电子与通信仿真型开放实验室方案.docx
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电子与通信仿真型开放实验室方案
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大体上都建起来了,可是在实验室的利用和实践教学方面,很多学校都碰到了一些问题,产生了一些困惑,实验效果也是不尽人意,具体表此刻如下几个方面:
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,致使实验不充分、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专门好的支撑,致使现有设备离创新人材的培育环境要求差距十分庞大;
4)现有实验设备因靠得住性、配套资料不完善或实验现象不稳固等问题,在专门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腕很单一,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,致使学生的观察手腕和观察角度单一,从而影响到学生对相关理论的理解和验证;
虽然大部份高校目前阶段的实践教学效果不是很理想,可另一方面,国家对人材的培育又提出了新的要求,即培育“创新型人材”的指导性要求,从目前来看,学生现有的专业水平与国家的“创新型人材培育战略”之间还存在着较大的落差,大部份学校也尚未形成成熟的创新人材培育的思维和模式。
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切研究几家科研院所,通过两年多时刻的潜心研发,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特有的算法及时序仿真相结合的技术,并应用现今比较流行的CSDA的网络架构及软件框架,通过部署在用户的服务器上,能够专门好的实现实验资源的开放,给学生搭建起一个随时随地能够学习和创新设计的环境,另外,为了能增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,更支持学生将实验进程、实验结果和实验报告上传给老师进行评阅,便于老师增强对学生的考核。
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、实验效果不满意和创新环境不完善等状况,该产品将会在专门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托国外的仿真软件,如美国NI公司的Multisim,而这种软件除价钱昂贵之外,它大体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则专门好地填补了这方面的空白。
二、产品主要功能及特点
1.特有的“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的地方,正因为拥有“仿真核”技术,咱们才能够让e-Labsim与国外的一些大型软件相较美。
2.配套完善的测试设备,比实际的实验室的配置更胜一筹,学生能利用各类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式和环境,咱们专门配套了一些常常利用的测试仪器,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适应,老师完全能够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,学生完全能够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利用方式;
另外,这里特别要说明的是,咱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
咱们都明白,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初期的原型验证。
利用e-Labsim,学生除能够依照咱们所设计的实验来进行相关理论的验证之外,咱们完全能够让学生依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,学生能够方便地进行创新设计,而且,学生设计的功能完全能够替代咱们的模块而融入到咱们的系统实验中去;
在咱们给一些学校做e-Labsim方面的产品交流的时候,就有老师给咱们提出可否在e-Labsim上进行二次开发和创新设计的问题,针对这一部份需求,咱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,咱们还能够将学生设计的功能和模块融入到咱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,让学生能够随时随地进行实验及创新设计;
仿真软件的网络化是一件超级困难但十分成心义的情形,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,也只有如此才能将实验室做到尽可能的开放,才能让实践教学资源取得充分有效的利用。
其实,据咱们了解的情形来看,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,既能够增加学生的兴趣,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,咱们特别考虑到了e-Labsim的终端互联功能,该功能能够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,这将会在专门大程度上增强实验的效果;
这里仍是要强调一点,即学生在创新实践中所开发出来的模块及功能完全能够融入的如此的系统中去。
其实,有实力的学生完全能够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,为了方便利用,对用户而言,该数据库必需具有专门好的开放性,但开放性往往与安全性彼此矛盾,为了保证数据的安全,避免有人对数据进行歹意窜改、删除等操作,咱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,能完全杜绝此类安全隐患;
9.为保证产品的靠得住性,咱们除在软件方面进行精心处置之外,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,若是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,而随着软件的规模愈来愈庞大,谁也无法保证软件能完全杜绝崩溃的发生,即即是微软也无法保证,这种情形下,咱们采用了一系列的新技术,实现了“用户无感知重启”,大体上能够让服务器永不瘫痪;
10.特别内置与Matlab的接口模块“LinkforMatlab”,让创新实践有一个专门好的依托。
为了方便学生进行二次开发和创新设计,咱们在e-Labsim中专门内置了一个“LinkforMatlab”模块,能够和Matlab进行接口挪用,学生能够直接在Matlab环境中进行开发,然后由e-Labsim直接挪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,此刻作为大型仿真软件的Matlab在通信领域的应用愈来愈深切,与该软件平台进行标准的接口,除降低学生在创新设计中的难度之外,还能够让学生熟悉一下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、产品的组成
e-Labsim仿真型开放实验室固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和让学生进行创新实践,在产品实现方面,咱们主要采取了几个方面的思路和方案:
1)成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,学生能够依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能够依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份组成,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接口挪用子系统;
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利用;
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
从咱们与一些学校的交流情形来看,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如此的方案和思路,只是感觉技术难度太大而没有往这方面做过量的考虑。
乃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正面竞争的产品大体上没有,而侧面竞争的主如果一些用flash做的所谓的虚拟实验室方案,而这些大体上都成不了气候;
另外,美国NI公司的Multisim此刻是在高校顶用得愈来愈多的一款仿真软件,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,学校完全能够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,若是再结合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、光纤通信和移动通信的相关实验,具体实验项目如下:
信号与系统:
Ø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,而且将电压表,频率计等功能集成到仿真系统中。
Ø信号与系统包括模块:
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、数字信号处置模块、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。
Ø实验项目:
常规信号观测实验
阶跃响应与冲激响应
持续时刻系统的模拟
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:
Ø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、传输和同步等。
e-Labsim符合课程原理,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,中间进程展示细腻,将抽象的原理性知识具体化。
Ø通信原理包括模块:
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。
Ø实验项目:
●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
●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
●锁相环实验
模拟锁相环实验
数字频率合成实验
●数字调制与过失控制技术
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
●数字基带传输技术
码型变换实验
眼图实验
●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
●时分复用技术
两路PCM时分复用实验
两路PCM解复用实验
●信道模拟
数字信号的最佳接收实验
信道模拟实验
●系统实验
载波传输系统实验
数字基带传输系统实验
Ø光纤通信实验项目:
Ø光纤通信原理课程中,对于光电转换中的各类性能参数的理解尤其重要。
而e-Labsim仿真软件将误码仪和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,能够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够让学生充分理解课程的重点内容,加深对课程的印象。
●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
●模拟信号光纤传输系统实验
模拟信号光纤传输系统
●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
●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
固定速度时分复用原理及实现
解固定速度时分复用原理及实现
变速度时分复用原理及实现
解变速度时分复用原理及实现
移动通信实验项目:
Ø移动通信原理中,咱们基于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。
Ø移动通信包括模块:
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。
●数字调制与解调技术
四相移相键控(QPSK)调制及解调实验
交织四相移相键控(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
●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
●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、部份实验结果
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,咱们挪用了两个示波器,这也是e-Labsim的另外一个优势,示波器的不限制挪用。
左侧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:
咱们能够继续观测三次谐波,五次谐波和更好此谐波。
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:
通信原理实验:
眼图实验:
咱们都明白眼图是评估数字传输系统数据处置能力的一种极为有效的测量方式。
实验连线如下图:
输入信号如8KHz的PN序列,载波为128KHz正弦波,通过调制信道传输以后进行解调,示波器一路为8KHz时钟,二路为眼图观测点输出。
可看到波形如下:
光纤通信实验:
光功率测量实验:
光纤通信实验中,对光功率等参数的分析是极为重要的。
在e-Labsim仿真实验系统中,也能够仿真光功率的测量。
实验连线如下图:
输入信号为的数字信号,从波长为1310nm的数字输入端输入。
可看到光功率显示为:
移动通信实验:
矢量调制星座图:
输入信号为PN31序列,在基带成形模块上,输出IQ两路信号。
e-Labsim能够清楚观测以IQ两路信号为XY轴的星座图。
连线如下:
点开示波器,能够观测到波形如下:
以上就是部份实验结果的截图。
八、配置清单
金额单位:
万元
设备名称
设备型号规格
单位
单价(万)
数量
产地、厂商
备注
e-Labsim仿真型开放实验室
数字电子线路
套
1
武汉凌特电子技术有限公司
信号与系统
套
1
通信原理
套
1
光纤通信
套
1
移动通信
套
1
标准配置:
1)40个License,即允许同时在线用户数40个;
2)含泰克60M数字虚拟示波器、函数信号发生器等;
服务器
联想万全系列
台
1
1
联想
*选配
交换机
TP-Link
台
1
深圳市普联技术有限公司
*选配
计算机
联想
台
40
联想
*选配
*关于选配的说明:
一、服务器
若是将服务器端的软件和数据库部署在学校的服务器上,则不用单独购买服务器。
二、互换机和运算机
若是要建一个单独的机房供学生集中上机操作,则需要配置,不然,能够不配置;
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- 电子 通信 仿真 开放 实验室 方案