原创《LabVIEW在通信工程专业基础课程教学中的应用》
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一、LabVIEW简介
虚拟仪器的核心为“软件就是仪器”,即用软件模拟仪器的功能,具有简单易学的图形化编程界面,丰富美观的控件.同时虚拟仪器开发软件中集成了如自动控制原理、数字信号处理、通信原理等相关专业知识模块,有利于专业课程学习过程中教学和实验环境的构建,在理工科的实验教学设备方面也得到越来越多的应用.
二、通信工程专业基础课程传统教学方式的局限性
（一）理论教学方面
通信工程的专业基础课程,例如《信号与系统》、《数字信号处理》和《通信原理》,都存在课程内容多、知识面广、概念抽象、公式推导复杂、枯燥感较强、理论更新快的特点[1].在理论教学中,教师多采用电子幻灯片和板书相结合的方式,花费大量的时间和精力去进行公式的推导、绘制计算过程中的静态图形.尽管如此,学生还是无法理解专业基础课程学习的重要性,而容易产生枯燥感以及理论脱离于实际的感觉,从而失去学习的兴趣.
（二）实验教学方面
在通信类基础课程的实验教学中,由于学生人数较多,传统实验室在设备经费等方面普遍面临着较大压力,设备更新换代慢,无法满足知识更新的速度；同时传统的实验教学采用实验箱作为硬件平台,只能完成限定的实验内容且内容单一、理论和实验匹配度不高；另外大部分实验设备只能进行简单的连线、显示、分析,学生可操作的模块少、无法进行实验的自主设计[2].因此目前的实验教学具有灵活性和自主性差、硬件更新缓慢和成本高等特点.
三、在理论和实验教学中引入LabVIEW的优势
针对通信专业类中理论教学和实验教学的特点,我们需要进行一些教学改革的探索,通过对教学方法和方式的改进,调动学生学习专业课程的积极主动性,提高教学质量和效果.
在课程中引入LabVIEW,教师通过软件设计理论知识的仿真验证过程,丰富理论教学环节,使抽象的理论知识更为生动形象、简单直观,加深学生对知识的理解；另一方面,让学生参与到实验内容的设计中去,自行设计测试用例分析、预测实验结果,可以提高学生理论联系实际的能力,增加学生对实验的可控程度和范围[3],有益于学生设计、分析、创新等多方面能力的培养.
因此在教学过程中引入LabVIEW,有助于提高教学效率和学生的学习兴趣.
四、教学方案实例与分析
以《信号与系统》中的信号采样、《数字信号处理》中的数字滤波器设计以及《通信原理》二进制键控调制解调三个知识点为例进行分析,这三个知识点在理论教学中都需要依据不同的参数绘制大量的波形图,而引入LabVIEW后可以在调节参数后实时的呈现出波形变化,有助于教学效率的提升.此外,在传统的实验教学中,一套硬件设备只针对特定的实验内容,无法根据理论教学需要进行调整,引入LabVIEW后,学生可以便捷的调节任意参数,甚至可以自主的设计实验内容,加深对理论知识的理解程度,提高学习兴趣.以下为实例的详细分析.
（一）信号采样
信号采样中,原信号是由一频率为86Hz,幅值为1V,相位为0的正弦信号和一频率为100Hz,幅值为1V,相位为0的正弦信号混合而成,对原信号进行采样,采样间隔为4时,采样后信号如图1所示,信号出现失真现象；当采样间隔为0.5时,采样后的信号能较好的与原信号保持相似度.采样后信号如图2所示.
（二）数字滤波器设计
数字滤波器设计中,包含了FIR滤波器和IIR滤波器,可以设置滤波器的拓扑结构、类型（低通、高通、带通、带阻）和相关参数（阶数、截止频率）,以低通滤波器进行举例验证.
将一频率为10Hz,幅值为10V的正弦信号和幅值为2v的均匀白噪声信号进行叠加,设计合适的滤波器滤出白噪声信号,仿真图如图3所示.IIR低通滤波器截止频率设置为20Hz,调整阶数为11阶.滤波后的波形与未添加噪声前的正弦信号波形一致,即滤波效果比较理想,正弦信号被保留,而白噪声信号被滤除.幅频特性较接近理想滤波器幅频特性.
（三）二进制键控调制解调仿真设计
二进制键控调制解调仿真设计包括二进制幅移、频移、相移以及差分相移键控调制解调,幅移键控（Amplitude Shift Keying,ASK）,也叫幅度调制,简称调幅.ASK是通过在高低电平之间变换幅度来进行的.
幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现.仿真过程如图4所示.
载波信号是通过数字1和0来控制的,当信号1产生时,载波被接通,此时信道上出现载波；如果信号为0的话,载波被断开,信道上不出现载波.
频移键控主要是频率随着信号的改变而改变,目前较为常用的是二进制频移键控.而数字频移键控主要是传送数字的信息,通过这些信息来调节载波的频率.二进制频移主要是信号为“1”对应一个载频f1,“0”对应于一个载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形.仿真过程如图5所示.
相移键控又分为二进制PSK和多进制PSK.在二进制PSK调制技术中,载波相位仅有两种取值；仿真过程如图6所示.
二进制信息为011001101010,载波频率为1,当二进制信息为1的时候,表示调制载波与未调制载波同向,当二进制信息为0的时候调制载波与未调制载波反向.然后经过乘法器和低通滤波器,最后进行解调,解调出原信号.
五、总结
在通信类的专业基础课程中引入LabVIEW进行辅助教学,具备灵活性和适应性.教师能根据课程的知识结构和特点的需要,对复杂和抽象的知识点进行仿真,增加课程教学的生动性,提高学生的学习兴趣.对于学生来说,更侧重于实际应用能力的培养,如今大部分高校已经开设与LabVIEW相关的课程,学生可以利用LabVIEW自行设计仿真内容,加强各门课程之间的相互联系,也可以增强学生的自主性和创新性.通过这种教学方式,学生能与教师形成良好的互动,一方面激发了学生的学习兴趣,另一方面,学生在设计中遇到问题,可以从问题解决的过程中巩固教师上课所讲的知识,加深印象,在教学中取得了不错的效果.
工程专业论文参考资料：
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