霍曉磊，康 霞，張 弛，梁 偉

通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍曉磊1，康 霞2，張 弛1，梁 偉1

（1.軍械工程學(xué)院 信息工程系，石家莊 050003；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息工程學(xué)院，石家莊 050031）

當(dāng)前的通信原理實(shí)驗(yàn)多為紙質(zhì)版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，需要學(xué)員將實(shí)驗(yàn)結(jié)果、信號(hào)波形進(jìn)行徒手繪制，效率不高；且紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告還不便于檔案的保存和管理。從提高實(shí)驗(yàn)課堂效率和檔案記錄的數(shù)字化存貯、管理角度出發(fā)，開發(fā)了通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。教學(xué)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能滿足實(shí)驗(yàn)報(bào)告計(jì)算機(jī)存貯、管理的功能，但有待進(jìn)一步完善。

通信原理；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；數(shù)字化存貯；設(shè)計(jì)

1 背景

在當(dāng)今高度信息化的社會(huì)，信息和通信已成為現(xiàn)代社會(huì)的命脈。信息這種資源，只有通過(guò)傳播與交流，才能產(chǎn)生利用價(jià)值。而通信作為傳輸信息的手段或方式，與傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相互融合，成為21世紀(jì)國(guó)際社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大推力。

在高等教育中，《通信原理》課程業(yè)已成為眾多學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。為提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)員實(shí)踐動(dòng)手能力，大部分高校的《通信原理》課程都增加了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以彌補(bǔ)純理論教學(xué)的一些固有缺陷，使學(xué)員對(duì)通信系統(tǒng)、信號(hào)產(chǎn)生直觀印象。目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所使用的通信原理實(shí)訓(xùn)平臺(tái)絕大部分為分離電路式設(shè)計(jì)，采用導(dǎo)線級(jí)聯(lián)方式來(lái)模擬不同類型通信系統(tǒng)的工作。由于此類實(shí)訓(xùn)平臺(tái)一般沒(méi)有與計(jì)算機(jī)通信的功能，因此，授課模式一般為老師布置實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)員參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，并以紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為衡量學(xué)員實(shí)驗(yàn)成績(jī)的依據(jù)。

但是從較長(zhǎng)一段時(shí)間的授課效果來(lái)看，當(dāng)前這種授課模式主要存在以下三方面問(wèn)題：

1）對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所應(yīng)用電路的實(shí)現(xiàn)方法，尤其是各IC芯片的具體應(yīng)用方法描述不清。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書受篇幅所限，對(duì)使用芯片的描述往往不是很詳細(xì)。因此，學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有了深入學(xué)習(xí)的思路，往往不能立刻求證，還需要課下查閱相關(guān)資料，給學(xué)員的相關(guān)拓展學(xué)習(xí)帶來(lái)不便。

2）學(xué)員搭建好通信系統(tǒng)，生成了各種信號(hào)，但從示波器屏幕上所觀察得到的實(shí)驗(yàn)波形還需要手工繪制在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，會(huì)浪費(fèi)很多寶貴時(shí)間。這往往會(huì)妨礙學(xué)員更多地對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考和總結(jié)。

3）由于每年受訓(xùn)學(xué)員人數(shù)眾多，采用紙質(zhì)報(bào)告既浪費(fèi)紙張，對(duì)這些報(bào)告的存檔、管理又要占用很多人力和物力，而且對(duì)歷史檔案的查詢和管理也極其不方便。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合《通信原理》課程標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)組開發(fā)出一套通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行通信原理實(shí)驗(yàn)，有以下特點(diǎn)：（1）相關(guān)配套資料翔實(shí)、豐富，能完全取代實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；（2）實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)的數(shù)字化，能節(jié)省學(xué)員大部分寶貴時(shí)間；（3）對(duì)歷史文檔的存儲(chǔ)、查詢和管理全部計(jì)算機(jī)化，能節(jié)省大量人力和物力。

該系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境：WindowsXP，Lab-VIEW7.1 Professional，Device Driver7.1，Report Generation Toolkit，Database Connectivity Toolkit，Tekscope Device Driver。其中，前三項(xiàng)為編程的基礎(chǔ)環(huán)境；第四、五項(xiàng)為數(shù)據(jù)庫(kù)操作和報(bào)表生成的工具包；最后一項(xiàng)為外接示波器的儀器驅(qū)動(dòng)。硬件設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、TLS－T301通信原理實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和Tek3052B示波器。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由四個(gè)子功能模塊構(gòu)成：學(xué)員信息登錄模塊、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和記錄查詢管理模塊。

2.1 學(xué)員信息登錄模塊

學(xué)員信息登錄模塊是一種權(quán)限設(shè)定，每次上課的學(xué)員名單可提前錄入系統(tǒng)目錄下的Acess數(shù)據(jù)庫(kù)中，學(xué)員登錄時(shí)輸入的學(xué)號(hào)、姓名、隊(duì)別等信息通過(guò)與提前錄入的學(xué)員信息進(jìn)行比對(duì)，只有相關(guān)輸入都吻合時(shí)，才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。同時(shí)，學(xué)員信息及上機(jī)時(shí)間等關(guān)鍵要素也要錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，為檔案的存儲(chǔ)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定、管理提供相應(yīng)的操作參數(shù)。進(jìn)入系統(tǒng)后，主界面如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面

2.2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

在主界面輸入學(xué)員信息并點(diǎn)擊確定后，就可進(jìn)入下一個(gè)界面進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇，界面如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)選擇界面

圖3 具體實(shí)驗(yàn)操作界面

結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共開設(shè)了HDB3編譯碼、FSK調(diào)制解調(diào)、PSK調(diào)制解調(diào)、PCM脈沖編碼調(diào)制、DM增量調(diào)制、電話系統(tǒng)傳輸?shù)攘鶄€(gè)典型實(shí)驗(yàn)［1］。例如，選擇（FSK）調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)后，就可進(jìn)入到具體實(shí)驗(yàn)操作界面，如圖3所示。每個(gè)實(shí)驗(yàn)科目包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理圖、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及見(jiàn)解等四項(xiàng)主要內(nèi)容。其中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮韴D的內(nèi)容以文本和圖片為主，給實(shí)驗(yàn)學(xué)員提供操作參考指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)原理圖中將本實(shí)驗(yàn)的電路原理圖以圖片形式給出，學(xué)員可參考給出的原理圖，進(jìn)而對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析。在實(shí)驗(yàn)原理圖中可以直接點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)電路中的芯片，去調(diào)用更豐富、翔實(shí)的PDF資料，以消除學(xué)員學(xué)習(xí)過(guò)程中知識(shí)的“死角”，界面如圖4所示。

圖4 原理圖中調(diào)用pdf資料

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列出了學(xué)員需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察的關(guān)鍵電信號(hào)的波形。每部實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的示波器都要通過(guò)網(wǎng)線連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)口上，并配置為虛擬儀器。當(dāng)學(xué)員最終在示波器上調(diào)整好需要觀察的信號(hào)后，單擊波形圖左邊的“獲取”按鈕，此時(shí)示波器上所采集的信號(hào)波形、示波器設(shè)置參數(shù)等數(shù)據(jù)由網(wǎng)線傳遞回計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，并顯示在右側(cè)的波形圖中［2－3］。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論及見(jiàn)解包括本實(shí)驗(yàn)的思考題和結(jié)論見(jiàn)解。思考題為一些需要學(xué)員通過(guò)進(jìn)一步調(diào)節(jié)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)才能得到驗(yàn)證的結(jié)果，目的是為了強(qiáng)化學(xué)員對(duì)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)物理意義的理解。實(shí)驗(yàn)結(jié)論見(jiàn)解則是學(xué)員通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)課所得到的結(jié)論總結(jié)以及對(duì)本次實(shí)驗(yàn)課的一些建議和看法。其作用一是鼓勵(lì)學(xué)員通過(guò)總結(jié)進(jìn)一步深化對(duì)原理的認(rèn)識(shí)，二是通過(guò)匯總學(xué)員建議看法以方便對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)化設(shè)置。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊主要用于記錄學(xué)員登錄信息、所做實(shí)驗(yàn)的名稱、實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的波形、思考題答案以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論見(jiàn)解等內(nèi)容。數(shù)據(jù)形式涵蓋了文字、數(shù)字、圖表、波形等多種形式。為了簡(jiǎn)化編程工作，系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)庫(kù)工具包，該工具包將一些基礎(chǔ)函數(shù)命令進(jìn)行了二次封裝，簡(jiǎn)化了上層函數(shù)調(diào)用，方便了用戶的編程處理。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的另外一個(gè)重要功能就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯總生成電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教員據(jù)此可掌握學(xué)員實(shí)驗(yàn)完成情況，管理和查看實(shí)驗(yàn)成績(jī)，并以此為依據(jù)對(duì)課程的安排做出一定的調(diào)整，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。而在實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成過(guò)程中，對(duì)于文字、數(shù)字等數(shù)據(jù)的處理相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)難點(diǎn)是如何把實(shí)驗(yàn)界面中的波形也匯總生成到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。因?yàn)?，這部分圖形數(shù)據(jù)是學(xué)員實(shí)驗(yàn)的重要結(jié)論，在某種程度上直接關(guān)系到學(xué)員實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定，必須要在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中反應(yīng)出來(lái)。經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，最終利用報(bào)表工具包中的Append Front Panel Image to Report函數(shù)實(shí)現(xiàn)了此功能［4］。

圖5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告示意截圖

至此，系統(tǒng)能夠生成圖文并茂的實(shí)驗(yàn)報(bào)告Word文檔，實(shí)驗(yàn)報(bào)告截圖如圖5所示。內(nèi)容基本涵蓋了紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的全部要素，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)字化存貯和管理。

2.4 記錄查詢管理模塊

系統(tǒng)記錄查詢管理模塊主要是為了方便歷史記錄的查詢和維護(hù)。教師可分別根據(jù)學(xué)號(hào)、學(xué)員姓名、實(shí)驗(yàn)名稱來(lái)對(duì)歷史記錄進(jìn)行查詢。找到對(duì)應(yīng)記錄后可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成、打印等相關(guān)操作。具體操作界面如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)記錄查詢和管理界面

3 結(jié)束語(yǔ)

通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的試用，能夠滿足實(shí)驗(yàn)報(bào)告計(jì)算機(jī)存貯、管理的基本功能。但是在使用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，比如實(shí)驗(yàn)操作界面交互性還不夠人性化，歷史檔案查詢管理功能還有待進(jìn)一步開發(fā)完善，以及后續(xù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立等［5］，還有待后續(xù)工作的更正和完善。在此，只是想起到拋磚引玉的作用，希望更多的人來(lái)關(guān)注和參與教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和完善工作，以期更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。

［1］樊昌信.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［2］阮奇楨.我和LabVIEW：一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［3］Travis J，Kring J.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程［M］.3版.喬瑞萍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］程曦.LabVIEW中復(fù)雜報(bào)表生成技術(shù)及應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（3）：41～43.

［5］劉翔.基于虛擬平臺(tái)通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18（2）：33～35.

Design and Implementation of Communication Principle Experiment System

HUO Xiaolei，KANG Xia，ZHANG Chi，LIANGWei
（1.Deptartment of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.School of Information Engineering，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China）

The current communication principle experiments are often how to print reports，which require students freehand drawing by using the experiment and the signalwaveform.Thus，the efficiency is not high.In addition，the test report of soft copy is not easy to archive preservation and manage.Therefore，from improving the efficiency of the experimental class and the records of digital storage，management，communication principle experiment system is developed.Teaching practice proved that the system canmeet the functions of storing and managing experiment report.But，it also need to be improved.

communication principle；the experimental system；digital storage；design

G434；TN911

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.044

2013－08－22；修改日期：2013－09－17

霍曉磊（1980－），男，碩士，講師，研究方向：通信裝備性能測(cè)試、故障診斷。