【摘要】為了避免學(xué)生受到傳統(tǒng)實驗教學(xué)局限于固定地點、固定時間的限制，開發(fā)一基于LabVIEW軟件的通信原理實驗教學(xué)平臺，首先對平臺的構(gòu)架和設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)描述，然后以FM系統(tǒng)的仿真為例介紹實驗平臺在通信原理課程中的具體應(yīng)用以及在遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；通信原理；虛擬實驗；遠(yuǎn)程教育

1.引言

《通信原理》課程是我校通信工程專業(yè)、電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生對本門課程的掌握程度直接影響到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。在實際教學(xué)中認(rèn)識到由于其理論性比較強(qiáng)，學(xué)生容易產(chǎn)生厭煩心理。因此，需要大量相關(guān)的實驗操作實現(xiàn)對理論知識進(jìn)行理解、消化。實際的通信系統(tǒng)實驗又很難都在實驗室中完成，通過進(jìn)行虛擬實驗平臺的建設(shè)可以很好的解決這樣的問題。虛擬實驗除了具有在時間上和空間上的應(yīng)用都非常靈活的特點，還可以減少實驗室中實驗設(shè)備的損壞維修費(fèi)用?，F(xiàn)已被越來越多的高等院校校所認(rèn)可，并逐步實現(xiàn)采用虛擬實驗室對傳統(tǒng)的實驗室進(jìn)行補(bǔ)充和替代[1-3]。

2.通信原理虛擬實驗平臺總體結(jié)構(gòu)

建設(shè)通信原理虛擬實驗室平臺的目標(biāo)就是在結(jié)合理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造適合本校學(xué)生學(xué)習(xí)、運(yùn)用及研究該課程的實驗環(huán)境[4]。為了盡可能多的包括通信原理課程的實驗，該平臺設(shè)計了幾乎涵蓋了通信原理課程的所有重點理論內(nèi)容。實驗平臺設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.通信原理虛擬實驗平臺設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 設(shè)計目標(biāo)

通信原理虛擬實驗整體平臺設(shè)計不能太復(fù)雜，以免使得學(xué)生望而生畏，應(yīng)能較好的運(yùn)用虛實結(jié)合的特點，給出參考范例，學(xué)生可以自行搭建設(shè)計。

具體的設(shè)計目標(biāo)如下：努力使系統(tǒng)的內(nèi)容將通信原理課程大多數(shù)實驗內(nèi)容都包含進(jìn)去。整個實驗平臺應(yīng)該保證每個子模塊是相對獨立的，以便進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)展；系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的健壯性，提供的實驗環(huán)境應(yīng)該是非常穩(wěn)定的，避免由于學(xué)生的不正確操作而出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的情況；系統(tǒng)的用戶界面要比較友好，具有較好的交互性，包含完整的幫助文檔，操作簡單，能夠及時響應(yīng)操作。

3.2 設(shè)計實例

LabVIEW程序主要包括前面板和方框圖程序兩部分。前者主要是模擬真實儀器的面板操作，可進(jìn)行輸入數(shù)值設(shè)置、文本顯示等操作。方框圖程序主要是應(yīng)用圖形編程語言進(jìn)行編寫，類似于傳統(tǒng)程序（如C語言）的源代碼，可以傳送前面板輸入的命令參數(shù)到具體儀器，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。LabVIEW的特點之一就是流程圖程序設(shè)計語言，這與傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)不同。下面以實驗平臺中模擬通信系統(tǒng)的非線性調(diào)制的仿真平臺為例進(jìn)行敘述。頻率調(diào)制（FM）是一種載波頻率隨基帶信號的變化而改變的一種調(diào)制方式，是參考教材第五章第三節(jié)的內(nèi)容[5]。虛擬實驗平臺的進(jìn)入界面如圖2所示。

點擊入口按鈕后進(jìn)入實驗系統(tǒng)選擇模塊，如圖3所示。選擇模擬通信系統(tǒng)→非線性調(diào)制進(jìn)入非線性調(diào)制（FM）實驗平臺，對應(yīng)的前面板及程序框圖如圖4、圖5所示。

在給學(xué)生頻率調(diào)制實驗的講解時，需要從更實用的角度進(jìn)行介紹，應(yīng)該考察載波頻率和FM偏移對于調(diào)制所得的FM信號產(chǎn)生的影響。

在這里需要對基帶頻率、載波頻率和FM偏移三個基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。基帶頻率可以調(diào)整信息信號的頻率。

載波頻率則是用來傳輸信息信號的頻率。而FM偏移則確定了載波信號和調(diào)制信號的最大瞬時頻率差。首先對基帶頻率進(jìn)行調(diào)整，觀察由此對FM調(diào)制波形圖所產(chǎn)生的影響。然后改變載波頻率，觀察對FM調(diào)制信號的影響，頻率偏移可以自動進(jìn)行調(diào)整，以免超過載波頻率。載波頻率等于基帶頻率情況下的波形圖如圖6所示。由于這些頻率是完全一致的，因此FM調(diào)制信號不再是純粹的正弦信號。

從圖6中可以看出，調(diào)制后的信號已經(jīng)不能清晰地表示基帶信號。在理想情況下，載波頻率應(yīng)該遠(yuǎn)高于基帶信號的頻率。在圖7中，能看到載波頻率提升之后的結(jié)果。這里每個頻率的整周期信號都已經(jīng)被表示出來了。

下面考察調(diào)制指數(shù)對與FM信號的影響。將載波頻率調(diào)整到最大值1MHz。注意到FM偏移的最大值已經(jīng)自動調(diào)整為500kHz。然后拖動滑動條將FM偏移設(shè)定為1MHz，并觀察結(jié)果。所得到的時域信號的頻率波動非常明顯。如圖8所示，基帶信號的最低電平是由0Hz頻率所表示的，而基帶信號的最高電平則是由2MHz頻率所表示。

較大的FM偏移值從視覺上而言比較直觀，而較小的FM偏移值則不然。為了證明這點，把FM偏移值設(shè)定為200kHz，在這種情況下，基帶信號的不同電平將由800kHz至1.2MHz的頻率表示。調(diào)制后的時域波形如圖9所示。此時，頻率偏移的變化在時域上不再那么明顯。但是，這種影響對于通信系統(tǒng)而言則是至關(guān)重要的。理想情況下，一個通信系統(tǒng)應(yīng)該采用最大的頻率偏移，以便更精確地表示基帶信號，但增加頻率偏移的代價則是提高信號發(fā)生的功率以及所占用的頻帶寬度。

可以通過點擊“頻域”標(biāo)簽，觀察調(diào)制后信號的FFT功率譜。同時逐漸調(diào)整頻率偏移變量，觀察對信道寬度的影響。注意到頻率偏移較高的情況下，信道將占據(jù)較寬的頻帶。圖10中是一個載波頻率為1MHz，頻率偏移為500kHz的FM信號。可以從圖10中看出，調(diào)制信號占據(jù)了超過1MHz的帶寬。

實踐證明通過這樣的講解，學(xué)生可以很輕松的掌握頻率調(diào)制的原理，收到了實驗輔助理論教學(xué)的作用。

4.虛擬實驗室在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用

LABVIEW還具有非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能[6-7]，本實驗平臺利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)，將實驗平臺放在實驗室服務(wù)器中，遠(yuǎn)程客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器進(jìn)行虛擬實驗。實現(xiàn)了學(xué)生在宿舍也可以進(jìn)行實驗的目的。LabVIEW中集成了Remote panel技術(shù)，在實驗室的服務(wù)器程序設(shè)計完成之后，可以通過LabVIEW程序中的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工具將程序嵌入到HTML文件中，然后通過LabVIEW提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向網(wǎng)上進(jìn)行發(fā)布，可以實現(xiàn)瀏覽器訪問.此時，當(dāng)用戶在瀏覽器環(huán)境下鍵入產(chǎn)生的HTML文件網(wǎng)絡(luò)路徑后便可在自己的PC機(jī)上使用Web上的虛擬儀器進(jìn)行通信原理的相關(guān)實驗了。

5.結(jié)束語

通信原理虛擬實驗平臺涵蓋了通信原理課程中的主要內(nèi)容，提供了所有仿真實驗的源代碼，學(xué)生可以自己進(jìn)行程序的修改，可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對通信原理課程的學(xué)習(xí)興趣。一方面可以彌補(bǔ)實驗箱覆蓋面有限的問題，另一方面又可以加深學(xué)生對通信原理理論的理解。使學(xué)生從被動應(yīng)付實驗變?yōu)橹鲃釉O(shè)計實驗，使學(xué)生脫離了固定實驗室時間和地點的限制，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性。

參考文獻(xiàn)

[1]魏蕓.基于《微機(jī)原理與接口技術(shù)》的虛擬實驗研究[J].自動化與儀器儀表，2013（2）：32-33.

[2]楊勇，楊艷麗，羅海燕.基于LabView信號的處理網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計方法[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，40（5）：627-629.

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[4]劉亞榮，謝曉蘭，楊曉斐，等.通信原理虛擬實驗平臺開發(fā)[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2013，33（2）：345-348.

[5]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2006.

[6]劉君華.基于LABVIEW的虛擬儀器設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[7]豈興明.LabView 8.2虛擬儀器設(shè)計入門和開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

作者簡介：

唐萬偉，碩士，唐山學(xué)院講師。

高雅深，大學(xué)本科，副教授，唐山學(xué)院主任。

王金紅，碩士，唐山學(xué)院講師。