硬件實驗，既培養了編程技術，又提高了實驗效果。

在遠程網絡教學的條件下，教師通過云桌面向學生分發虛擬儀器實驗環境，并進行遠程授課和課堂管理，學生在各自的終端進行實驗，基本可以達到與實際實驗室教學相同的效果。

6 結束語

本文提出的基于MATLAB編程仿真和虛擬儀器技術的彩色電視機原理實驗教學方法，可以彌補硬件實驗設施的不足，提升教學效果的同時又幫助學生進一步理解該課程中的理論問題。MATLAB軟件和NI虛擬儀器軟硬件設備均具有較強的工程實用性，在實驗教學中使其與傳統實驗箱和實驗測量儀器結合應用，可以激發學生的學習興趣，更加有利于學生創新實踐能力的培養。