虚拟仪器通信原理教学平台的设计与开发
【摘要】首先分析了通信原理课程的教学改革现状，为解决教学难点问题创立了虚拟仪器通信原理教学平台，平台涵盖通信原理课程的全部主要内容，形式新颖，将通信系统如动画般展示，在一定程度上解决了课程难教难学的教学难题。
【关键词】通信原理；虚拟仪器；教学平台；LabVIEW；教学改革
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2009）06—0107—04
一 通信原理课程的地位及教学特点
当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信技术与传感技术、计算机技术紧密结合，成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。培养满足社会需要的通信专业人才成为高等院校通信工程专业教学改革的重点问题。通信原理是通信工程专业的一门重要专业基础课程，也是一门专业标志性课程，是以概率论与数理统计、电路、模拟电子线路、信号与系统、随机信号分析等课程为先修课的专业基础课，为后续专业课程奠定基础，在专业课程设置中起着承上起下的关键作用，占有重要的教学地位。课程所包含的内容是通信工程专业本科生的知识结构中必须具备的重要部分，为学生形成通信专业的理论体系与技术思想 发挥着重要作用，对于专业建设等教学研究工作有着重要的支持作用[1]。
课程的教学特点是：（1）基本概念和基本原理都很抽象，数学公式和理论推导相对较多，数学基础要求高，理论性比较强，是信号理论和系统理论的延伸和推广，教材偏重数学分析，对通信原理的物理过程讲述不够，学生感觉枯燥难懂，难以引起学习兴趣。（2）内容较多，涉及的知识面宽。随机信号的分析是全书的基础，模拟调制、数字调制、信源编码和信道编解码、数字基带系统、数字系统的最佳接收等在课程中都非常重要，需要一系列先修课程的支持，学生知识储备不足。（3）教师在讲课中不仅要使同学扎实掌握各个基本知识点，而且要将通信系统的各部分内容有机串联起来，使学生掌握各个知识点和整个通信系统的关系，如何在有限的学时内完成教学任务也是一个难题。总之，本课程教与学的难度都很大[2][3]。
二 课程教学改革的现状、难点及对策
在高等院校中，针对通信原理课程的特点，进行了广泛的课程教学改革，取得了很多优秀成果，如省级、国家级精品课、优秀教学成果奖。目前本课程教学改革的主要优秀成果如下：
（1） 采用综合实验箱。将每箱一个实验的传统实验箱改变为可做多个实验的模块化综合实验箱，提高了性价比，增加了实验项目。
（2） 将仿真软件应用于通信原理实验，丰富实验内容。目前通信系统的仿真主要分为软件仿真和硬件仿真。软件仿真是依据通信原理实现通信系统的虚拟仿真； 主要有MATLAB/Simulink、SystemView等；硬件仿真是从系统的硬件实现的角度仿真实际电路，主要有EWB/Multisim、PSpice、Protel、QuartusⅡ、ADS等[4]。
（3） 采用现代教育手段。采用幻灯片、多媒体课件、网络等现代化教学手段和一些仿真软件等搭建网络通信原理教学平台，共享教学资源，学生能够通过网络进行理论学习并可进行网上仿真实验等，教学内容更加丰富生动，便捷的网络沟通手段和互动的网络平台打破了传统教学模式的时空限制，扩大了学生的自学空间，提供了交互式、开放式、自主式的新学习模式[5]。
从当前教学改革成果来说，综合实验箱、软件仿真实验、建立网络教学系统等丰富的教学形式取得了很好的效果，非常值得学习和借鉴。但也存在下列突出的热点、难点问题：
（1） 综合实验箱仍存在一些不足。没能克服硬件验证性实验固有的动手多、动脑少的缺点；实验数目增加了，但由于通信原理课程内容较多以及硬件的制约，综合实验箱不可能全部覆盖理论教学内容，仍然存在盲区。
（2） 基于MATLAB/Simulink、SystemView等平台提供的通信模块都是封装好的，模块的内部结构看不到，通信原理课程讲授的恰恰是内部的具体实现，是要求学生掌握的主要内容，因此只能进行系统级仿真，不能进行波形级仿真，没能从根本上脱离验证性实验的模式。
（3） 以MATLAB/Simulink、SystemView等为代表的软件仿真是虚拟的、原理级仿真，没有相应的硬件支持，不能硬件实现。以EWB/Multisim、PSpice、ADS等为代表的硬件仿真，从系统的硬件实现角度仿真实际电路。这两类仿真各自独立进行，两者之间缺乏联系和衔接，使学生感觉理论和实际之间有距离。没有既能实现原理级的仿真，又可作为硬件实现的通信平台将理论和实际衔接起来。
（4） 网络课堂的电子资源有待进一步完善。在电子教案中，有些含有Flash制作的动画，帮助学生理解原理，但Flash动画也只停留在演示结果的层面上，不是真的通信系统。以 MATLAB/Simulink、SystemView等软件仿真只能进行系统级仿真。
为解决上述教学改革中突出的热点、难点问题，在多年的教学中不断摸索积累，结合通信系统构成具有模块化的特点，采用虚拟仪器开发工具LabVIEW开 发了通信原理教学平台。
三 虚拟仪器通信原理教学平台的组成和特点
LabVIEW是图形化编程环境，它的最大优点是直观易学，编程效率高，在开发各种仪器及虚拟电路方面有其独到之处。LabVIEW不仅仅是一种编程语言，更是一种高度交互式的开发环境，用来快速设计原型和进行应用程序的渐进式开发，从测量、 自动化到实时嵌入式系统，再到通用场合。LabVIEW具有对FPGA编程下载的能力，具有数据采集卡驱动程序，所以LabVIEW也是一个硬件设计工具。其计算、分析、显示功能，丰富的信号分析和处理方面的库函数以及软、硬兼备特性非常适合通信系统的设计与分析[6]。
但LabVIEW的商用通信软件包提供的通信模块都是封装好的，内部结构看不到，这一点与MATLAB/Simulink、System View等仿真语言的语句类似。通信原理课程要学习的恰恰是内部的具体实现，要使LabVIEW应用于通信原理教学中必需花大力气自主开发通信软件包。为解决此难题，在我校实验技术基金的支持下进行了教改立项，项目组成员分工合作，结合通信原理的教学，针对各种基本通信系统的各种调制方式和编码方式，编写出了具有自主知识产权的虚拟仪器通信原理教学平台。
平台的硬件系统由计算机、连接外部的端口、数据采集卡、射频卡等构成，在LabVIEW软件控制下可完全模拟和替代传统的仪器。射频前端+A/D+计算机=一台接收机，计算机+ D/ A +射频输出=一台发射机。因此，平台不仅是一个用于教学演示的仿真软件，同时也是硬件实现方式的一种，与传统硬件不同的是采用了 较先进的软件无线电理论，在此平台上，只需改变软件程序，就可以构成不同的通信系统。
平台的软件部分包括：模拟通信系统、数字基带系统、数字频带传输系统、模拟信号的数字传输、数字信号最佳接收系统、信道编码器、信源编码器、码分复用系统，涵盖了通信原理课程的主要内容。每个通信系统的软件部分都由两部分组成：（1）各种调制方式和编解码方式的可供调用的通信模块，给出了模块的内部实现。（2）调用模块构成了基础通信系统和综合通信系统。平台功能完善、内容丰富、形式新颖、模块化设计符合通信系统的方框图特点，将通信系统如动画般展示，使通信系统的设计像搭积木一样有趣，枯涩难懂的通信理论变得形象生动，学生爱学、易学，充分调动学生的学习积极性，提高学生学习兴趣，解决了理论教学难题。
四 虚拟仪器通信原理教学平台程序举例
图1为虚拟仪器通信原理教学平台进入界面。点击“系统概述”和“系统组成” ，可初步了解该系统。点击“系统选择” 进入图1。再点击各个系统，可进入相应系统。点击“STOP”或“返回” 键，返回上一界面。如点击“模拟信号的数字传输” ，进入图2“模拟信号的数字传输”进入界面。在图2中点击“PCM脉冲编码调制” 进入图3“PCM脉冲编码调制” 前面板。在图3中点击“波形选择” 的上下键来选择多种输入信号，可以改变输入信号的频率、振幅等，可观察各种输入信号下的抽样值、映射值、每个映射值对应的PCM编码、信道中的PCM波形、译码输出波形等，会看到译码输出波形随着输入信号的变化而变化，从而验证了系统设计的正确性。
在LabVIEW环境下，可在前面板的标题栏中选“窗口--显示程序框图” 进入后面板，后面板为LabVIEW的框图化程序，前、后面板中的输入、输出控件是一一对应的，在后面板中可以看到前面板的功能是如何具体编程实现的。
图4为“PCM脉冲编码调制” 后面板，可清楚地展示PCM系统的详细工作过程：发送端抽样、映射、编码后送入信道，接收端反映射、PCM译码、恢复原信号。其中“映射”、“PCM编码” 等是作者编写的模块化子程序，双击程序模块，可进入子程序的前、后面板，如“PCM编码” 模块 ，是一个包含若干子程序的逐次比较（类似砝码称重物）编码程序，如图5“PCM编码子程序” 后面板所示，PCM编码中极性码、段落码、段内码的复杂编码过程被清晰地展现。
五 结束语
虚拟仪器通信原理教学平台涵盖了通信原理课程的主要内容，提供了可供调用的通信模块，既给出了模块的内部实现，又调用这些模块构成了各种基础通信系统和综合通信系统，该平台具有的特点如下：
（1） 平台形式新颖，模块化设计符合通信系统的方框图特点，非常适合通信原理课程的教学，将通信系统如动画般展示，使通信系统的设计像搭积木一样有趣，枯涩难懂的理论变得形象生动，学生爱学、易学，充分调动学生的学习积极性，提高学生学习兴趣，解决了理论教学难题。
（2） 平台功能完善，内容丰富，平台涵盖通信原理课程的全部主要内容，实现了课程教学内容的无盲区全方位覆盖，弥补实验箱覆盖面有限的不足。
（3） 平台通过系统运行结果及每一步具体实现过程的详尽解析，使学生真正学懂理论，改变了验证性实验中学生动手多，动脑少，只知其然，不知其所以然的被动局面，弥补了实验箱等验证性实验的不足。
（4） 平台能实现通信系统的波形级及系统级仿真，而且生动形象、寓教于乐，嵌入到网络课堂上，网络课堂内容更加完善，使交互、开放、自主的网络学习模式发挥更大的作用。
（5） 本通信平台，不仅仅是一个用于教学演示的仿真软件，同时也是软件无线电方式的一种硬件实现，在此
平台上，只需改变软件程序，就可以构成不同的通信系统，实现了原理级的软件仿真与硬件实现的衔接，缩小了理论和实际之间的距离。
（6） 平台中设计了可供调用的模块化通信软件包，为基础实验、课程设计、毕业设计各实践教学环节提供了新的平台和手段。
总之，虚拟仪器通信原理教学平台的创立为高校通信原理课程的教学提供了新的途径，为课程的理论教学、实验、课程设计、毕业设计和科研提供支持，具有广泛的应用前景。平台的软件部分在辽宁省第九届教育软件大赛高等教育本科组的壹百多名获奖者中名列第一。配套著作《通信系统仿真设计及应用》详细介绍了平台的全部内容，将由电子工业出版社近期出版发行。平台的演示版可由辽宁教育网优秀教育软件展免费下载，希望能对相关教师和学生有所帮助。
参考文献
[1] 宋铁成.“通信原理” 课程的教学实践[J].电气电子教学学报, 2003,25(5):95-97.
[2] 张士兵,章国安.“通信原理” 课程教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2006,28(4):10-13.
[3] 陈文鑫,陈伟东.“通信原理” 课程多方位教学改革与实践[J].宁波工程学院学报,2007,19(4):88-90.
[4] 朱家富.电子信息课程教学中的虚拟技术[J].重庆文理学院学报(自然科学版),2008,27(3):88-90.
[5] 张慧,初婧.通信课程教学中的EDA技术[J].山东电大学报,2006,3(2):16-17.
[6] 武一,杨瑞霞.基于LabVIEW实现数字电路的仿真[J].微计算机信息(测控自动化),2007,23(4-1):259-261.
The Design and Exploitation of Teaching Flat for Principles of Communications Taking Use of Virtual Instruments
LI Huan1REN Bo2
(1. School of Information Science and Engineering, Shenyang LiGong University, Shenyang,Liaoning,110168,China;2.School of Equipment Engineering,Shenyang LiGong University, Shenyang,Liaoning,110168,China)
Abstract: The actuality of teaching reform about principles of communications is analyzed. In order to solve the problems in teaching, a teaching flat is founded based on virtual instruments .Most of the curricular contents are contained in the flat. Its novel style displays communication systems as cartoon. The problems of the curricula’s hard to teach and learn are solved in some ways.
Keywords: Principles of Communications; Virtual Instruments; Teaching Flat; LabVIEW; Teaching Reform