信息论与编码虚拟仿真综合实验平台的设计

赵 攀，刘雪忠，蒋志良，赵志鹏

（1. 河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州，450001；2.河南航天液压气动技术有限公司，河南郑州，450001）

信息论与编码课程是通信工程专业的一门必修专业课，也是电子信息通信领域的基础学科，现代通信系统中信息的传输、编码、加密、译码等知识与课程内容密切相关。然而信息论与编码课程的内容抽象、理论性强、实践性弱等特点，导致学生缺乏兴趣。[1-3]为了提高教学质量，本文将基于LabVIEW 设计信息论与编码虚拟仿真综合实验平台，旨在解决该课程中知识点多、综合性强，学生难以融会贯通、学以致用等问题。该平台将以学生为中心，以课程实验项目为载体，实现理论知识实例化，从而提升学生的动手能力与创新能力，形成多层次、贯通式、先进一体化教学模式。

一、LabVIEW 软件介绍

LabVIEW 是美国NI公司推出的基于G语言图形化编程的虚拟仪器仿真开发软件，它把复杂烦琐的文本语言编程转化为图形化语言编程，在信号采集与处理方面有较强的功能，已被成功引入多个领域，如仿真、测试、跨平台开发等。[4-6]相较于传统的MATLAB 仿真，LabVIEW具有直观的交互界面、灵活的程序设计和优异的扩展性，使用LabVIEW 环境进行信息编码仿真可以在前面板展示输入输出和实验结果，在后面板分析程序运行时的数据流向，实时记录数据，更有利于用户观察、分析和调试各个模块的程序与实验结果。LabVIEW 直观可视化的运行环境不仅满足了基本教学需要，也为学生在知识点的理解上提供了便利。因此，信息论与编码仿真综合实验平台的设计选择了LabVIEW 作为主要工具。

二、仿真综合实验平台的总体设计

信息论与编码是以概率论、随机过程等数学方法为基础，研究信息的传输、存储、处理等规律的一门学科，其课程内容主要包括信息相关概念的描述、信源编码、信道编码、加密编码等，为此该实验平台进行如图1 所示的总体设计，实验内容主要分为两个层次、四个模块。其中基础性层次为课程知识的验证性实验，包括信源编码和信道编码，高阶性层次为前沿性综合设计实验，包括图像加密编码和二维QR 码编码。

图1 教学模式总体设计

为了便于人机交互，根据实验内容，实验团队开发了相应的用户主界面，如图2 所示。该界面主要包括用户的系统登录以及实验模块的呈现。具体的实验模块则采用嵌入式面板的方式，点击不同的按键进入具体的实验界面，进行设计、运行和调试。基于LabVIEW 开发环境的信息论与编码虚拟仿真综合实验平台主要包括前端界面和后端模块的搭建，在前端界面上用户可以进行参数的设置，得到结果的显示等；后端模块主要是程序代码的编写以及模块的设计等，并将前端输入参数加载到后端程序。该平台采用前端界面与后端模块相结合的可视化形式，易于操作且更有利于学生对知识体系的理解。

三、仿真综合实验平台的模块设计

（一）信源编码

在通信系统中，信源编码的目的主要是减少或消除数据的冗余度，提高信号传输的有效性。[7]其编码原理如图3所示，将原始等长的信息符号码进行压缩映射为变长码元，从而缩短平均码长、提高传输效率。信源编码主要分为限失真编码和无失真编码，限失真编码主要用于连续信源，无失真编码适用于离散编码。考虑到当前通信系统主要为数字通信系统，且主要采用无失真信源编码，本平台主要对香农（Shannon）编码、费诺（Fano）编码和哈夫曼（Huffman）编码三个常见的无失真信源编码进行开发设计，对于连续信源先进行抽样、量化再进行编码。

图3 编码原理

（二）信道编码

信息传输过程中存在信号衰落、噪声干扰等现象，导致接收端的信宿收到的信息具有一定的误码率。为了提高信息的可靠性、减少误码率，信道编码成为必要措施，其核心思想是在信息码中添加一些多余的码元，从而使接收端信息具有检测或纠正错误码元的能力，以保证传输过程的可靠性。[8]当前的信道编码主要有分组码、卷积码、级联码、Turbo 码和LDPC 码等，而线性分组码的编译码电路简单、易实现，广泛应用于实际，为此本平台将在着重验证线性分组码的同时对卷积码、重复码进行了对比。

（三）加密编码

加密编码的目的是通过编码技术将原始明文信息变化为秘密形式的信息，从而保障信息传输系统的安全性和保密性。具体过程是将明文分成等长的连续数组M1、M2，并且使用相同的密钥K 进行加密,表示为C=EK（M）=E1（M）×E2（M），其解密过程，则要借助密钥函数，对加密信息进行逆变换，从而获得原始信息。[9-10]本平台主要对图像信息进行了加密编码的仿真与验证。

（四）二维QR 码编码

二维码技术是将文字、数字等信息按照特定的规则编码为图像的形式进行信息的传递和存储，使肉眼无法识别，从而起到保密的作用。QR 码（Quick Response Code）作为一种二维码技术，因其信息存储容量大、占用空间小、抗干扰能力强、易读取等特点成为国内外二维码主流技术。[11-12]随着信息技术的发展，二维码QR编码技术已经广泛应用于人们的日常生活中，譬如疫情防护、支付宝收付款、微信、共享单车等，本平台将对其进行设计仿真。

四、仿真综合实验平台的模块展示

（一）信源编码

信源编码如图4所示，前端界面设计主要包含信源个数，各个信息码的概率统计的参数输入以及香农（Shannon）、费诺（Fano）和哈夫曼（Huffman）三种编码方式的码元输出结果，其中包括信息熵、平均码长、编码效率等内容的展示。在实验过程中，首先输入信源个数和各个信息码的概率，然后对不同的模块进行编码，最后得到输出编码结果。实验结果证实， “与香农编码、费诺编码相比，哈夫曼编码的平均码长较短，编码效率和压缩比较高” ，这与课程理论知识相一致。以哈夫曼编码为例，后端面板主要由信息码输入模块、哈夫曼树计算模块和计算结果输出模块组成，如图4所示。

图4 信源编码结果展示

（二）信道编码

为了使学生们能够更加地熟悉信道编码的原理和编码的生成过程，提高大家的兴趣和实操能力，做到理论实践相结合，实验平台设计了卷积码编码、分组码编码和重复码编码三种实验分析。如图5所示，在实验运行的时候，可在前面板中手动输入信息码（二进制序列），则不同编码方式的编码结果将会在输出中清楚地显示。对于分组编码而言，还需要在前面板进行生成矩阵的参数设置，为了和课程内容有效结合，本平台还将显示相应的监督矩阵，对于卷积码则需要注意输入序列是否符合三的倍数这一条件，重复码则需要考虑重复的次数。在后面板上输入编码，经过抽取一维数组得到多个分组信息比特，然后进行分组码编码、重复码编码以及卷积码运算，最后通过交织一维数组形成输出数组，得到输出编码在前面板显示结果。

图5 信道编码前后面板

（三）加密编码

本平台主要对图像信息进行了加密编码实验，如图6 所示，首先在前面板进行图像信息的输入，然后对加密和解密后的图像信息进行了展示。在后面板编程框图中可以看出加密过程是先将输入的图像明文与数字密码1 进行异或处理，然后在第一次运算输出的结果上加上数字密码2 的线性运算，便完成了加密编码，可输出密文；其解密过程则是由密文进行减去数字密码2，再与数字密码1 进行异或恢复源数据（明文），完成解密译码，在加密和解密过程中借助对称加密密钥函数，即当连续两次与相同的数字密码进行异或操作，恢复初始的图像信息。

图6 加密编码前后面板

（四）二维QR 码编码

在利用LabVIEW 进行图形化编程语言设计中，主要参数的输入包括QR 码上色和底色的颜色设置、输入文本、掩膜图形以及版本。二维QR码的后面板主要由参数获取GET QR CODE 以及图像输出OUT PIC 两个模块构建，首先GET QR CODE 模块获取前面板参数信息，包括图片尺寸、版本、掩膜图形、输入文本和边界距离等，然后通过4 个输入端口将其输入OUT PIC 模块中，再根据OUT PIC 模块中显示器点、像素大小和扩展版本等信息，生成二维QR 码图片，并将结果展示在前面板。二维QR 码编码的前后面板如图7所示。

图7 QR 编码前后面板

五、结语

基于LabVIEW 设计的信息论与编码虚拟仿真综合实验平台，以验证引导性实验为主，操作创新性实验为辅，只需要一些简单的文本输入操作就可以直观地观察到输出结果，使得教学中的实验演示更加方便，学生也可以更快速地接受这种教学方式。操作创新性实验设计目的在于激发学生的创新思维，锻炼学生的创新能力、自主学习能力。该实验仿真平台不仅可以使学生准确把握实验目的、思路和过程，还可以让学生把课本散碎知识应用于整个实验过程中，从而为更深一步的信息传输系统分析和设计夯实基础。