摘 要：為了解決在實驗教學(xué)改革實施過程中，由于學(xué)生人數(shù)逐步增加等原因，使得實驗室和實驗儀器的數(shù)量難以滿足教學(xué)需求的問題，以虛擬儀器及圖形化編程軟件LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，配合適用于通信類教育和研究的射頻（RF）應(yīng)用軟件無線電（SDR）設(shè)備NI USRP來設(shè)計虛擬仿真實驗。與以Python語言開發(fā)的Web框架Django相結(jié)合，設(shè)計一套虛擬仿真實驗室及教學(xué)Web系統(tǒng)，實現(xiàn)了學(xué)生線上實驗的目標(biāo)。此舉充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，減少了硬件投資，突破了傳統(tǒng)實驗室在時間與空間上的局限性，進(jìn)一步豐富了實驗教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；USRP；Django；虛擬仿真實驗室；Web系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-05

0 引 言

實驗教學(xué)是高等工科教育過程的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的必要途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和操作能力的重要手段[1]。在實驗教學(xué)改革實施過程中，由于學(xué)生人數(shù)逐步增加等原因，使得實驗室和實驗儀器的數(shù)量難以滿足教學(xué)需求，這就對學(xué)校的實驗設(shè)備與教學(xué)場地等配置提出了更高的要求[2]。基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實驗教學(xué)是現(xiàn)代化教育的一個重要發(fā)展方向，也是高等教育實驗教學(xué)改革期間的一項重要舉措[3]。因此，為有效提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，滿足現(xiàn)代化社會對高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需求，設(shè)計了一套虛擬仿真實驗室及教學(xué)Web系統(tǒng)。

本文所設(shè)計的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺對“數(shù)字通信”和“解調(diào)FM廣播”等實驗教學(xué)課程進(jìn)行頂層教學(xué)研究與設(shè)計。利用虛擬儀器技術(shù)將軟件無線電實驗教學(xué)儀器進(jìn)行虛擬仿真和圖形化編程[4]，構(gòu)建一個以計算機為實驗平臺、軟件與硬件相結(jié)合的虛擬仿真無線電實驗室，使依托于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的新型遠(yuǎn)程網(wǎng)上實驗成為可能[5]。利用Django框架創(chuàng)建出簡易的學(xué)生實驗管理系統(tǒng)，并使用LabVIEW的Web發(fā)布功能將虛擬仿真無線電實驗網(wǎng)頁版集成到學(xué)生實驗管理系統(tǒng)中，為學(xué)生提供基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)、課程學(xué)習(xí)、實驗打分、數(shù)據(jù)共享、技術(shù)交流、共同研究和協(xié)同工作的實驗教學(xué)平臺[6]。

1 線上虛擬仿真實驗室簡介

1.1 平臺介紹

多數(shù)遠(yuǎn)程實驗室項目都是從構(gòu)建遠(yuǎn)程實驗控制應(yīng)用程序開始。對于這類實驗控制應(yīng)用程序來說，LabVIEW是一個不錯的選擇。它是一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境，這使得其具有界面友好、操作簡單、開發(fā)周期短等優(yōu)點[7]。Django是Python的主流Web框架之一，它通過減少重復(fù)的代碼，使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂陂_發(fā)中的關(guān)鍵事務(wù)，專注于編寫應(yīng)用程序。因此，使用Django框架可以使開發(fā)人員能夠以最小的代價構(gòu)建和維護(hù)高質(zhì)量的Web應(yīng)用[8]。所使用的硬件設(shè)備為軟件無線電教學(xué)平臺（NI USRP），其使用軟件加載的方式實現(xiàn)無線通信功能[9]，通過運行不同的軟件算法來提供不同的無線通信業(yè)務(wù)[10]。其是專為射頻通信物理層教學(xué)定制的硬件，為通信原理、數(shù)字通信和天線原理等課程引入系統(tǒng)級動手實踐環(huán)節(jié)。

1.2 設(shè)計思路

首先需準(zhǔn)備好LabVIEW開發(fā)環(huán)境，在開發(fā)環(huán)境中設(shè)計所需的實驗控制應(yīng)用程序，并將其發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中供學(xué)生遠(yuǎn)程訪問。但是在此之前，LabVIEW應(yīng)用程序不能在沒有安裝過指定版本LabVIEW Run-Time運行引擎之外的設(shè)備上運行，若想從瀏覽器訪問實驗控制應(yīng)用程序，需加載NI特殊插件，因此其存在一定的局限性。所以需要可以跨瀏覽器使用的更友好的解決方案—基于Microsoft Silverlight技術(shù)的NI LabVIEW Web UI Builder和LabSockets，將其直接集成到LabVIEW工具中。

Web發(fā)布工具提供了從網(wǎng)頁訪問LabVIEW應(yīng)用程序的功能，以Web Sockets協(xié)議作為通信層，并從LabVIEW前面板自動生成HTML5網(wǎng)頁。其生成的網(wǎng)頁與原始前面板相同，無需任何插件便可將LabVIEW前面板放到標(biāo)準(zhǔn)的HTML5瀏覽器中，并且可以將使用者在瀏覽器中交互的結(jié)果實時顯示，如圖1所示。此舉可讓不具備任何編程知識的實驗室運維人員在極短的時間內(nèi)將教師需要演示或需要學(xué)生交互學(xué)習(xí)的實驗在瀏覽器中啟動和運行，將生成的HTML5頁面集成到由Django開發(fā)的線上虛擬仿真實驗室及教學(xué)Web系統(tǒng)中。

該遠(yuǎn)程實驗室平臺使用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，軟件無線電教學(xué)平臺（NI USRP）可實現(xiàn)無線基帶信號與射頻信號之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用Django框架為系統(tǒng)編寫簡單易用的、實時性強、交互性強、可擴展的網(wǎng)絡(luò)虛擬學(xué)生實驗管理系統(tǒng)。NI USRP無線收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW多功能無線數(shù)據(jù)傳輸處理功能，為軟件無線電系統(tǒng)開發(fā)項目創(chuàng)建了重要的環(huán)境。在此環(huán)境上，搭建軟件無線電實驗，包括“數(shù)字通信”和“解調(diào)FM廣播”等教學(xué)實驗。

2 線上虛擬仿真實驗室及教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 虛擬仿真實驗室架構(gòu)及流程設(shè)計

基于NI平臺的通信實驗教學(xué)需要一個可以滿足需求的通信虛擬仿真實驗室，根據(jù)遠(yuǎn)程實驗數(shù)據(jù)流量與實驗需求的不同，采用基于B/S和C/S兩種網(wǎng)絡(luò)模型組建遠(yuǎn)程虛擬實驗系統(tǒng)[11]。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Web服務(wù)器為需要通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)的客戶提供服務(wù)，并將由Django編寫的實驗教學(xué)系統(tǒng)搭建在Web服務(wù)器中。LabVIEW服務(wù)器用來搭建開發(fā)環(huán)境并在該開發(fā)環(huán)境中設(shè)計、編寫和搭建教學(xué)實驗服務(wù)器。LabVIEW服務(wù)器提供了教師實驗動態(tài)交互實驗、網(wǎng)頁生成等功能，學(xué)生在客戶端可以通過瀏覽遠(yuǎn)程面板的方式來建立與LabVIEW服務(wù)器端對實驗的觀測和控制關(guān)系，接收來自服務(wù)器端的實驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲與顯示及數(shù)據(jù)波形的查看等[12]。數(shù)據(jù)庫層用來存放賬戶、教師/學(xué)生信息、課程信息和教學(xué)實驗數(shù)據(jù)等，將數(shù)據(jù)提供給Web服務(wù)器和LabVIEW服務(wù)器讀取、寫入和訪問等。本系統(tǒng)的虛擬仿真實驗室主要由虛擬儀器、仿真設(shè)計以及硬件組成，與Django教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成線上虛擬仿真實驗室，如圖3所示。

虛擬仿真實驗的網(wǎng)頁生成由LabVIEW服務(wù)器實現(xiàn)，使用開發(fā)環(huán)境中自帶的Web發(fā)布功能，可以直接在服務(wù)器端生成各虛擬仿真實驗的HTML5網(wǎng)頁[13]，再將生成的網(wǎng)頁URL地址放到Web服務(wù)器系統(tǒng)中，發(fā)布到局域網(wǎng)或外網(wǎng)。學(xué)生通過訪問虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的方式登錄該虛擬實驗室平臺，教師可以將自己對該實驗的實時操作顯示到學(xué)生客戶端，學(xué)生也可以在線與虛擬仿真實驗進(jìn)行交互操作，將自己設(shè)計的虛擬仿真實驗通過上述方式發(fā)布后，將URL地址提供給教學(xué)管理員，管理員在Web服務(wù)器系統(tǒng)內(nèi)部對其進(jìn)行添加，就可以將學(xué)生設(shè)計的實驗與其他學(xué)生共享，其他學(xué)生也可以通過在線操作其實驗并獲取結(jié)果。這個開發(fā)過程進(jìn)一步將理論知識與實驗實踐相結(jié)合。基于NI軟件無線電平臺的實現(xiàn)原理如圖4所示。

2.2 虛擬仿真實驗室的工作原理

本系統(tǒng)的虛擬實驗室主要由LabVIEW開發(fā)環(huán)境所提供的虛擬儀器、仿真設(shè)計以及硬件（USRP）組成。LabVIEW 開發(fā)環(huán)境為用戶提供了在教學(xué)與實驗中常用的傳統(tǒng)儀器控件，用戶可以在創(chuàng)建的前面板（用戶界面）中直接使用。

在虛擬儀器仿真方面，仿真設(shè)計以及所涉及的硬件（USRP）發(fā)揮著重要作用，以搭建數(shù)字通信-文本傳輸實驗為例，介紹用LabVIEW實現(xiàn)對于虛擬儀器的開發(fā)、使用過程和虛擬仿真實驗。將NI USRP與LabVIEW進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，配置電腦的IP地址與子網(wǎng)掩碼→配置NI-USRP的IP地址→查詢與電腦連接的USRP是否可用，出現(xiàn)設(shè)備信息即為連接成功。在完成電腦與USRP的鏈接之后，就可使用USRP軟件無線電平臺進(jìn)行虛擬仿真實驗。

數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒍喾N多樣，占據(jù)的帶寬更寬，傳輸中的差錯可以通過檢錯糾錯編碼加以控制，使通信系統(tǒng)變得通用、靈活。所以在通信世界，過去屬于模擬的，但是現(xiàn)在和將來屬于數(shù)字的[14]。

IQ信號又稱同向正交信號，因為I/Q調(diào)制的頻譜效率較高，所以其在數(shù)字通信中得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字IQ調(diào)制是符號到矢量坐標(biāo)系的映射，映射點通常稱之為星座點，從矢量角度講，實部與虛部是正交關(guān)系，通常稱實部為In-phase分量，虛部為Quadrature分量[15]。

ejw1t=cos（w1t）+j·sin（w1t）=I+jQ" " " " " " " " " " " （1）

I=cos（w1t），" "Q=sin（w1t）" nbsp; " " " " " " " " " " " "（2）

IQ調(diào)制器具有3個比較關(guān)鍵的性能指標(biāo)：整個帶寬內(nèi)的頻率響應(yīng)、兩個支路間的幅頻響應(yīng)對稱性和兩路LO信號的正交性。由下變頻至IF頻段→ADC離散化→下變頻得到IQ信號。

相移鍵控（PSK）在通信系統(tǒng)中使用較多，其數(shù)據(jù)通過載波信號的相位偏移表示，通常分為高傳輸效率的BPSK和多進(jìn)制相移鍵控的QPSK。由此搭建的數(shù)字通信-文本傳輸實驗程序前面板如圖5所示。

文本設(shè)計的發(fā)送端由6大模塊構(gòu)成，其程序框圖如圖6所示。

（1）初始化：對硬件設(shè)備（USRP）的IP地址初始化，將載波頻率設(shè)置為1.2 GHz，增益設(shè)置為10 dB，選擇調(diào)制方式、采樣率及脈沖成型等參數(shù)。

（2）調(diào)制：發(fā)送的文本輸入框、傳輸狀態(tài)、調(diào)制設(shè)置、信源生成及基帶調(diào)制。

（3）脈沖成型：添加訓(xùn)練序列、脈沖成型及濾波。

（4）信道設(shè)置：設(shè)置信道模型、碼元速率、延遲時間與持續(xù)打包時間等。

（5）生成圖像：生成信號眼、信號星座圖和信號IQ波形。

（6）傳輸及傳輸關(guān)閉。

文本傳輸?shù)慕邮斩擞山邮粘跏蓟?、信號監(jiān)測、接收文本、接收波形與圖像、接收狀態(tài)、調(diào)試參數(shù)、硬件設(shè)置與同步設(shè)置等模塊構(gòu)成，其程序框圖如圖7所示。

該虛擬仿真實驗還包括廣播接收機實驗、實時頻譜檢測實驗、通信鏈路系統(tǒng)構(gòu)建實驗和FM收發(fā)等。虛擬仿真實驗的組成實驗如圖8所示。

3 基于Django的實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)學(xué)校的需求以及對于學(xué)生實驗的調(diào)查研究，結(jié)合實際確定了本虛擬仿真實驗室及教學(xué)系統(tǒng)的整體設(shè)計。

3.1 模塊分析

根據(jù)需求分析，對該虛擬仿真實驗室及教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計，在整體設(shè)計下將所需要的功能劃分為幾個小模塊，模塊化總體設(shè)計如圖9所示，注冊與創(chuàng)建/選擇實驗課程設(shè)計如圖10所示。

該項目的核心為虛擬仿真實驗室及教學(xué)。教師新建實驗課程→學(xué)生可自由選擇想要進(jìn)行的實驗→選擇時間截止后不可選擇和撤銷實驗→結(jié)束實驗后教師對學(xué)生進(jìn)行打分→學(xué)生最后對實驗進(jìn)行評價→學(xué)期結(jié)束后教師確認(rèn)實驗課程結(jié)束。

3.2 頁面設(shè)計

對于頁面的設(shè)計，在完成用于前端展示的模板（Template）后進(jìn)行視圖（view）設(shè)計，最后在后端配置URL與view的對應(yīng)關(guān)系。本系統(tǒng)的主頁面與登錄注冊如圖11所示。從選擇身份的頁面跳轉(zhuǎn)到具體的身份登錄頁面或賬號注冊頁面。

3.3 實驗課程應(yīng)用

對于實驗?zāi)K，需要在數(shù)據(jù)庫建立三個表，分別是實驗表、學(xué)生課程表（學(xué)生與實驗課程的關(guān)系）與時刻表（實驗時間的設(shè)置），關(guān)于課程的狀態(tài)設(shè)置有未開始選課、開始選課、結(jié)束選課、結(jié)課、給分、查看詳情和打分完成。教師可以使用課程模塊創(chuàng)建課程、添加和刪除課程時刻表、查看課程列表，如圖12所示。

4 結(jié) 語

本平臺的線上虛擬仿真實驗室由LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境提供的虛擬儀器、仿真設(shè)計以及硬件（USRP）組成，主要以基于NI軟件無線電平臺的數(shù)字通信-文本傳輸實驗、FM收發(fā)程序和信號的調(diào)制/解調(diào)等實驗為例，構(gòu)建起直觀、可操作性強的通信系統(tǒng)類虛擬仿真實驗。通過對線上虛擬仿真實驗室及教學(xué)系統(tǒng)的建立，將教學(xué)工作、科研任務(wù)以及學(xué)生實驗等結(jié)合起來，為學(xué)校實驗教學(xué)改革提供思路，為學(xué)生提供更多的選擇。豐富的、可編輯和探索的實驗內(nèi)容在提高教師教學(xué)效率，學(xué)生學(xué)習(xí)效率和主動學(xué)習(xí)興趣的同時也探索了一種新的實驗教學(xué)模式。該模式解決了學(xué)生無法大規(guī)模前往實驗室完成實驗的問題，在豐富實驗教學(xué)資源，拓展實驗內(nèi)容的同時，彌補了高校實驗教學(xué)設(shè)備不足、設(shè)備老化、USRP等硬件資源和實驗設(shè)備昂貴與短缺，難以大規(guī)模購買等問題。

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