史洪瑋,朱 琳,許崇彩,黃 駿
(1.宿遷學(xué)院 信息工程學(xué)院,江蘇 宿遷 223800;2.宿遷學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,江蘇 宿遷 223800;3.宿遷澤達職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 宿遷 223800)
通信原理涵蓋的知識點包括消息、信息與信號的概念、通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式、通信系統(tǒng)的指標、調(diào)制與解調(diào)、信源編碼、差錯控制編碼、同步和信道復(fù)用等,是一門兼顧理論性與實踐性的重要專業(yè)必修課。傳統(tǒng)的通信原理實驗教學(xué)長期以單一的線下實驗為主,開展所需的驗證性實驗和綜合性實驗,助力學(xué)生更好地理解通信的抽象性概念;而線下實驗存在實驗設(shè)備維護成本高、利用率不足、實驗內(nèi)容可擴展性差、實時性差等缺點,難以滿足新時代教學(xué)探索與改革的需求。
基于C/S 架構(gòu)[1]的客戶應(yīng)用程序運行在用戶計算機上,實驗環(huán)境不需要下載配置,只需要待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與服務(wù)器通信,也就是說當(dāng)通信原理虛擬仿真實驗場景需要對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行任何操作時,客戶應(yīng)用程序才尋找服務(wù)器程序,并向其發(fā)出請求,從而減輕應(yīng)用服務(wù)器運行數(shù)據(jù)的負荷量[2]。本文將C/S 架構(gòu)引入到通信原理虛擬仿真實驗項目設(shè)計中,提出基于虛實結(jié)合技術(shù)構(gòu)建實驗環(huán)境的解決方法,提供實時在線實驗條件,學(xué)生突破地域、時間的限制,隨時、隨地進行驗證性實驗、設(shè)計性實驗,在實踐中提高自己的實踐與創(chuàng)新能力。
虛實結(jié)合仿真實驗平臺模擬了真實實驗中用到的器材和設(shè)備,提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境[2],通過實驗教學(xué)仿真實驗了解通信原理,將核心的理論性知識、內(nèi)容抽象等知識結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,實現(xiàn)理論與實踐的相融合更能突顯出知識的重難點,更好地增加學(xué)生直觀感受,更好地理解和掌握相關(guān)的通信原理教學(xué)內(nèi)容。本文項目由驗證型向設(shè)計型、綜合型轉(zhuǎn)化,再配合通信原理課程設(shè)計以及案例教學(xué),使學(xué)生能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題,達到學(xué)生學(xué)以致用的目的,進一步提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。
虛實結(jié)合實驗環(huán)境采用“服務(wù)器+交換機+終端”模式,終端集成數(shù)據(jù)發(fā)生器、實驗箱、示波器等設(shè)備功能,交換機實現(xiàn)一個IP 端口對應(yīng)多終端,客戶端軟件完成參數(shù)配置和顯示功能,所有數(shù)據(jù)生成、分析均由終端完成,不僅節(jié)約了設(shè)備、場地以及維護和管理等經(jīng)費,而且數(shù)據(jù)真實有效、實時性更強。虛擬實驗環(huán)境的搭建為學(xué)生提供一個真實自然的通信原理學(xué)習(xí)環(huán)境,通過虛擬化實驗環(huán)境,滿足教師多維互動式線上教學(xué),提高教師的教學(xué)手段及方法,滿足學(xué)生通信原理實時學(xué)習(xí)的要求,進而推動通信原理課程實驗教學(xué),幫助學(xué)生加深理論學(xué)習(xí)的理解。
本次基于C/S 架構(gòu)的通信原理虛擬仿真項目,其任務(wù)共設(shè)計為三大部分,分別為:項目資源設(shè)計、內(nèi)容設(shè)計以及平臺設(shè)計。通信原理虛擬仿真實驗項目任務(wù)安排如圖1所示。
圖1 通信原理虛擬仿真實驗項目任務(wù)安排
通信原理虛擬仿真實驗項目[3]資源設(shè)計簡單,如課程簡介、教學(xué)大綱以及指導(dǎo)手冊,為學(xué)生在線實驗提供導(dǎo)讀性資料,幫助學(xué)生把握重難點,快速完成實驗;項目內(nèi)容設(shè)計分為模擬信號虛擬仿真實驗以及數(shù)字傳輸虛擬仿真實驗,并將兩大模塊進行細分,進一步完成各項實驗;項目平臺采用C/S 架構(gòu),結(jié)合“服務(wù)器+交換機+終端”模式,其工作規(guī)則是客戶端提供與終端功能相對應(yīng)的實驗環(huán)境,如對碼長、碼型、碼速等參數(shù)進行設(shè)置,終端根據(jù)參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生信號、處理信號,并將結(jié)果上傳到客戶端供學(xué)生查看。
在通信原理虛擬仿真實驗場景開發(fā)過程中,可以將信號源、濾波器、信號處理器、示波器以及連線等進行復(fù)現(xiàn),增強仿真實驗場景的沉浸感。首先根據(jù)C/S 架構(gòu)的基本原則將通信原理虛擬仿真實驗場景分解成多個子場景,由客戶端計算機進行再現(xiàn);再通過客戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,如控制終端生成、分析數(shù)據(jù);最后送到客戶端展現(xiàn),達到真實的實驗效果。通過構(gòu)建通信原理虛擬仿真實驗場景,有效解決了空間與時間的限制,學(xué)生能在遠端通過客戶端隨時、隨地完成課程實驗,加深對概念的理解[4]。
實驗項目分為驗證性項目、綜合設(shè)計性項目以及設(shè)計性項目。學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書結(jié)合虛擬環(huán)境中已有的資源完成驗證性項目,如抽樣定理實驗、信源編譯碼實驗、信道編譯碼實驗、數(shù)字調(diào)制解調(diào)實驗、基帶傳輸實驗[5]、信道模擬及特性研究實驗、同步技術(shù)實驗、模擬調(diào)制解調(diào)實驗、信道復(fù)用技術(shù)實驗等加深對理論知識的理解。綜合設(shè)計性項目在老師的要求下進行,在完成基本任務(wù)的情況下可以拓展、優(yōu)化,其中自主設(shè)計的優(yōu)秀作品,可以作為綜合實驗教學(xué)項目儲備,列入常規(guī)教學(xué)項目,將其教材化,加大對新生的認可度,進而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情,實現(xiàn)創(chuàng)新能力的自發(fā)性提高。
在通信原理的學(xué)習(xí)中,需要掌握通信的基本概念、通信系統(tǒng)的模型、通信系統(tǒng)的傳輸方式、信息及其度量、信道、模擬調(diào)制系統(tǒng)、數(shù)字基帶傳輸、數(shù)字帶通調(diào)制系統(tǒng)、信源編碼等知識,通過虛擬仿真實驗可以幫助學(xué)生對這些概念的加深理解。本文主要針對抽樣定理[6]、PCM 編碼以及碼型變換三個經(jīng)典實驗,利用通信實驗?zāi)K進行相關(guān)虛擬仿真實驗。
抽樣定理為如果一個連續(xù)信號f(t)所包含有的最高頻率不超過fh,則當(dāng)抽樣頻率f大于等于2fh,抽樣信號包含了原信號的全部信息客戶端抽樣實驗界面,信號源(A2 單元左側(cè))產(chǎn)生模擬信號和抽樣脈沖,信號波形、頻率、幅度均可調(diào)節(jié),抽樣脈沖頻率和占空比可調(diào)節(jié),恢復(fù)濾波器帶寬可設(shè)置,A2單元完成抽樣,A7 單元完成信號恢復(fù)。示波器通過連線方式驗證抽樣效果如圖2所示。
圖2 信號抽樣和信號恢復(fù)
(1)如圖3所示,原始信號被設(shè)置成幅度為24、頻率為2 kHz 的正弦波,將參數(shù)傳遞到終端中,實現(xiàn)終端中生成真正的正弦波數(shù)據(jù)源。
圖3 原始信號設(shè)置
(2)如圖4所示,抽樣脈沖被設(shè)置成占空比為1/2,頻率為5 kHz 的抽樣脈沖,終端生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
圖4 抽樣脈沖信號的頻率設(shè)置
(3)如圖5所示,客戶端示波器顯示的四道波形圖從下到上分別表示為原始信號、抽樣信號、抽樣輸出信號、恢復(fù)信號,其中恢復(fù)信號與原始信號相比未見失真,再對比其他頻率的抽樣脈沖,驗證抽樣定理。
圖5 示波器監(jiān)測波形
數(shù)字通信系統(tǒng)的典型特征就是信源和信宿都是模擬信號,因此需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進行傳輸,本實驗采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)[7]。其工作原理如圖6所示。
圖6 虛擬仿真PCM 編碼工作原理
(1)抽樣
抽樣是在時間上將模擬信號離散化,但是抽樣的幅度值還是沒有離散化,仍有無數(shù)多個可能,為模擬信號。
(2)量化
量化可采用均勻量化和非均勻量化,但是通信系統(tǒng)傳輸過程中,要滿足通信系統(tǒng)的信噪比大于26 dB。信噪比公式為:
SNB=10lg(Us/UN)2=20lg(Us/UN)
均勻量化中量化誤差最大值恒定,假設(shè)為0.5,如抽樣量化電平為1 時,代入上式得該信號的信噪比為6 dB;當(dāng)抽樣量化電平為128 時,量化信噪比為48 dB。存在小信號不能滿足通信要求的問題。
非均勻量化對信號的不同部分采用不同的量化間隔進行量化[8-9],從而改善小信號的信噪比,其信噪比改善量為:SNR2-SNR1=20lg(?y/?x),可以有效改善其信噪比。?y/?x即為每一線段的斜率。信噪比曲線如圖7所示。
圖7 信噪比曲線
(3)編碼
在A 律13 折線中,由于正、負各有8 段,每段內(nèi)有16 個量化間隔,共有2×8×16=256=28 個量化級,因此所需編碼位數(shù)N=8。8 位碼的安排如下:a7a6a5a4a3a2a1a0。a7 表示極性;a6a5a4 表示樣值的幅度所處在8 段中的哪一段落;a3a2a1a0表示每一大段中16小段所對應(yīng)的量化間隔序號。編碼效果圖如圖8所示,抽樣值為1 216,表示幅度落在第8 段的第3 量化間隔,為正值,二進制編碼表示為1-111-0011。
圖8 編碼效果圖
碼型變換可以根據(jù)不同的信道要求選擇合適的碼型進行輸出,數(shù)字信號的碼型設(shè)計需要遵循傳輸碼型功率譜,應(yīng)不含直流或低頻頻率分量、定時時鐘提取方便等原則。在這里介紹單極性不歸零碼轉(zhuǎn)變?yōu)槁鼜厮固卮a的實驗。
單極性不歸零碼中,占空比為1,“1”碼、“0”碼可分別用正、負電平表示。缺點是含有直流成分,而且不能直接提取同步信號。
曼徹斯特碼中,“1”、“0”碼分別對應(yīng)“正負脈沖”“負正脈沖”,達到直流分量相互抵消、定時信息便于提取的目的。
本文用單極性不歸零碼表示基帶信號,其二進制碼流為“0110001100001111”,基帶時鐘信號為下降沿有效,基帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成曼徹斯特碼。曼徹斯特碼信號如圖9所示。
圖9 曼徹斯特碼信號
如圖10所示,客戶端完成參數(shù)設(shè)置,并通過連線方式連接示波器的各通道,其碼型變換單元A3:基帶信號從2P6輸出基帶信號(見波形1);2TP8 輸出基帶時鐘(時鐘速率可以設(shè)置為2 kHz,見波形2);3P6 輸出對2P6 信號的碼型變換結(jié)果(見波形3)。
圖10 編碼碼型連線圖
如圖11所示,實現(xiàn)了單極性非歸零碼轉(zhuǎn)換曼徹斯特碼,其中波形1、波形2、波形3 從下往上顯示。
圖11 編碼碼型信號圖
通過仿真實驗證明,基于C/S 架構(gòu)的通信原理虛實結(jié)合仿真平臺場景擬合度的高低是保證通信原理虛擬仿真實驗項目設(shè)計質(zhì)量的主要衡量標準,平臺將C/S 架構(gòu)與“服務(wù)器+交換機+終端”模式結(jié)合一起,可以大幅度提高虛擬仿真實驗項目場景擬合度,從根本上降低系統(tǒng)的通信開銷?;贑/S 架構(gòu)的通信原理虛實結(jié)合仿真實驗項目使得學(xué)生能夠突破時間、空間的限制,并且采用硬件終端進行數(shù)據(jù)分析,增加學(xué)生直觀感受[10],使學(xué)生能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題,更好地理解和掌握相關(guān)的通信原理教學(xué)內(nèi)容。本文唯一不足之處在于,沒有對基于C/S 架構(gòu)的通信原理虛擬仿真實驗設(shè)計項目效果進行深入分析,相信這一點,也可以作為通信原理虛擬仿真實驗項目日后的研究方向之一,進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。