基于通信原理的遠程課堂教輔系統(tǒng)設(shè)計

李明媚，董麗元，趙 寧，陳國虎

（天津仁愛學院，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、模擬電子線路、信息論、信號與系統(tǒng)等，是“通信原理”中公式推導和系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)；其基礎(chǔ)理論為后續(xù)專業(yè)課程，如移動通信、數(shù)據(jù)通信等做好教學銜接。同時“通信原理”是眾多院校電子信息類專業(yè)的考研課程，而針對此類理論性強、抽象度高的課程，用傳統(tǒng)的教學方式講授，學生在理解上存在一定困難，因此，很多院校通過建設(shè)虛擬仿真實驗平臺讓學生深入理解通信實驗中對信號的處理過程[1-4]。

從我院的教學情況看，增設(shè)仿真實驗練習不足以調(diào)動學生的積極性，還需從課堂入手。本著強化基礎(chǔ)、注重理解的原則，引入動態(tài)化演示系統(tǒng)對理論進行驗證的課堂教學方式，其既能將理論具象化，幫助學生當堂理解教學內(nèi)容，又能提升學生的學習興趣，激發(fā)學生的學習主動性。因此，我院通信原理教研組依據(jù)模擬調(diào)制系統(tǒng)的課堂教學思路，充分利用LabVIEW 的圖形化、可視化編程特點[3-4]，開發(fā)線上、線下授課均可遠程使用的教學輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)高效的課堂教學。

1 模擬調(diào)制系統(tǒng)授課思路

模擬調(diào)制系統(tǒng)的教學內(nèi)容主要由幅度調(diào)制、角度調(diào)制和頻分復用構(gòu)成[5]，教學思路如圖1 所示。課堂教學輔助系統(tǒng)按照圖1 實線內(nèi)容設(shè)計，設(shè)計要求及解決方案見表1 所列。

2 模擬調(diào)制課堂教學輔助系統(tǒng)組成

模擬調(diào)制課堂教學輔助系統(tǒng)的設(shè)計框架如圖2 所示。其由調(diào)制信號、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，通過模塊的有機組合分別搭建幅度調(diào)制、角度調(diào)制和頻分復用系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

2.1 調(diào)制信號模塊

本系統(tǒng)的調(diào)制信號m(t)由振幅、初始相位、頻率大小均隨機選取的多個余弦信號疊加得到。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，影響余弦信號的數(shù)目和各余弦信號三參數(shù)的取值范圍，從而生成隨機信號。為方便學生觀察，也可生成單音信號，即單頻余弦信號，作為調(diào)制信號使用。

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

2.2 高頻載波模塊

選取高頻余弦信號作為高頻載波，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）信號可由DSB 信號通過上/下邊帶（殘留邊帶）濾波器濾波得到，因此，在設(shè)計時要根據(jù)原理框圖中選定的邊帶類型進行濾波器的切換。

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。根據(jù)授課需求，幅度調(diào)制和角度調(diào)制的重點是調(diào)制和相干解調(diào)原理，在該設(shè)計中，將通信環(huán)境設(shè)定為無噪、無損耗且無時延環(huán)境，BPF/LPF 參數(shù)由系統(tǒng)類型、調(diào)制信號和高頻載波的參數(shù)決定，無需單獨設(shè)置；FDM 是基于幅度或角度調(diào)制的信號多路復用系統(tǒng)，重點在于復用和解復用原理，選用SSB 信號作為復用信號，用參數(shù)可調(diào)的BPF 提取多路復用信號。

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)計除了能驗證復用和解復用原理，還要盡可能接近實際，因此設(shè)計了高斯白噪聲模塊以影響信號的質(zhì)量。

2.6 微/積分處理模塊

LabVIEW 擁有豐富的數(shù)學運算子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 來實現(xiàn)。

3 模擬調(diào)制課堂教學輔助系統(tǒng)界面

模擬調(diào)制課堂教學輔助系統(tǒng)界面分為1 個主界面和6 個子界面。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 引擎即可實現(xiàn)遠程VI 面板的訪問與控制[9]，效果如圖4 所示。點擊主界面中的各系統(tǒng)按鍵，進入相應(yīng)子界面，每個子界面都劃分為參數(shù)設(shè)置區(qū)、原理框圖區(qū)和信號時頻顯示區(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、高頻載波的參數(shù)基礎(chǔ)上，添加了復用路數(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，在每個處理環(huán)節(jié)做了編號。信號時頻顯示區(qū)分為2 路復用時頻顯示區(qū)和信號提取仿真實驗區(qū)。2 路復用時頻顯示區(qū)設(shè)置了與原理框圖對應(yīng)的編號按鍵，實現(xiàn)按步處理和顯示功能；信號提取仿真實驗區(qū)顯示了多路復用信號和解復用信號的時、頻域變化情況，同時設(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)下的信號提取和恢復情況，驗證解復用原理。

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)界面和運行效果

4 遠程訪問和控制實現(xiàn)

基于LabVIEW 開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)可通過多種方法實現(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)計要求，可借助服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。考慮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，結(jié)合LabVIEW 的Web 發(fā)布功能，實現(xiàn)師生對系統(tǒng)的遠程訪問和控制。網(wǎng)絡(luò)通信方式見表2所列。

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

5 結(jié) 語

文中設(shè)計的模擬調(diào)制課堂教學輔助系統(tǒng)顯示了各環(huán)節(jié)的信號時、頻變化，達到了驗證調(diào)制、解調(diào)、復用和解復用原理的目的；基于LabVIEW 的模塊化設(shè)計能夠靈活且快速地實現(xiàn)通信系統(tǒng)搭建，直觀、動態(tài)且具象地顯示，方便學生觀察、對比和分析，而參數(shù)可調(diào)的設(shè)計利于增加學生的參與度，激發(fā)學生的學習興趣；可遠程控制的教輔系統(tǒng)的引入，不僅能活躍課堂氣氛、提升教學質(zhì)量，還能在一定程度上為學生課下的知識鞏固和后續(xù)的課內(nèi)實驗打下基礎(chǔ)，方便學生思考和理解實驗現(xiàn)象；同時，鼓勵教師在現(xiàn)有條件下創(chuàng)新性地開展教輔系統(tǒng)設(shè)計，達到教學相長的目的。

注：本文通訊作者為董麗元。