基于虚实结合的通信原理仿真平台模式探索

史洪玮，朱 琳，许崇彩，黄 骏

（1.宿迁学院 信息工程学院，江苏 宿迁 223800；2.宿迁学院产业技术研究院，江苏 宿迁 223800；3.宿迁泽达职业技术学院，江苏 宿迁 223800）

0 引 言

通信原理涵盖的知识点包括消息、信息与信号的概念、通信系统的分类与传输方式、通信系统的指标、调制与解调、信源编码、差错控制编码、同步和信道复用等，是一门兼顾理论性与实践性的重要专业必修课。传统的通信原理实验教学长期以单一的线下实验为主，开展所需的验证性实验和综合性实验，助力学生更好地理解通信的抽象性概念；而线下实验存在实验设备维护成本高、利用率不足、实验内容可扩展性差、实时性差等缺点，难以满足新时代教学探索与改革的需求。

基于C/S 架构[1]的客户应用程序运行在用户计算机上，实验环境不需要下载配置，只需要待传输的数据与服务器通信，也就是说当通信原理虚拟仿真实验场景需要对数据库中的数据进行任何操作时，客户应用程序才寻找服务器程序，并向其发出请求，从而减轻应用服务器运行数据的负荷量[2]。本文将C/S 架构引入到通信原理虚拟仿真实验项目设计中，提出基于虚实结合技术构建实验环境的解决方法，提供实时在线实验条件，学生突破地域、时间的限制，随时、随地进行验证性实验、设计性实验，在实践中提高自己的实践与创新能力。

1 虚实结合仿真平台设计

虚实结合仿真实验平台模拟了真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境[2]，通过实验教学仿真实验了解通信原理，将核心的理论性知识、内容抽象等知识结构进行优化，实现理论与实践的相融合更能突显出知识的重难点，更好地增加学生直观感受，更好地理解和掌握相关的通信原理教学内容。本文项目由验证型向设计型、综合型转化，再配合通信原理课程设计以及案例教学，使学生能够及时发现问题、分析问题、解决问题，达到学生学以致用的目的，进一步提高学生的实践创新能力。

虚实结合实验环境采用“服务器+交换机+终端”模式，终端集成数据发生器、实验箱、示波器等设备功能，交换机实现一个IP 端口对应多终端，客户端软件完成参数配置和显示功能，所有数据生成、分析均由终端完成，不仅节约了设备、场地以及维护和管理等经费，而且数据真实有效、实时性更强。虚拟实验环境的搭建为学生提供一个真实自然的通信原理学习环境，通过虚拟化实验环境，满足教师多维互动式线上教学，提高教师的教学手段及方法，满足学生通信原理实时学习的要求，进而推动通信原理课程实验教学，帮助学生加深理论学习的理解。

1.1 明确通信原理虚拟仿真任务安排

本次基于C/S 架构的通信原理虚拟仿真项目，其任务共设计为三大部分，分别为：项目资源设计、内容设计以及平台设计。通信原理虚拟仿真实验项目任务安排如图1所示。

图1 通信原理虚拟仿真实验项目任务安排

通信原理虚拟仿真实验项目[3]资源设计简单，如课程简介、教学大纲以及指导手册，为学生在线实验提供导读性资料，帮助学生把握重难点，快速完成实验；项目内容设计分为模拟信号虚拟仿真实验以及数字传输虚拟仿真实验，并将两大模块进行细分，进一步完成各项实验；项目平台采用C/S 架构，结合“服务器+交换机+终端”模式，其工作规则是客户端提供与终端功能相对应的实验环境，如对码长、码型、码速等参数进行设置，终端根据参数设置产生信号、处理信号，并将结果上传到客户端供学生查看。

1.2 构建通信原理虚拟仿真实验场景

在通信原理虚拟仿真实验场景开发过程中，可以将信号源、滤波器、信号处理器、示波器以及连线等进行复现，增强仿真实验场景的沉浸感。首先根据C/S 架构的基本原则将通信原理虚拟仿真实验场景分解成多个子场景，由客户端计算机进行再现；再通过客户应用程序和数据库服务器实现数据交互，如控制终端生成、分析数据；最后送到客户端展现，达到真实的实验效果。通过构建通信原理虚拟仿真实验场景，有效解决了空间与时间的限制，学生能在远端通过客户端随时、随地完成课程实验，加深对概念的理解[4]。

1.3 完成通信原理虚拟仿真实验项目设计

实验项目分为验证性项目、综合设计性项目以及设计性项目。学生根据实验指导书结合虚拟环境中已有的资源完成验证性项目，如抽样定理实验、信源编译码实验、信道编译码实验、数字调制解调实验、基带传输实验[5]、信道模拟及特性研究实验、同步技术实验、模拟调制解调实验、信道复用技术实验等加深对理论知识的理解。综合设计性项目在老师的要求下进行，在完成基本任务的情况下可以拓展、优化，其中自主设计的优秀作品，可以作为综合实验教学项目储备，列入常规教学项目，将其教材化，加大对新生的认可度，进而激发学生的创作热情，实现创新能力的自发性提高。

2 基于C/S 架构的通信原理虚拟仿真实验项目应用

在通信原理的学习中，需要掌握通信的基本概念、通信系统的模型、通信系统的传输方式、信息及其度量、信道、模拟调制系统、数字基带传输、数字带通调制系统、信源编码等知识，通过虚拟仿真实验可以帮助学生对这些概念的加深理解。本文主要针对抽样定理[6]、PCM 编码以及码型变换三个经典实验，利用通信实验模块进行相关虚拟仿真实验。

2.1 抽样定理

抽样定理为如果一个连续信号f(t)所包含有的最高频率不超过fh，则当抽样频率f大于等于2fh，抽样信号包含了原信号的全部信息客户端抽样实验界面，信号源（A2 单元左侧）产生模拟信号和抽样脉冲，信号波形、频率、幅度均可调节，抽样脉冲频率和占空比可调节，恢复滤波器带宽可设置，A2单元完成抽样，A7 单元完成信号恢复。示波器通过连线方式验证抽样效果如图2所示。

图2 信号抽样和信号恢复

（1）如图3所示，原始信号被设置成幅度为24、频率为2 kHz 的正弦波，将参数传递到终端中，实现终端中生成真正的正弦波数据源。

图3 原始信号设置

（2）如图4所示，抽样脉冲被设置成占空比为1/2，频率为5 kHz 的抽样脉冲，终端生成相应的数据。

图4 抽样脉冲信号的频率设置

（3）如图5所示，客户端示波器显示的四道波形图从下到上分别表示为原始信号、抽样信号、抽样输出信号、恢复信号，其中恢复信号与原始信号相比未见失真，再对比其他频率的抽样脉冲，验证抽样定理。

图5 示波器监测波形

2.2 PCM 编码

数字通信系统的典型特征就是信源和信宿都是模拟信号，因此需要把模拟信号转换成数字信号再进行传输，本实验采用脉冲编码调制（PCM）[7]。其工作原理如图6所示。

图6 虚拟仿真PCM 编码工作原理

（1）抽样

抽样是在时间上将模拟信号离散化，但是抽样的幅度值还是没有离散化，仍有无数多个可能，为模拟信号。

（2）量化

量化可采用均匀量化和非均匀量化，但是通信系统传输过程中，要满足通信系统的信噪比大于26 dB。信噪比公式为：

SNB=10lg(Us/UN)2=20lg(Us/UN)

均匀量化中量化误差最大值恒定，假设为0.5，如抽样量化电平为1 时，代入上式得该信号的信噪比为6 dB；当抽样量化电平为128 时，量化信噪比为48 dB。存在小信号不能满足通信要求的问题。

非均匀量化对信号的不同部分采用不同的量化间隔进行量化[8-9]，从而改善小信号的信噪比，其信噪比改善量为：SNR2-SNR1=20lg(∆y/∆x)，可以有效改善其信噪比。∆y/∆x即为每一线段的斜率。信噪比曲线如图7所示。

图7 信噪比曲线

（3）编码

在A 律13 折线中，由于正、负各有8 段，每段内有16 个量化间隔，共有2×8×16=256=28 个量化级，因此所需编码位数N=8。8 位码的安排如下：a7a6a5a4a3a2a1a0。a7 表示极性；a6a5a4 表示样值的幅度所处在8 段中的哪一段落；a3a2a1a0表示每一大段中16小段所对应的量化间隔序号。编码效果图如图8所示，抽样值为1 216，表示幅度落在第8 段的第3 量化间隔，为正值，二进制编码表示为1-111-0011。

图8 编码效果图

2.3 码型变换

码型变换可以根据不同的信道要求选择合适的码型进行输出，数字信号的码型设计需要遵循传输码型功率谱，应不含直流或低频频率分量、定时时钟提取方便等原则。在这里介绍单极性不归零码转变为曼彻斯特码的实验。

单极性不归零码中，占空比为1，“1”码、“0”码可分别用正、负电平表示。缺点是含有直流成分，而且不能直接提取同步信号。

曼彻斯特码中，“1”、“0”码分别对应“正负脉冲”“负正脉冲”，达到直流分量相互抵消、定时信息便于提取的目的。

本文用单极性不归零码表示基带信号，其二进制码流为“0110001100001111”，基带时钟信号为下降沿有效，基带数据转化成曼彻斯特码。曼彻斯特码信号如图9所示。

图9 曼彻斯特码信号

如图10所示，客户端完成参数设置，并通过连线方式连接示波器的各通道，其码型变换单元A3：基带信号从2P6输出基带信号（见波形1）；2TP8 输出基带时钟（时钟速率可以设置为2 kHz，见波形2）；3P6 输出对2P6 信号的码型变换结果（见波形3）。

图10 编码码型连线图

如图11所示，实现了单极性非归零码转换曼彻斯特码，其中波形1、波形2、波形3 从下往上显示。

图11 编码码型信号图

3 结 语

通过仿真实验证明，基于C/S 架构的通信原理虚实结合仿真平台场景拟合度的高低是保证通信原理虚拟仿真实验项目设计质量的主要衡量标准，平台将C/S 架构与“服务器+交换机+终端”模式结合一起，可以大幅度提高虚拟仿真实验项目场景拟合度，从根本上降低系统的通信开销。基于C/S 架构的通信原理虚实结合仿真实验项目使得学生能够突破时间、空间的限制，并且采用硬件终端进行数据分析，增加学生直观感受[10]，使学生能够及时发现问题、分析问题、解决问题，更好地理解和掌握相关的通信原理教学内容。本文唯一不足之处在于，没有对基于C/S 架构的通信原理虚拟仿真实验设计项目效果进行深入分析，相信这一点，也可以作为通信原理虚拟仿真实验项目日后的研究方向之一，进一步提高学生的创新实践能力。