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）

0 引 言

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。

1 虛實結(jié)合仿真平臺設(shè)計

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。

1.1 明確通信原理虛擬仿真任務(wù)安排

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。

1.2 構(gòu)建通信原理虛擬仿真實驗場景

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]。

1.3 完成通信原理虛擬仿真實驗項目設(shè)計

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。

2 基于C/S 架構(gòu)的通信原理虛擬仿真實驗項目應(yīng)用

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。

2.1 抽樣定理

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

2.2 PCM 編碼

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

2.3 碼型變換

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

3 結(jié) 語

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。