电子与通信技术仿真型开放实验室.doc

e-Labsim电子与通信技术仿真型开放实验室一、项目背景自从上一轮的教学水平评估以来，很多学校都投入了大量的资金用于实验室的建设，几年下来，应该说与课程直接相关的实验室基本上都建起来了，可是在实验室的使用和实践教学方面，很多学校都遇到了一些问题，产生了一些困惑，实验效果也是不尽人意，具体表现在如下几个方面：1） 学校的实验教学资源难以做到充分有效地利用，一直在提的“开放实验室”无法做到真正的开放；2） 实验课时有限，且学生在实验课之前无法对理论及实验设备进行较好地预习，导致实验不充分、低级问题不断，结果让实验老师的指导负担加重，实验设备易损坏，且实验效果大打折扣；3） 现有的实验设备只能提供极为有限的二次开发空间，且对二次开发没有提供很好的支撑，导致现有设备离创新人才的培养环境要求差距十分巨大；4） 现有实验设备因可靠性、配套资料不完善或实验现象不稳定等问题，在很大程度上影响了实践教学；5） 对学生实验效果的评价和考核手段很单一，往往只以实验报告来进行考核；6） 因实验配套的测试设备不完备，往往只靠示波器来观察实验现象，导致学生的观察手段和观察角度单一，从而影响到学生对相关理论的理解和验证；尽管大部分高校目前阶段的实践教学效果不是很理想，可另一方面，国家对人才的培养又提出了新的要求，即培养“创新型人才”的指导性要求，从目前来看，学生现有的专业水平与国家的“创新型人才培养战略”之间还存在着较大的落差，大部分学校也还没有形成成熟的创新人才培养的思维和模式。针对当前高校通信类专业实践教学所存在的现状，公司投入近三百万元，联合国内在仿真及通信技术方面有较深入研究几家科研院所，经过两年多时间的潜心研发，推出了一款e-Labsim仿真型开放实验室产品，该产品主要采用了大型仿真软件所独有的算法及时序仿真相结合的技术，并应用当今比较流行的CSDA的网络架构及软件框架，通过部署在用户的服务器上，可以很好的实现实验资源的开放，给学生搭建起一个随时随地可以学习和创新设计的环境，另外，为了能加强对学生实践的管理和指导，e-Labsim还配套了一套较为完善的实验教学管理系统，不仅能进行常规的实验老师和学生的管理，更支持学生将实验过程、实验结果和实验报告上传给老师进行评阅，便于老师加强对学生的考核。e-Labsim的出现从根本上改善了实践教学领域中资源利用不充分、实验效果不满意以及创新环境不完善等状况，该产品将会在很大程度上提升相关学校的实践教学水平。应该说，e-Labsim的出现也填补了国内在教学领域仿真软件方面的空白，长期以来，国内在电子设计实践教学方面都依靠国外的仿真软件，如美国NI公司的Multisim，而这类软件除了价格昂贵之外，它基本上只能应付从器件到电路或模块的仿真，从功能模块到系统的仿真则无法应对，e-Labsim则很好地填补了这方面的空白。二、产品主要功能及特点1. 独有的“仿真核”技术，让e-Labsim能完整模拟硬件外观及行为，让学生从仿真环境到实际的硬件环境能实现“无缝”切换；这应该是e-Labsim完全不同于其它虚拟实验环境的独到之处，正因为拥有“仿真核”技术，我们才可以让e-Labsim与国外的一些大型软件相比美。2. 配套完善的测试设备，比实际的实验室的配置更胜一筹，学生能利用各种不同的设备对信号进行全方位的观测；为了能让学生能有比较完备的测试方法和环境，我们专门配套了一些常用的测试仪器，如函数信号源、示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪，3. 配套测试设备也能完整模拟实际设备的行为和操作习惯，老师完全可以在该环境下训练学生对实际设备的操作能力；与Multisim一样，e-Labsim也将主要测试设备做成实际设备的全仿真形式，学生完全可以通过该平台上所提供的测试设备来学习和了解实际设备的操作和使用方法；另外，这里特别要说明的是，我们主要测试设备如示波器的展示效果完全优于Multisim；4. 支持学生自主搭建实验我们都知道，原型验证在创新设计及实践中占有相当重要的地位，学生在创新之前也往往会对自己的目标进行早期的原型验证。利用e-Labsim，学生除了可以按照我们所设计的实验来进行相关理论的验证之外，我们完全可以让学生按照自己的思路来进行电路及系统的搭建，以方便学生对自己要设计的功能和系统进行原型验证；5. 内置完整的二次开发及创新设计模块，学生可以方便地进行创新设计，而且，学生设计的功能完全可以替代我们的模块而融入到我们的系统实验中去；在我们给一些学校做e-Labsim方面的产品交流的时候，就有老师给我们提出能否在e-Labsim上进行二次开发和创新设计的问题，针对这一部分需求，我们特别进行了相应的设计，设置了两种模块，专门用于学生进行创新实践；另外，为了提升学生创新实践的兴趣，我们还可以将学生设计的功能和模块融入到我们的系统实验中进行验证；6. e-Labsim已经成功进行网络化改造，并采用流行的CSDA架构，让学生可以随时随地进行实验及创新设计；仿真软件的网络化是一件非常困难但十分有意义的事情，只有进行网络化改造才能让学生拥有随时随地进行学习和实践的环境，也只有这样才能将实验室做到尽可能的开放，才能让实践教学资源得到充分有效的利用。其实，据我们了解的情况来看，NI公司也在对Multsim进行网络改造。7. 支持多个学生终端之间互联进行系统的联调和观察，就像打联机游戏一样，既可以增加学生的兴趣，又方便老师通过远程的方式对学生进行一对一的考核和指导；为了让学生能互动起来进行一些更大的系统联调，提高学生对系统的理解及把握程度，提升学生的兴趣，我们特别考虑到了e-Labsim的终端互联功能，该功能可以让一个学生搭建发送系统，另一个学生搭建接收系统，然后将两个系统互联起来，这将会在很大程度上增强实验的效果；这里还是要强调一点，即学生在创新实践中所开发出来的模块及功能完全可以融入的这样的系统中去。其实，有实力的学生完全可以自行设计完整独立的发送系统或接收系统来进行联调；8. 采用大型数据库设计经验，从根本上保证数据库的操作安全；e-Labsim配有一个大型的数据库，为了方便使用，对用户而言，该数据库必须具备很好的开放性，但开放性往往与安全性互相矛盾，为了保证数据的安全，防止有人对数据进行恶意篡改、删除等操作，我们在数据库的设计方面采用了大型软件数据库的设计经验，能彻底杜绝此类安全隐患；9. 为保证产品的可靠性，我们除了在软件方面进行精心处理之外，还实现了服务器端软件的“用户无感知重启”，让服务器永不瘫痪；对于一个大型的网络级仿真软件而言，如果服务器端软件在运行中出现崩溃，则会直接让所有的在线用户无法正常操作，而随着软件的规模越来越庞大，谁也无法保证软件能完全杜绝崩溃的发生，即便是微软也无法保证，这种情况下，我们采用了一系列的新技术，实现了“用户无感知重启”，基本上可以让服务器永不瘫痪；10. 为了方便学生的互动，e-Labsim还配套了一个简单实用的即时通讯工具；该即时通讯工具主要用于互动实验的邀请及协调，该工具除了能让学生查看到有哪些学生在线之外，还支持互动的双方在网上进行直接会话；11. 特别内置与Matlab的接口模块“Link for Matlab”，让创新实践有一个很好的依托。为了方便学生进行二次开发和创新设计，我们在e-Labsim中专门内置了一个“Link for Matlab”模块，可以和Matlab进行接口调用，学生可以直接在Matlab环境中进行开发，然后由e-Labsim直接调用并进行验证和观测；这是e-Labsim在支持创新实践方面的的一大特色，也是一个十分重要、十分有利于学生进行创新实践的功能，现在作为大型仿真软件的Matlab在通信领域的应用越来越深入，与该软件平台进行标准的接口，除了降低学生在创新设计中的难度之外，还可以让学生熟悉一下Matlab软件环境及开发流程，充分缩小学生与实际工作的差距；12. 为了方便用户之间的交流和讨论，我们还专门为e-Labsim配套了一个BBS，用户可以在BBS上与我们的技术支持或用户之间进行讨论，这样，不管在操作还是在理论方面有何疑问都可以方便地寻求帮助；13. 配套了一套完善的教学管理系统，方便对学生的实践进行管理和指导；实验管理系统效果图仿真平台效果图三、产品的构成e-Labsim仿真型开放实验室当然也是一种虚拟的实验环境和平台，但其又不同于普通的“虚拟实验室”的概念，为了能做到实验室的开放以及让学生进行创新实践，在产品实现方面，我们主要采取了几个方面的思路和方案：1） 建立真实完整的实验对象的数学模型，让学生在虚拟环境下感受到的是真实的实验环境；2） 将实验对象按知识体系切割为一个个独立的模块，学生可以按照自己的意愿将各模块以不同的方式进行组合以搭建出不同的功能实体或系统；3） 每一个模块的相关参数是可以按照学生的意愿来进行自由调节的；准确地说，这一平台主要由八大部分构成，具体如下：1） 模块级仿真子系统；2） 创新实践子系统；3） 网络通信子系统4） 教学管理子系统；5） 实验子系统；6） BBS子系统；7） 虚拟仪器子系统；8） Matlab接口调用子系统；四、应用案例1. 学生对实验进行预习，并提交预习报告；2. 老师对学生提交的实验数据及报告进行批阅并评分；3. 学生通过Matlab进行二次开发及创新设计；4. 学生学习测试仪器的使用；5. 学生自主进行系统的搭建及验证测试，原型验证；6. 两个学生之间进行系统互联；7. 学校已经购买了其他公司的硬件，再结合e-Labsim来进行教学；8. 网管对用户进行管理；五、产品的市场竞争分析从我们与一些学校的交流情况来看，很多老师和专业领导都不约而同地表示，其实早在几年前他们就想到过这样的方案和思路，只是觉得技术难度太大而没有往这方面做过多的考虑。甚至有些老师尝试过用Labview和flash的思路来解决类似问题，最终因为无法实现仿真核心技术，要么效果差强人意，要么根本不能实现相关功能。综上所述，目前国内市场上，与e-Labsim正面竞争的产品基本上没有，而侧面竞争的主要是一些用flash做的所谓的虚拟实验室方案，而这些基本上都成不了气候；另外，美国NI公司的Multisim现在是在高校中用得越来越多的一款仿真软件，其主要完成的是从器件到电路及模块的仿真，属于器件级仿真软件；e-Labsim则主要这对从模块到系统的仿真，属于模块级仿真软件，应该说这两款产品更多的是互补的关系，学校完全可以通过这两款软件的组合应用，完成整个电子及通信类专业的仿真教学，如果再结合Matlab，则更完美。六、 实验项目e-Labsim涵盖通信原理、光纤通信、程控交换及移动通信的相关实验，具体实验项目如下： 通信原理实验项目：l 信号源实验 lCPLD可编程数字信号发生器实验 l模拟信号源实验l 语音编码技术 l抽样定理和PAM调制解调实验 l脉冲编码调制解调实验 l增量调制编译码系统实验 lADPCM编译码实验l 锁相环实验 l模拟锁相环实验 l数字频率合成实验l 数字调制与差错控制技术 l振幅键控(ASK)调制与解调实验 l移频键控(FSK)调制与解调实验 l移相键控(PSK/DPSK)调制与解调 lQPSK/OQPSK调制与解调实验 l矢量调制星座图实验 l汉明码编译码实验l 数字基带传输技术 l码型变换实验 l眼图实验l 同步技术 l帧同步提取实验 l位同步信号提取实验 l同步载波提取实验l 时分复用技术 l两路PCM时分复用实验 l两路PCM解复用实验 l计算机数据通信实验l 信道模拟 l数字信号的最佳接收实验 l信道模拟实验l 系统实验 l载波传输系统实验 l数字基带传输系统实验 l两路话音+两路计算机数据综合传输系统实验l 二次开发实验 l分频器实验 lPN序列产生实验 lAMI编码实验 lAMI译码实验 lHDB3编码实验 lHDB3译码实验 lCMI编码实验 lCMI译码实验 光纤通信实验项目:l 光发射机与光接收机实验 光发射机的组成 自动温度控制原理 自动光功率控制电路 无光告警和寿命告警电路 光源的P-I特性测试 光发射机消光比测试 光发射机平均光功率的测试 光接收机的组成 光接收机主要技术指标测量及眼图观测 光纤中继距离估测实验l 模拟信号光纤传输系统实验 模拟信号光纤传输系统 电话语音光纤传输系统 图像光纤传输系统l 数字信号光纤传输系统实验 PN序列光纤传输实验 CMI编译码原理及CMI码光纤传 加扰和解扰原理及扰码光纤传输 PCM编译码及数字电话光纤传输l 光纤综合传输系统实验 波分复用光纤传输系统（WDM） HDB3编译码原理及实现 数字锁相环DPLL原理及实现 固定速率时分复用原理及实现 解固定速率时分复用原理及实现 变速率时分复用原理及实现 解变速率时分复用原理及实现 4路数据2路电话光纤传输系统 4路数据3台计算机1路图像/语音全双工光纤综合传输系统 2台实验箱6台计算机2路图像/语音全双工光纤综合传输系统l 二次开发实验 pn序列程序设计 CMI编译码程序设计 5B6B码程序设计 4B1P和4B1C程序设计 HDB3编译码程序设计 扰码、解扰码程序设计 数字锁相环（DPLL）程序设计 固定速率时分复用程序设计 解变速率时分复用程序设计 程控交换实验项目： 用户接口模块实验 l信令信号的产生与观测实验 l双音多频（DTMF）接收与检测话路PCM编译码 l呼叫处理与线路信号的传输过程 l二/四线变换与回波返损测试实验 l用户终端电话信号电平调整实验 l系统时间参数设置 l话机参数设置 l信号交换方式与状态显示实验 l人工模拟话务台实验 l空分交换的过程与分析实验 l模拟中继接口实验 l时分交换网络基本原理 l局内数字交换实验 l电话会议实验 l数字时分中继与编程实验a帧同步插