基于虛實(shí)結(jié)合的通信原理仿真平臺(tái)模式探索

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(dá)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(shí)點(diǎn)包括消息、信息與信號(hào)的概念、通信系統(tǒng)的分類(lèi)與傳輸方式、通信系統(tǒng)的指標(biāo)、調(diào)制與解調(diào)、信源編碼、差錯(cuò)控制編碼、同步和信道復(fù)用等，是一門(mén)兼顧理論性與實(shí)踐性的重要專(zhuān)業(yè)必修課。傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期以單一的線下實(shí)驗(yàn)為主，開(kāi)展所需的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，助力學(xué)生更好地理解通信的抽象性概念；而線下實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)成本高、利用率不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可擴(kuò)展性差、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，難以滿足新時(shí)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(yùn)行在用戶計(jì)算機(jī)上，實(shí)驗(yàn)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(shuō)當(dāng)通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行任何操作時(shí)，客戶應(yīng)用程序才尋找服務(wù)器程序，并向其發(fā)出請(qǐng)求，從而減輕應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)的負(fù)荷量[2]。本文將C/S 架構(gòu)引入到通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，提出基于虛實(shí)結(jié)合技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境的解決方法，提供實(shí)時(shí)在線實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生突破地域、時(shí)間的限制，隨時(shí)、隨地進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中提高自己的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

1 虛實(shí)結(jié)合仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[2]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)了解通信原理，將核心的理論性知識(shí)、內(nèi)容抽象等知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的相融合更能突顯出知識(shí)的重難點(diǎn)，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(xiàng)目由驗(yàn)證型向設(shè)計(jì)型、綜合型轉(zhuǎn)化，再配合通信原理課程設(shè)計(jì)以及案例教學(xué)，使學(xué)生能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，達(dá)到學(xué)生學(xué)以致用的目的，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用“服務(wù)器+交換機(jī)+終端”模式，終端集成數(shù)據(jù)發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)箱、示波器等設(shè)備功能，交換機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)IP 端口對(duì)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(chǎng)地以及維護(hù)和管理等經(jīng)費(fèi)，而且數(shù)據(jù)真實(shí)有效、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)自然的通信原理學(xué)習(xí)環(huán)境，通過(guò)虛擬化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，滿足教師多維互動(dòng)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(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的要求，進(jìn)而推動(dòng)通信原理課程實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目，其任務(wù)共設(shè)計(jì)為三大部分，分別為：項(xiàng)目資源設(shè)計(jì)、內(nèi)容設(shè)計(jì)以及平臺(tái)設(shè)計(jì)。通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)安排如圖1所示。

圖1 通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)安排

通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]資源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，如課程簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱以及指導(dǎo)手冊(cè)，為學(xué)生在線實(shí)驗(yàn)提供導(dǎo)讀性資料，幫助學(xué)生把握重難點(diǎn)，快速完成實(shí)驗(yàn)；項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)分為模擬信號(hào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及數(shù)字傳輸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并將兩大模塊進(jìn)行細(xì)分，進(jìn)一步完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；項(xiàng)目平臺(tái)采用C/S 架構(gòu)，結(jié)合“服務(wù)器+交換機(jī)+終端”模式，其工作規(guī)則是客戶端提供與終端功能相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如對(duì)碼長(zhǎng)、碼型、碼速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，終端根據(jù)參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生信號(hào)、處理信號(hào)，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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以將信號(hào)源、濾波器、信號(hào)處理器、示波器以及連線等進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，增強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景分解成多個(gè)子場(chǎng)景，由客戶端計(jì)算機(jī)進(jìn)行再現(xiàn)；再通過(guò)客戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器實(shí)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(dá)到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。通過(guò)構(gòu)建通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，有效解決了空間與時(shí)間的限制，學(xué)生能在遠(yuǎn)端通過(guò)客戶端隨時(shí)、隨地完成課程實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)概念的理解[4]。

1.3 完成通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為驗(yàn)證性項(xiàng)目、綜合設(shè)計(jì)性項(xiàng)目以及設(shè)計(jì)性項(xiàng)目。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)結(jié)合虛擬環(huán)境中已有的資源完成驗(yàn)證性項(xiàng)目，如抽樣定理實(shí)驗(yàn)、信源編譯碼實(shí)驗(yàn)、信道編譯碼實(shí)驗(yàn)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、基帶傳輸實(shí)驗(yàn)[5]、信道模擬及特性研究實(shí)驗(yàn)、同步技術(shù)實(shí)驗(yàn)、模擬調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、信道復(fù)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)等加深對(duì)理論知識(shí)的理解。綜合設(shè)計(jì)性項(xiàng)目在老師的要求下進(jìn)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(jì)的優(yōu)秀作品，可以作為綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?chǔ)備，列入常規(guī)教學(xué)項(xiàng)目，將其教材化，加大對(duì)新生的認(rèn)可度，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情，實(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生對(duì)這些概念的加深理解。本文主要針對(duì)抽樣定理[6]、PCM 編碼以及碼型變換三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，利用通信實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 抽樣定理

抽樣定理為如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)f(t)所包含有的最高頻率不超過(guò)fh，則當(dāng)抽樣頻率f大于等于2fh，抽樣信號(hào)包含了原信號(hào)的全部信息客戶端抽樣實(shí)驗(yàn)界面，信號(hào)源（A2 單元左側(cè)）產(chǎn)生模擬信號(hào)和抽樣脈沖，信號(hào)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(hào)恢復(fù)。示波器通過(guò)連線方式驗(yàn)證抽樣效果如圖2所示。

圖2 信號(hào)抽樣和信號(hào)恢復(fù)

（1）如圖3所示，原始信號(hào)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(shí)現(xiàn)終端中生成真正的正弦波數(shù)據(jù)源。

圖3 原始信號(hào)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(hào)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(hào)、抽樣信號(hào)、抽樣輸出信號(hào)、恢復(fù)信號(hào)，其中恢復(fù)信號(hào)與原始信號(hào)相比未見(jiàn)失真，再對(duì)比其他頻率的抽樣脈沖，驗(yàn)證抽樣定理。

圖5 示波器監(jiān)測(cè)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(hào)，因此需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行傳輸，本實(shí)驗(yàn)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(shí)間上將模擬信號(hào)離散化，但是抽樣的幅度值還是沒(méi)有離散化，仍有無(wú)數(shù)多個(gè)可能，為模擬信號(hào)。

（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(guò)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(shí)，代入上式得該信號(hào)的信噪比為6 dB；當(dāng)抽樣量化電平為128 時(shí)，量化信噪比為48 dB。存在小信號(hào)不能滿足通信要求的問(wèn)題。

非均勻量化對(duì)信號(hào)的不同部分采用不同的量化間隔進(jìn)行量化[8-9]，從而改善小信號(hào)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(fù)各有8 段，每段內(nèi)有16 個(gè)量化間隔，共有2×8×16=256=28 個(gè)量化級(jí)，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(duì)應(yīng)的量化間隔序號(hào)。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(jìn)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(jìn)行輸出，數(shù)字信號(hào)的碼型設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)。

單極性不歸零碼中，占空比為1，“1”碼、“0”碼可分別用正、負(fù)電平表示。缺點(diǎn)是含有直流成分，而且不能直接提取同步信號(hào)。

曼徹斯特碼中，“1”、“0”碼分別對(duì)應(yīng)“正負(fù)脈沖”“負(fù)正脈沖”，達(dá)到直流分量相互抵消、定時(shí)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(hào)，其二進(jìn)制碼流為“0110001100001111”，基帶時(shí)鐘信號(hào)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(hào)如圖9所示。

圖9 曼徹斯特碼信號(hào)

如圖10所示，客戶端完成參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)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(hào)從2P6輸出基帶信號(hào)（見(jiàn)波形1）；2TP8 輸出基帶時(shí)鐘（時(shí)鐘速率可以設(shè)置為2 kHz，見(jiàn)波形2）；3P6 輸出對(duì)2P6 信號(hào)的碼型變換結(jié)果（見(jiàn)波形3）。

圖10 編碼碼型連線圖

如圖11所示，實(shí)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(hào)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于C/S 架構(gòu)的通信原理虛實(shí)結(jié)合仿真平臺(tái)場(chǎng)景擬合度的高低是保證通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，平臺(tái)將C/S 架構(gòu)與“服務(wù)器+交換機(jī)+終端”模式結(jié)合一起，可以大幅度提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目場(chǎng)景擬合度，從根本上降低系統(tǒng)的通信開(kāi)銷(xiāo)?；贑/S 架構(gòu)的通信原理虛實(shí)結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使得學(xué)生能夠突破時(shí)間、空間的限制，并且采用硬件終端進(jìn)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(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(méi)有對(duì)基于C/S 架構(gòu)的通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目效果進(jìn)行深入分析，相信這一點(diǎn)，也可以作為通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目日后的研究方向之一，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。