基于通信原理的远程课堂教辅系统设计.pdf

2023年/第12期 物联网技术人才培养Vocational Education1530 引 言“通信原理”是电子信息类专业的核心课程之一，其前序课程涉及高等数学、模拟电子线路、信息论、信号与系统等，是“通信原理”中公式推导和系统分析的基础；其基础理论为后续专业课程，如移动通信、数据通信等做好教学衔接。同时“通信原理”是众多院校电子信息类专业的考研课程，而针对此类理论性强、抽象度高的课程，用传统的教学方式讲授，学生在理解上存在一定困难，因此，很多院校通过建设虚拟仿真实验平台让学生深入理解通信实验中对信号的处理过程1-4。从我院的教学情况看，增设仿真实验练习不足以调动学生的积极性，还需从课堂入手。本着强化基础、注重理解的原则，引入动态化演示系统对理论进行验证的课堂教学方式，其既能将理论具象化，帮助学生当堂理解教学内容，又能提升学生的学习兴趣，激发学生的学习主动性。因此，我院通信原理教研组依据模拟调制系统的课堂教学思路，充分利用LabVIEW 的图形化、可视化编程特点3-4，开发线上、线下授课均可远程使用的教学辅助系统，实现高效的课堂教学。1 模拟调制系统授课思路模拟调制系统的教学内容主要由幅度调制、角度调制和频分复用构成5，教学思路如图 1 所示。课堂教学辅助系统按照图 1 实线内容设计，设计要求及解决方案见表 1 所列。2 模拟调制课堂教学辅助系统组成模拟调制课堂教学辅助系统的设计框架如图 2 所示。其由调制信号、高频载波、边带/带通/低通滤波、微/积分处理、信道噪声模块构成，通过模块的有机组合分别搭建幅度调制、角度调制和频分复用系统。图 1 模拟调制授课思维导图表 1 设计要求及解决方案设计要求解决方案围绕理论展开设计按照原理框图逐步显示各阶段信号的时频域情况可视化动态显示选择 LabVIEW 作为开发平台，系统参数可调师生均可使用在云服务器上发布系统6-7，师生可通过浏览器对系统进行访问和控制2.1 调制信号模块本系统的调制信号 m(t)由振幅、初始相位、频率大小均随机选取的多个余弦信号叠加得到。以图 3 所示的单边带调制（SSB）系统为例，通过设定混频数、最高频率、最大幅值和最大初始相位，影响余弦信号的数目和各余弦信号三参数的取值范围，从而生成随机信号。为方便学生观察，也可生成单音信号，即单频余弦信号，作为调制信号使用。2.2 高频载波模块选取高频余弦信号作为高频载波，其频率可调，振幅和基于通信原理的远程课堂教辅系统设计李明媚，董丽元，赵 宁，陈国虎（天津仁爱学院，天津 301600）摘 要：“通信原理”是信息类专业的核心课程，理论性强、抽象度高，通过传统的教学方式讲授此类课程难以达到良好的教学效果。为此，按照“通信原理”模拟调制系统的教学思路和需求，设计了一套通过浏览器访问和控制的可视化教学辅助系统。该系统具有参数可调、动态显示、操作简单等特点，将其引入课堂，用具象化仿真配合抽象的理论教学，能够帮助学生更好地接受和理解理论，同时为后续的课内实验打好基础。关键词：通信原理；模拟调制；教学辅助系统；云服务器；远程访问；可视化中图分类号：TP391.9；G434 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）12-0153-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.12.041收稿日期：2023-01-11 修回日期：2023-02-24基金项目：2021年天津仁爱学院教改立项项目（2021-2-12）物联网技术 2023年/第12期 人才培养Vocational Education154初始相位均为固定值。图 2 系统设计架构图 3 SSB 调制与解调系统界面和运行效果2.3 边带滤波模块SSB（VSB）信号可由 DSB 信号通过上/下边带（残留边带）滤波器滤波得到，因此，在设计时要根据原理框图中选定的边带类型进行滤波器的切换。2.4 带/低通滤波模块系统中的 BPF/LPF 均按照理想滤波器设计。根据授课需求，幅度调制和角度调制的重点是调制和相干解调原理，在该设计中，将通信环境设定为无噪、无损耗且无时延环境，BPF/LPF 参数由系统类型、调制信号和高频载波的参数决定，无需单独设置；FDM 是基于幅度或角度调制的信号多路复用系统，重点在于复用和解复用原理，选用 SSB 信号作为复用信号，用参数可调的 BPF 提取多路复用信号。2.5 信道噪声模块作为模拟调制的综合应用，FDM 的系统设计除了能验证复用和解复用原理，还要尽可能接近实际，因此设计了高斯白噪声模块以影响信号的质量。2.6 微/积分处理模块LabVIEW 拥有丰富的数学运算子 VI8，因此角度调制与解调中的微、积分过程直接使用 LabVIEW 提供的微/积分子 VI 来实现。3 模拟调制课堂教学辅助系统界面模拟调制课堂教学辅助系统界面分为 1 个主界面和 6 个子界面。为满足师生共用的需求，将开发的教辅系统在阿里云服务器上做 Web 发布，用户端仅需安装 LabVIEW Run-Time 引擎即可实现远程 VI 面板的访问与控制9，效果如图 4 所示。点击主界面中的各系统按键，进入相应子界面，每个子界面都划分为参数设置区、原理框图区和信号时频显示区。以图 5 所示的 FDM 系统为例，参数设置区在调制信号、高频载波的参数基础上，添加了复用路数（即用户数）n 和载频间隔 fg的设置。原理框图区在呈现完整系统框图的同时，在每个处理环节做了编号。信号时频显示区分为 2 路复用时频显示区和信号提取仿真实验区。2 路复用时频显示区设置了与原理框图对应的编号按键，实现按步处理和显示功能；信号提取仿真实验区显示了多路复用信号和解复用信号的时、频域变化情况，同时设置了可调的 BPF 有效频域范围 fmin，fmax 和本地载波频率 fci参数，用于观察不同参数下的信号提取和恢复情况，验证解复用原理。图 4 通过 IE 浏览器访问云服务器的应用系统主界面效果图图 5 FDM 系统界面和运行效果4 远程访问和控制实现基于 LabVIEW 开发的应用系统可通过多种方法实现网络通信9。LabVIEW Web Server 和 DSTP 协议的 DataSocket编程10方式均可满足系统设计要求，可借助服务器实现网络通信。考虑到用户端的使用方便程度，在阿里云服务器上通过 IIS 创建站点，结合 LabVIEW 的 Web 发布功能，实现师生对系统的远程访问和控制。网络通信方式见表 2所列。2023年/第12期 物联网技术人才培养Vocational Education155表 2 满足系统设计需求的网络通信方式网络通信方式用 途安装软件（以2018 版为例）用户端是否需要编程LabVIEW Web Server将前面板发布到网页或远程 LabVIEW，实现远程浏览或控制LabVIEW Run-Time（333.94 MB）否DSTP 协议的DataSocket编程不同 VI、不同计算机或不同目标之间实时数据共享，与DataSocket 服务器连接LabVIEW（1.55 GB）是5 结 语文中设计的模拟调制课堂教学辅助系统显示了各环节的信号时、频变化，达到了验证调制、解调、复用和解复用原理的目的；基于 LabVIEW 的模块化设计能够灵活且快速地实现通信系统搭建，直观、动态且具象地显示，方便学生观察、对比和分析，而参数可调的设计利于增加学生的参与度，激发学生的学习兴趣；可远程控制的教辅系统的引入，不仅能活跃课堂气氛、提升教学质量，还能在一定程度上为学生课下的知识巩固和后续的课内实验打下基础，方便学生思考和理解实验现象；同时，鼓励教师在现有条件下创新性地开展教辅系统设计，达到教学相长的目的。注：本文通讯作者为董丽元。参考文献1 邹领，陈义明.“通信原理”课程教学探索与实践基于 SPOC和虚拟仿真实验 J.物联网技术，2022，12（4）：144-146.2 林青，郑杰.2DPSK 多参数调整通信系统仿真分析 J.实验室研究与探索，2021，40（10）：127-130.3 李茜，叶振忠，刘高华.通信原理虚拟实验室仿真平台设计 J.实验技术与管理，2021，38（10）：261-264.4 王芳，于洪泉.基于 LabVIEW 的“通信原理”虚拟实验平台设计J.无线互联科技，2022，19（1）：1-2.5 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第 7 版）M.北京：国防工业出版社，2016.6 吕跃刚，邓文玉，刘俊承.基于云服务器的旋转机械在线监测诊断系统设计 J.测控技术，2018，37（9）：108-110.7 赵丽宁，张凯，雷安格，等.弹性云服务器（ECS）在实验课程中的应用探索以工业机器人操作编程课程为例 J.现代计算机，2021，27（29）：80-84.8 严雨，夏宁.LabVIEW 入门与实战开发 100 例（第 3 版）M.北京：电子工业出版社，2017.9 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20 程序设计从入门到精通 M.北京：清华大学出版社，2007.10 刘明珠，刘雨晴，乔季军，等.基于 LabVIEW 的通信原理虚拟实验平台的设计 J.实验技术与管理，2015，32（4）：123-126.作者简介：李明媚（1984），女，硕士研究生，讲师，研究方向为数字图像、移动通信。董丽元（1987），女，硕士研究生，讲师，研究方向为微波射频电路。赵 宁（1987），女，硕士研究生，讲师，研究方向为计算机技术。陈国虎（1975），女，博士研究生，副教授，研究方向为无线通信、天线与电波传播、微波电路与理论。参考文献1 赵荣阳，王斌，姜重然.基于物联网的农业大棚生产环境监控系统设计 J.农机化研究，2021，43（11）：131-137.2 代康，谢凯.基于物联网的分拣机器人故障检测系统设计 J.计算机测量与控制，2021，29（8）：37-41.3 丁宇浩，李栋，温权龙，等.基于物联网监控的智能驱鸟器设计J.实验室研究与探索，2021，39（10）：116-120.4 熊轲，张锐晨，王蕊.5G 助力电力物联网：网络架构与关键技术J.中国电力，2022，41（3）：99-108.5 王亚飞，李振松，吴韶波，等.面向智慧城市的 NB-IoT 网络规划设计虚拟仿真实验教学系统建设 J.实验技术与管理，2022，39（9）：211-216.6 尹亮，邵晓红，侯志灵.电科专业物联网教学实践平台建设 J.学术探索，2021，29（1）：31-32.7 崔艳荣，陈勇，胡蓉华.物联网工程专业实践教学体系研究 J.实验技术与管理，2019，36（6）：198-200.8 安健，任东胜，桂小林，等.物联网实践能力培养的研究与探索J.实验技术与管理，2018，35（10）：15-18.9 段景山，陈苹，凌翔，等.智慧物联虚拟仿真实验教学中心设计与建设 J.实验科学与技术，2018，16（5）：185-189.10 陈建锋，罗家兵，黄福春，等.物联网虚拟仿真实验教学平台网络和嵌入式网关层 J.实验室研究与探索，2019，38（12）：122-126.11 范君，荀磊，胡为民，等.物联网虚拟化仿真教学项目设计与实施 J.电脑知识与技术，2022，18（20）：126-127.12 杨桂松，彭志伟，何杏宇.面向新工科的物联网工程实践教学模式探索 J.实验室研究与探索，2020，39（8）：160-165.13 王毅，张沪寅，黄建忠，等.基于“四类型六环节”实验教学体系建设物联网工程专业实验案例库 J.实验技术与管理，2019，36（7）：174-178.14 甘泉.LoRa 物联网通信技术 M.北京：清华大学出版社，2021：30-38.15 杨磊，梁活泉，张正，等.基于 LoRa 的物联网低功耗广域系统设计 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