电子与通信仿真型开放实验室方案.doc

武汉凌特电子技术有限公司 电子与通信技术仿真型开放实验室建设方案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，武汉凌特电子技术有限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“仿真引擎”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. 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；11. 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；实验教学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） 虚拟仪器子系统；7） 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、实验项目及实验模块e-Labsim涵盖信号与系统、通信原理、光纤通信以及移动通信的相关实验，具体实验项目如下：信号与系统： 信号与系统课程实验设计紧密贴合教材内容，课程重点均有相应的实验设计。在课程学习时，即时的实验演示会加深学生对理论知识的理解。e-Labsim可实现对信号在时域和频域的分析，并且将电压表，频率计等功能集成到仿真系统中。 信号与系统包含模块：电压表及直流信号源模块、信号源及频率计模块、抽样定理及滤波器模块、数字信号处理模块、一阶系统特性模块、二阶系统特性模块、系统相平面分析和极点对频响特性的影响模块。 实验项目：常规信号观测实验阶跃响应与冲激响应连续时间系统的模拟无失真传输模块有源无源滤波器抽样定理与信号恢复二阶网络函数的模拟二阶网络状态轨迹显示实验一阶电路系统的频响测试实验二阶电路系统的频响测试实验二阶电路的传输特性信号卷积实验矩形脉冲信号的分解与合成相位对信号合成的影响信号的频谱分析数字滤波实验直接数字频率合成极点对频响特性的影响系统相平面分析FDM频分复用传输系统通信原理： 通信原理课程是一门原理性课程，主要知识点可分为抽样量化、编译码、复用解复用、传输以及同步等。e-Labsim切合课程原理，实验项目和内容涵盖国内主流的现代通信原理教材和实验教材大纲。在实验验证上，e-Labsim的设计和传统实验箱一样，中间过程展示细腻，将抽象的原理性知识具体化。 通信原理包含模块：信号源模块、信源编码模块一、信源编码模块二、数字调制模块、数字解调模块、基带传输编译码模块、同步信号提取模块、时分复用模块、锁相环模块、汉明码编译码模块、信道模拟、眼图及最佳抽样模块。 实验项目：l 信号源实验CPLD可编程数字信号发生器实验模拟信号源实验l 语音编码技术抽样定理和PAM调制解调实验脉冲编码调制解调实验增量调制编译码系统实验ADPCM编译码实验l 锁相环实验模拟锁相环实验数字频率合成实验l 数字调制与差错控制技术振幅键控(ASK)调制与解调实验移频键控(FSK)调制与解调实验移相键控(PSK/DPSK)调制与解调QPSK/OQPSK调制与解调实验矢量调制星座图实验汉明码编译码实验l 数字基带传输技术码型变换实验眼图实验l 同步技术帧同步提取实验位同步信号提取实验同步载波提取实验l 时分复用技术两路PCM时分复用实验两路PCM解复用实验l 信道模拟数字信号的最佳接收实验信道模拟实验l 系统实验载波传输系统实验数字基带传输系统实验 光纤通信实验项目: 光纤通信原理课程中，对于光电转换中的各种性能参数的理解尤为重要。而e-Labsim仿真软件将误码仪以及光功率计等功能集成到系统中，对光接收机光发射机进行仿真，可以在仿真软件中测试光源的P-I特性和平均光功率等。如此在仿真软件中就可以让学生充分理解课程的重点内容，加深对课程的印象。l 光发射机与光接收机实验光源的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灵敏度测试l 模拟信号光纤传输系统实验模拟信号光纤传输系统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编译码及实现l 光纤综合传输系统实验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移动通信实验项目： 移动通信原理中，我们基于GSM通信系统和CDMA通信系统来对移动通信原理的各个知识点进行学习。e-Labsim不仅实现了移动通信系统的搭建，对于知识点的验证也极为详细。 移动通信包含模块：基带成形模块、码元再生模块、CDMA接收模块、CDMA发送模块、信道编码模块、信道译码模块、IQ调制模块、非相干解调模块、PSK载波恢复模块、信源编译码模块、时分多址模块。l 数字调制与解调技术四相移相键控（QPSK）调制及解调实验交错四相移相键控（OQPSK）调制及解调实验基带信号预成形技术实验MSK调制及相干解调实验GMSK调制及相干解调实验MSK/GMSK非相干数字解调实验矢量调制星座图实验l 同步技术PSK信号载波恢复NRZ码位同步提取实验扩展频谱技术m序列产生及其特性实验Gold序列产生及其特性实验直接序列扩频实验解扩实验卷积码编码及译码实验交织及解交织实验l 通信系统实验GSM通信系统实验CDMA扩频通信系统实验TDMA（时分多址）移动通信七、部分实验结果以下简单展示一下e-Labsim仿真软件的实验截图。信号系统实验方波的分解与合成：输入信号为方波信号，实验连线如下图：实验中，我们调用了两个示波器，这也是e-Labsim的另外一个优势，示波器的不限制调用。左边的示波器一路接的是信号源输出的方波信号，二路接的是方波分解出的一次谐波。示波器显示图如下：我们可以继续观测三次谐波，五次谐波以及更好此谐波。下图为方波分解的一次谐波与三次谐波：叠加了一次谐波到七次谐波的合成波形如下图：