信號(hào)處理類課程開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

徐望明，廖宇峰，黃倩文，張辰

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

信號(hào)處理技術(shù)已在通信、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，學(xué)習(xí)信號(hào)處理的理論和方法、培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力已經(jīng)成為信息類專業(yè)學(xué)生的迫切需要。高等學(xué)校信號(hào)處理類課程主要包括《信號(hào)與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《語(yǔ)音處理》、《數(shù)字圖像處理》等，是信息類專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的重要組成部分。對(duì)于這類課程的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不容忽視的重要環(huán)節(jié)。我校信號(hào)處理類課程的實(shí)驗(yàn)主要是以學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室使用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行離線編程驗(yàn)證為主，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境、實(shí)驗(yàn)資源及實(shí)驗(yàn)效果均受到一定程度的限制或影響。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文探討了利用MATLAB Builder和.NET技術(shù)[1-3]搭建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法，并給出了具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例，用于輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使師生不受時(shí)空限制，能隨時(shí)隨地共享實(shí)驗(yàn)資源，利用網(wǎng)絡(luò)方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的實(shí)驗(yàn)仿真和學(xué)習(xí)交流。

1 開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體架構(gòu)

如圖1所示，開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體架構(gòu)基于B/S模型，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按功能進(jìn)行劃分主要分為3部分：

第一部分為教學(xué)內(nèi)容與MATLAB的結(jié)合，將傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容通過(guò)MATLAB轉(zhuǎn)化為可視化的教學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB豐富的內(nèi)置函數(shù)模擬仿真實(shí)際問(wèn)題并繪圖顯示；

第二部分為MATLAB功能函數(shù)與ASP.NET下C#所編寫(xiě)的網(wǎng)站進(jìn)行混合編程，以C#語(yǔ)言完成前臺(tái)用戶界面的設(shè)計(jì)，再調(diào)用MATLAB函數(shù)通過(guò).NET Builder打包生成的.NET應(yīng)用類進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算，將結(jié)果反饋給用戶；

第三部分為ASP.NET與Access數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)ADO.NET建立鏈接后查詢、獲取用戶信息的過(guò)程。

圖1 開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體架構(gòu)

2 開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路及案例

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面，實(shí)驗(yàn)操作界面主要分為先導(dǎo)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)仿真兩個(gè)模塊：

（1）先導(dǎo)知識(shí)模塊提供開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)知識(shí)，包含定理、公理的推導(dǎo)，專業(yè)術(shù)語(yǔ)、名詞或概念的解釋等。

（2）實(shí)驗(yàn)仿真模塊由參數(shù)設(shè)置、可視化結(jié)果顯示窗口、引導(dǎo)性文字和MATLAB代碼組成。學(xué)生按預(yù)設(shè)導(dǎo)語(yǔ)對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理解仿真實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)與理論知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)可以參考給出的MATLAB代碼，思考如何在MATLAB中對(duì)各類信號(hào)、系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析，熟悉其編程思路，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

這里以《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“傅里葉變換實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行說(shuō)明。

信號(hào)經(jīng)傅里葉變換在時(shí)域和頻域形成的映射關(guān)系一直是該課程的難點(diǎn)之一，課堂學(xué)習(xí)時(shí)僅通過(guò)抽象的公式學(xué)生很難理解透徹。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，致力于以可視化圖形的方式為學(xué)生直觀呈現(xiàn)信號(hào)時(shí)域、頻域（乃至復(fù)頻域）間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以仿真實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)生隨時(shí)隨地通過(guò)上網(wǎng)學(xué)習(xí)就可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，理解傅里葉變換的相關(guān)性質(zhì)。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，先導(dǎo)知識(shí)主要是課堂上學(xué)習(xí)過(guò)的傅里葉級(jí)數(shù)，在仿真實(shí)驗(yàn)主頁(yè)上用圖模擬了多個(gè)正弦波信號(hào)疊加成方波信號(hào)的過(guò)程，并指出任何波形均可以通過(guò)正弦波的疊加得到。

在實(shí)驗(yàn)仿真模塊中，首先需要設(shè)置一個(gè)輸入信號(hào)，也就是進(jìn)行傅里葉變換的被處理信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，設(shè)置了“正弦信號(hào)”和“階躍信號(hào)”作為可選項(xiàng)，并可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)一步設(shè)置信號(hào)的幅值、頻率、相位、采樣頻率等參數(shù)，如圖2所示。

輸入給定參數(shù)后，點(diǎn)擊“傅里葉變換”按鈕，學(xué)生就可在結(jié)果顯示部分觀察到信號(hào)在時(shí)域、頻域的波形圖，如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)中，還同時(shí)設(shè)計(jì)了“拉普拉斯變換”按鈕，用于學(xué)生在學(xué)習(xí)了復(fù)頻域分析法后，完成信號(hào)的拉普拉斯變換，比較信號(hào)在時(shí)域、頻域以及復(fù)頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如，學(xué)生能夠通過(guò)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自己思考并理解頻域圖實(shí)際上是復(fù)頻域圖在實(shí)部為0處的截面。

圖2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面示例

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示界面示例

為了讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果是如何得到的，網(wǎng)頁(yè)上會(huì)提供MATLAB參考代碼，同時(shí)還提供了文本輸入接口，讓學(xué)生反饋實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

為了有效解決我校信號(hào)處理類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的問(wèn)題，提出了研究、開(kāi)發(fā)相應(yīng)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法，并給出了具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用MATLAB Builder和.NET技術(shù)搭建，采用B/S模式，服務(wù)器端接受瀏覽器客戶端發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，并分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，可為學(xué)生自主研學(xué)提供了全面開(kāi)放的空間和時(shí)間，有效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的靈活性，有助于推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。