1.引言

《通信原理》課程是我校通信工程專業(yè)、電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生對(duì)本門課程的掌握程度直接影響到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。在實(shí)際教學(xué)中認(rèn)識(shí)到由于其理論性比較強(qiáng)，學(xué)生容易產(chǎn)生厭煩心理。因此，需要大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行理解、消化。實(shí)際的通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)又很難都在實(shí)驗(yàn)室中完成，通過進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)可以很好的解決這樣的問題。虛擬實(shí)驗(yàn)除了具有在時(shí)間上和空間上的應(yīng)用都非常靈活的特點(diǎn)，還可以減少實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞維修費(fèi)用?，F(xiàn)已被越來越多的高等院校校所認(rèn)可，并逐步實(shí)現(xiàn)采用虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行補(bǔ)充和替代[1-3].

2.通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

建設(shè)通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的目標(biāo)就是在結(jié)合理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造適合本校學(xué)生學(xué)習(xí)、運(yùn)用及研究該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[4].為了盡可能多的包括通信原理課程的實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)設(shè)計(jì)了幾乎涵蓋了通信原理課程的所有重點(diǎn)理論內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)整體平臺(tái)設(shè)計(jì)不能太復(fù)雜，以免使得學(xué)生望而生畏，應(yīng)能較好的運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的特點(diǎn)，給出參考范例，學(xué)生可以自行搭建設(shè)計(jì)。

具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：努力使系統(tǒng)的內(nèi)容將通信原理課程大多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都包含進(jìn)去。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該保證每個(gè)子模塊是相對(duì)獨(dú)立的，以便進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)展;系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的健壯性，提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)該是非常穩(wěn)定的，避免由于學(xué)生的不正確操作而出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的情況;系統(tǒng)的用戶界面要比較友好，具有較好的交互性，包含完整的幫助文檔，操作簡單，能夠及時(shí)響應(yīng)操作。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

LabVIEW程序主要包括前面板和方框圖程序兩部分。前者主要是模擬真實(shí)儀器的面板操作，可進(jìn)行輸入數(shù)值設(shè)置、文本顯示等操作。

方框圖程序主要是應(yīng)用圖形編程語言進(jìn)行編寫，類似于傳統(tǒng)程序(如C語言)的源代碼，可以傳送前面板輸入的命令參數(shù)到具體儀器，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。LabVIEW的特點(diǎn)之一就是流程圖程序設(shè)計(jì)語言，這與傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)不同。下面以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中模擬通信系統(tǒng)的非線性調(diào)制的仿真平臺(tái)為例進(jìn)行敘述。頻率調(diào)制(FM)是一種載波頻率隨基帶信號(hào)的變化而改變的一種調(diào)制方式，是參考教材第五章第三節(jié)的內(nèi)容[5].虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的進(jìn)入界面如圖2所示。

點(diǎn)擊入口按鈕后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇模塊，如圖3所示。選擇模擬通信系統(tǒng)→非線性調(diào)制進(jìn)入非線性調(diào)制(FM)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)應(yīng)的前面板及程序框圖如圖4、圖5所示。

在給學(xué)生頻率調(diào)制實(shí)驗(yàn)的講解時(shí)，需要從更實(shí)用的角度進(jìn)行介紹，應(yīng)該考察載波頻率和FM偏移對(duì)于調(diào)制所得的FM信號(hào)產(chǎn)生的影響。

在這里需要對(duì)基帶頻率、載波頻率和FM偏移三個(gè)基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整?；鶐ьl率可以調(diào)整信息信號(hào)的頻率。

載波頻率則是用來傳輸信息信號(hào)的頻率。

而FM偏移則確定了載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的最大瞬時(shí)頻率差。首先對(duì)基帶頻率進(jìn)行調(diào)整，觀察由此對(duì)FM調(diào)制波形圖所產(chǎn)生的影響。然后改變載波頻率，觀察對(duì)FM調(diào)制信號(hào)的影響，頻率偏移可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以免超過載波頻率。載波頻率等于基帶頻率情況下的波形圖如圖6所示。由于這些頻率是完全一致的，因此FM調(diào)制信號(hào)不再是純粹的正弦信號(hào)。

從圖6中可以看出，調(diào)制后的信號(hào)已經(jīng)不能清晰地表示基帶信號(hào)。在理想情況下，載波頻率應(yīng)該遠(yuǎn)高于基帶信號(hào)的頻率。在圖7中，能看到載波頻率提升之后的結(jié)果。這里每個(gè)頻率的整周期信號(hào)都已經(jīng)被表示出來了。

下面考察調(diào)制指數(shù)對(duì)與FM信號(hào)的影響。

將載波頻率調(diào)整到最大值1MHz.注意到FM偏移的最大值已經(jīng)自動(dòng)調(diào)整為500kHz.然后拖動(dòng)滑動(dòng)條將FM偏移設(shè)定為1MHz,并觀察結(jié)果。所得到的時(shí)域信號(hào)的頻率波動(dòng)非常明顯。如圖8所示，基帶信號(hào)的最低電平是由0Hz頻率所表示的，而基帶信號(hào)的最高電平則是由2MHz頻率所表示。

較大的FM偏移值從視覺上而言比較直觀，而較小的FM偏移值則不然。為了證明這點(diǎn)，把FM偏移值設(shè)定為200kHz,在這種情況下，基帶信號(hào)的不同電平將由800kHz至1.2MHz的頻率表示。調(diào)制后的時(shí)域波形如圖9所示。此時(shí)，頻率偏移的變化在時(shí)域上不再那么明顯。但是，這種影響對(duì)于通信系統(tǒng)而言則是至關(guān)重要的。

理想情況下，一個(gè)通信系統(tǒng)應(yīng)該采用最大的頻率偏移，以便更精確地表示基帶信號(hào)，但增加頻率偏移的代價(jià)則是提高信號(hào)發(fā)生的功率以及所占用的頻帶寬度。

可以通過點(diǎn)擊“頻域”標(biāo)簽，觀察調(diào)制后信號(hào)的FFT功率譜。同時(shí)逐漸調(diào)整頻率偏移變量，觀察對(duì)信道寬度的影響。注意到頻率偏移較高的情況下，信道將占據(jù)較寬的頻帶。圖10中是一個(gè)載波頻率為1MHz,頻率偏移為500kHz的FM信號(hào)?？梢詮膱D10中看出，調(diào)制信號(hào)占據(jù)了超過1MHz的帶寬。

實(shí)踐證明通過這樣的講解，學(xué)生可以很輕松的掌握頻率調(diào)制的原理，收到了實(shí)驗(yàn)輔助理論教學(xué)的作用。

4.虛擬實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用

LABVIEW還具有非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能[6-7],本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與Web技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放在實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器中，遠(yuǎn)程客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生在宿舍也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的。LabVIEW中集成了Remote panel技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器程序設(shè)計(jì)完成之后，可以通過LabVIEW程序中的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工具將程序嵌入到HTML文件中，然后通過LabVIEW提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向網(wǎng)上進(jìn)行發(fā)布，可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器訪問。此時(shí)，當(dāng)用戶在瀏覽器環(huán)境下鍵入產(chǎn)生的HTML文件網(wǎng)絡(luò)路徑后便可在自己的PC機(jī)上使用Web上的虛擬儀器進(jìn)行通信原理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)了。

5.結(jié)束語

通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了通信原理課程中的主要內(nèi)容，提供了所有仿真實(shí)驗(yàn)的源代碼，學(xué)生可以自己進(jìn)行程序的修改，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對(duì)通信原理課程的學(xué)習(xí)興趣。一方面可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱覆蓋面有限的問題，另一方面又可以加深學(xué)生對(duì)通信原理理論的理解。使學(xué)生從被動(dòng)應(yīng)付實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生脫離了固定實(shí)驗(yàn)室時(shí)間和地點(diǎn)的限制，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。