基于LabVIEW软件的通信原理实验教学平台设计方案

1.引言

《通信原理》课程是我校通信工程专业、电子信息工程专业的一门专业基础课，学生对本门课程的掌握程度直接影响到后续专业课程的学习。在实际教学中认识到由于其理论性比较强，学生容易产生厌烦心理。因此，需要大量相关的实验操作实现对理论知识进行理解、消化。实际的通信系统实验又很难都在实验室中完成，通过进行虚拟实验平台的建设可以很好的解决这样的问题。虚拟实验除了具有在时间上和空间上的应用都非常灵活的特点，还可以减少实验室中实验设备的损坏维修费用。现已被越来越多的高等院校校所认可，并逐步实现采用虚拟实验室对传统的实验室进行补充和替代[1-3].

2.通信原理虚拟实验平台总体结构

建设通信原理虚拟实验室平台的目标就是在结合理论教学的基础上，构造适合本校学生学习、运用及研究该课程的实验环境[4].为了尽可能多的包括通信原理课程的实验，该平台设计了几乎涵盖了通信原理课程的所有重点理论内容。实验平台设计的总体结构如图1所示。

3.通信原理虚拟实验平台设计及实现

3.1 设计目标

通信原理虚拟实验整体平台设计不能太复杂，以免使得学生望而生畏，应能较好的运用虚实结合的特点，给出参考范例，学生可以自行搭建设计。

具体的设计目标如下：努力使系统的内容将通信原理课程大多数实验内容都包含进去。

整个实验平台应该保证每个子模块是相对独立的，以便进行后续的扩展;系统应具有较强的健壮性，提供的实验环境应该是非常稳定的，避免由于学生的不正确操作而出现系统崩溃的情况;系统的用户界面要比较友好，具有较好的交互性，包含完整的帮助文档，操作简单，能够及时响应操作。

3.2 设计实例

LabVIEW程序主要包括前面板和方框图程序两部分。前者主要是模拟真实仪器的面板操作，可进行输入数值设置、文本显示等操作。

方框图程序主要是应用图形编程语言进行编写，类似于传统程序(如C语言)的源代码，可以传送前面板输入的命令参数到具体仪器，然后进行相应的操作。LabVIEW的特点之一就是流程图程序设计语言，这与传统程序语言线性结构不同。下面以实验平台中模拟通信系统的非线性调制的仿真平台为例进行叙述。频率调制(FM)是一种载波频率随基带信号的变化而改变的一种调制方式，是参考教材第五章第三节的内容[5].虚拟实验平台的进入界面如图2所示。

点击入口按钮后进入实验系统选择模块，如图3所示。选择模拟通信系统→非线性调制进入非线性调制(FM)实验平台，对应的前面板及程序框图如图4、图5所示。

在给学生频率调制实验的讲解时，需要从更实用的角度进行介绍，应该考察载波频率和FM偏移对于调制所得的FM信号产生的影响。

在这里需要对基带频率、载波频率和FM偏移三个基本参数进行调整。基带频率可以调整信息信号的频率。

载波频率则是用来传输信息信号的频率。

而FM偏移则确定了载波信号和调制信号的最大瞬时频率差。首先对基带频率进行调整，观察由此对FM调制波形图所产生的影响。然后改变载波频率，观察对FM调制信号的影响，频率偏移可以自动进行调整，以免超过载波频率。载波频率等于基带频率情况下的波形图如图6所示。由于这些频率是完全一致的，因此FM调制信号不再是纯粹的正弦信号。

从图6中可以看出，调制后的信号已经不能清晰地表示基带信号。在理想情况下，载波频率应该远高于基带信号的频率。在图7中，能看到载波频率提升之后的结果。这里每个频率的整周期信号都已经被表示出来了。

下面考察调制指数对与FM信号的影响。

将载波频率调整到最大值1MHz.注意到FM偏移的最大值已经自动调整为500kHz.然后拖动滑动条将FM偏移设定为1MHz,并观察结果。所得到的时域信号的频率波动非常明显。如图8所示，基带信号的最低电平是由0Hz频率所表示的，而基带信号的最高电平则是由2MHz频率所表示。

较大的FM偏移值从视觉上而言比较直观，而较小的FM偏移值则不然。为了证明这点，把FM偏移值设定为200kHz,在这种情况下，基带信号的不同电平将由800kHz至1.2MHz的频率表示。调制后的时域波形如图9所示。此时，频率偏移的变化在时域上不再那么明显。但是，这种影响对于通信系统而言则是至关重要的。

理想情况下，一个通信系统应该采用最大的频率偏移，以便更精确地表示基带信号，但增加频率偏移的代价则是提高信号发生的功率以及所占用的频带宽度。

可以通过点击“频域”标签，观察调制后信号的FFT功率谱。同时逐渐调整频率偏移变量，观察对信道宽度的影响。注意到频率偏移较高的情况下，信道将占据较宽的频带。图10中是一个载波频率为1MHz,频率偏移为500kHz的FM信号。可以从图10中看出，调制信号占据了超过1MHz的带宽。

实践证明通过这样的讲解，学生可以很轻松的掌握频率调制的原理，收到了实验辅助理论教学的作用。

4.虚拟实验室在远程教育中的应用

LABVIEW还具有非常强大的网络功能[6-7],本实验平台利用LabVIEW虚拟仪器技术与Web技术，将实验平台放在实验室服务器中，远程客户端可以通过网络访问服务器进行虚拟实验。实现了学生在宿舍也可以进行实验的目的。LabVIEW中集成了Remote panel技术，在实验室的服务器程序设计完成之后，可以通过LabVIEW程序中的网络发布工具将程序嵌入到HTML文件中，然后通过LabVIEW提供的网络服务器向网上进行发布，可以实现浏览器访问。此时，当用户在浏览器环境下键入产生的HTML文件网络路径后便可在自己的PC机上使用Web上的虚拟仪器进行通信原理的相关实验了。

5.结束语

通信原理虚拟实验平台涵盖了通信原理课程中的主要内容，提供了所有仿真实验的源代码，学生可以自己进行程序的修改，可以充分调动学生的学习积极性，提高学生对通信原理课程的学习兴趣。一方面可以弥补实验箱覆盖面有限的问题，另一方面又可以加深学生对通信原理理论的理解。使学生从被动应付实验变为主动设计实验，使学生脱离了固定实验室时间和地点的限制，有利于充分发挥学生的主观能动性和创造性。