周子楠

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院江寧分院，江蘇 南京 211100）

“通信原理”[1]是通信工程專業(yè)中一門重要的專業(yè)課程，特別是隨著計算機技術(shù)與通信技術(shù)的緊密結(jié)合，該課程越來越顯示出重要性。該課程特點是知識面廣、內(nèi)容多、概念抽象，許多教學(xué)內(nèi)容較為抽象、難以理解，高職校學(xué)生本身與普通本科院校學(xué)生相比，文化基礎(chǔ)較為薄弱，自主學(xué)習(xí)能力也較為欠缺，不僅很難理解教學(xué)內(nèi)容，而且對理論知識該如何應(yīng)用于實踐也是一大難題，進(jìn)而影響了“通信原理”課程的教學(xué)質(zhì)量，不利于后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

高職教育應(yīng)該更加注重對學(xué)生動手能力和實踐能力的培養(yǎng)，如何對“通信原理”課程教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，已成為各大職業(yè)學(xué)校頗為關(guān)注的問題。為此，本文基于虛擬儀器LabView在“通信原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期能為“通信原理”課程，無論是課堂教學(xué)還是實驗教學(xué)水平的進(jìn)一步提高做出一些貢獻(xiàn)。

1 虛擬儀器LabView的特點

所謂虛擬儀器，實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能[2]。在虛擬儀器領(lǐng)域，NI公司的LabView軟件可謂首屈一指。LabView是一種用于虛擬儀器操作的、采用圖形化G語言的軟件編程環(huán)境，更加形象、直觀，廣泛應(yīng)用于測量和控制等工業(yè)領(lǐng)域。圖形化編程是LabView的本質(zhì)，特點是基于通用計算機等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件平臺，內(nèi)置了許多簡化編程復(fù)雜度的功能和函數(shù)，是功能強大且人機界面友好的系統(tǒng)，通過在計算機上用LabView搭建仿真原型，來驗證設(shè)計的合理性，找到潛在的問題，已經(jīng)在國內(nèi)外被工程師和科學(xué)家廣泛采用。

LabView程序主要包括兩部分：前面板（即人機界面）和后面板（即框圖程序）。前面板用于模擬真實儀器的面板操作，可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實現(xiàn)圖表、文本等顯示。后面板使用圖形編程語言編寫，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼，用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。用戶可以把創(chuàng)建的vi程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序。LabView擁有流程圖程序設(shè)計語言的特點，擺脫了傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)的束縛。在編寫方塊圖程序時，只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo)，再以線條相互連接，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

本文主要探討采用虛擬儀器LabView設(shè)計符合教學(xué)需求的通信仿真系統(tǒng)方法，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于“通信原理”教學(xué)的演示或?qū)嶒灜h(huán)節(jié)，生動、形象地顯示抽象的概念和實例，也適合學(xué)生動手操作練習(xí)，實現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做，從而提高教學(xué)水平和質(zhì)量。當(dāng)然，通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計和制作可由教師完成，也可讓學(xué)生在LabView平臺中自行設(shè)計編寫完成，提高學(xué)生的動手實踐能力，增加對通信系統(tǒng)的深入剖析和理解。下面就以信道編碼中的線性分組碼仿真系統(tǒng)設(shè)計為例進(jìn)行分析。

2 LabView仿真系統(tǒng)開發(fā)范例

線性分組碼是指信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系可用一組線性方程來表示的分組碼[3]，其性質(zhì)體現(xiàn)在兩個方面：

（1）任意兩個許用碼組相加后仍為一個許用碼組，即滿足封閉性。

（2）最小碼距等于所有非全零碼組的最小碼重。本文選取較為典型的（7，4）線性分組碼作為教學(xué)實例。

2.1 （7，4）線性分組碼構(gòu)造原理

以（7，4）線性分組碼為例，碼字表示為A=［a6a5a4a3a2a1a0］，其中，前4位是信息元，后3位是監(jiān)督元，設(shè)它們之間用下列線性方程組（監(jiān)督方程）來描述：

若傳輸無錯，則：

若傳輸有錯，則校正子S1，S2，S3不全為0。在只有一位錯碼的條件下，若a0錯，則S1S2S3=001；若a1錯，則S1S2S3=010；若a2錯，則S1S2S3=100；若a3錯，則S1S2S3=011；…；若a6錯，則S1S2S3=111。因此，收端通過計算校正子即可發(fā)現(xiàn)、糾正錯誤。

對于(n,k)碼，有n－k=r個監(jiān)督關(guān)系式，若要指示一位錯碼的n種可能位置，則要求2r－1≥n。取等號時所構(gòu)成的線性分組碼稱為漢明碼，此時，編碼效率最高R＝k/n＝（2r－1－r）/（2r－1）＝1－r/n。

構(gòu)成方法：（1）先列出S1S2S3與錯碼位置的對應(yīng)關(guān)系表。（2）根據(jù)此表列出S1S2S3表達(dá)式。（3）令S1=0，S2=0，S3=0，即求得監(jiān)督碼元的方程，從而求得對應(yīng)的編碼。

2.2 （7，4）線性分組碼仿真系統(tǒng)各子模塊的設(shè)計開發(fā)

（1）（7，4）線性分組碼編碼.vi。實現(xiàn)將輸入的信碼與生成矩陣G相乘，得到的碼字輸出到信道中，實現(xiàn)框架如圖1所示。

圖1 （7，4）線性分組碼編碼.vi框架

（2）（7，4）線性分組碼信道.vi。信道噪聲等使信號經(jīng)信道傳輸后產(chǎn)生錯碼，因此，仿真時將輸入信道中信號的某一位碼字取反，模仿由于噪聲引起的誤判誤碼。用LabView的公式節(jié)點[4]，與C語言的接口用C語言編寫，如圖2所示。

圖2 （7，4）線性分組碼信道.vi框架

（3）（7，4）線性分組碼解碼.vi。圖3功能是判斷信道傳來的碼字是否有錯，如果無錯顯示“無錯”，如果有錯顯示“有錯”并改正。其中，對照碼用C語言實現(xiàn)。

圖3 （7，4）線性分組碼解碼.vi框架

2.3 （7，4）線性分組碼仿真系統(tǒng)的完整設(shè)計開發(fā)

通過調(diào)用連接開發(fā)好的子vi，可以設(shè)計一個完整的（7，4）線性分組碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的前面板和后面板分別如圖4—5所示。

圖4 （7，4）線性分組碼編解碼系統(tǒng)前面板

圖5 （7，4）線性分組碼編解碼系統(tǒng)后面板

在前面板中可以輸入信息碼和監(jiān)督矩陣，經(jīng)過運行后，可以看到編碼和生成矩陣，“輸入產(chǎn)生錯碼的位置”空格中可設(shè)定是否有錯碼（0為不產(chǎn)生錯碼）及錯碼位置，并經(jīng)過信道傳輸后可看到解碼結(jié)果。

在后面板中清晰可讀，采用模塊化子程序設(shè)計，可以看到每一步的詳細(xì)編程實現(xiàn)過程。通過連接調(diào)用被封裝成編碼、信道、解碼等模塊子程序形成完整程序，子程序模塊也可加入通信軟件包，供綜合設(shè)計通信系統(tǒng)調(diào)用。

3 LabView仿真系統(tǒng)實驗實例

3.1 仿真系統(tǒng)實驗實例1

步驟1：在信息碼處輸入二進(jìn)制序列0101，并輸入監(jiān)督矩陣。如圖6—7所示。在窗口欄選擇“操作→運行”，可以得出生成矩陣（見圖8），編碼后得到線性分組碼編碼0101101（見圖9）

圖6 輸入二進(jìn)制序列0101

圖7 輸入監(jiān)督矩陣

圖8 生成矩陣

圖9 線性分組碼編碼0101101

步驟2：假設(shè)傳輸沒有出錯，輸入產(chǎn)生錯碼的位置，如圖10所示。

圖10 輸入產(chǎn)生錯碼的位置

步驟3：經(jīng)過信道傳輸后，得到的解碼后碼字為0101，并顯示出錯位置為0，表示傳輸中沒有出錯，如圖11所示。

圖11 經(jīng)過信道傳輸后得到的解碼后碼字

3.2 仿真系統(tǒng)實驗實例2

步驟1：在信息碼處輸入二進(jìn)制序列0101，輸入監(jiān)督矩陣，如圖12—13所示。在窗口欄選擇“操作→運行”，可以得出生成矩陣（見圖14），編碼后得到線性分組碼編碼0101101（見圖15）

圖12 在信息碼處輸入二進(jìn)制序列0101

圖13 輸入監(jiān)督矩陣

圖14 生成矩陣

圖15 線性分組碼編碼0101101

步驟2：假設(shè)傳輸中第1位產(chǎn)生錯碼，如圖16所示。

圖16 輸入產(chǎn)生錯碼的位置

步驟3：經(jīng)過信道傳輸后，得到的解碼為1101，可觀察到，第一位產(chǎn)生了錯碼，并顯示出錯位置為1，如圖17—18所示。

圖17 產(chǎn)生錯碼

圖18 顯示出錯位置

4 實例應(yīng)用

由于“通信原理”課程具備較強的理論性，如果單純講解理論，效果枯燥且難以接受。在“通信原理”課堂教學(xué)中，教師可以通過仿真系統(tǒng)直觀演示，有助于原理剖析更加生動、形象，在上例中就驗證了信息碼、監(jiān)督矩陣、生成矩陣之間的關(guān)系、校正子如何發(fā)現(xiàn)錯碼，并顯示出錯位置等。根據(jù)教學(xué)需求可以設(shè)計出更多的實驗案例，比如，在上述實例中，可以假設(shè)產(chǎn)生不同位置錯碼，觀察解碼結(jié)果，引發(fā)學(xué)生思考編解碼原理，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。演示完后布置相關(guān)實驗任務(wù)，學(xué)生實操演練，在做中進(jìn)一步思考，加深內(nèi)化重難點的理解、掌握和應(yīng)用。

對于“通信原理”實驗教學(xué)，在以往傳統(tǒng)的“通信原理”實驗中，主要是購買廠商的“通信原理”實驗箱成品，開設(shè)的實驗也以驗證性實驗為主，需要資金和場地投入較大，而學(xué)生動手操作的范圍較少，實驗的可設(shè)計性差，開發(fā)新實驗的空間受到限制，進(jìn)一步引入新技術(shù)更加困難。虛擬儀器正好解決了該問題。在LabView的仿真后面板上，教師和學(xué)生可以根據(jù)需求自行設(shè)計、搭設(shè)仿真線路，從而設(shè)計開發(fā)通信仿真系統(tǒng)，而在前面板上能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行可視化的顯示，還能對實驗過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，以此獲得理想的實驗結(jié)果。仿真程序的設(shè)計實現(xiàn)，將進(jìn)一步、高層次地促進(jìn)學(xué)生對通信系統(tǒng)的深度剖析和創(chuàng)新能力的提升。

5 結(jié)語

總之，虛擬儀器LabView與以往的仿真軟件相比，直觀性更強，系統(tǒng)的設(shè)計過程更形象，參數(shù)可操作范圍更廣，可以解決“通信原理”課程直觀性不足的問題，加深學(xué)生對理論知識的理解，獲得良好的課堂教學(xué)效果；同時，彌補硬件實驗設(shè)施的不足或傳統(tǒng)實驗箱可設(shè)計性差等問題，從而提升實驗教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生運用知識的主動性。本文提出的虛擬儀器技術(shù)LabView在高職“通信原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用，不僅讓學(xué)生更好地掌握“通信原理”課程的基本概念和基本原理，更重要的是在教學(xué)過程中以“學(xué)生為主體”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，提升實踐創(chuàng)新能力，使之成為高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。