信号与系统仿真型开放实验室建设方案2.doc

信号与系统
仿真型开放实验室
建设方案

二零一二年九月

方案简介

《信号与系统仿真型开放实验室建设方案》是针对中国高校信号与系统专业课程而设置的开放性基础实验室解决方案，方案并没有单一的配置信号与系统专业基础实验设备，而是在传统实验的基础上融合更具开放性的仿真实验系统。
本方案从仿真型开放实验室项目开发背景、功能特点、详细配置清单以及重点产品性能特点等几个方面，向您详细阐述了本方案建设的目的。
方案还结合了目前教学及实验室建设现状，从信号与系统基础教学的创新、开放、效果等多方面对传统实验室进行了变革，是对信号与系统基础教学实验的一次重大突破！
基础实验箱、仿真型开放实验室系统，两者既能单独实现教学功能，也能相互融合，优势互补！

目 录
1.信号与系统仿真型开放实验室建设依据 4
1.1通信工程类专业人才培养方向 4
1.2工程应用型人才的培养现状 4
1.3通信工程专业工程综合应用型人才的培养的思路 5
1.4如何培养出合格及优秀的通信工程综合型应用人才 5
1.5基础理论教学实验的现状 6
1.6建设思路 7
1.7虚拟仿真教学的优势 7
2.产品整体配置清单（20个实验位） 8
3.e-Labsim仿真型开放实验室系统 9
3.1专案背景 9
3.2产品主要功能及特点 11
3.3产品的构成 13
3.4应用案例 13
3.5产品的市场竞争分析 14
4.信号与系统实验箱（型号：LTE-XH-03A） 14
4.1性能特点 14
4.2性能及技术指标 15
4.3系统构成 16
4.4实验项目及模块配置 16
4.5实验内容 17

1.信号与系统仿真型开放实验室建设依据
1.1通信工程类专业人才培养方向
从目前高校的人才培养情况来看，通信工程类专业的人才培养方向大概可以分为两类：其一为研究型人才培养方向，或者说是培养研发、技术类人才；其二是工程应用型人才培养方向。前者一般为重点高校或品牌专业所选择的一种方向和定位，后者则为大多数本科院校和所有高职高专类学校的选择。事实上，这也是一种比较合理的分布情况，因为从就业及人才需求情况来看，工程应用类岗位需求要比研发型岗位多得多。

1.2工程应用型人才的培养现状
如上图所示，工程应用型人才的培养又分为不同的模式。我们可以先来看看高职高专类院校相关专业的办学思路，实际的情况是这样的，这类院校对人才的培养也是定位在工程应用型方向，但受限于学生的层次、理论课时有限以及理论讲解不深等因素的约束，他们往往会轻理论而重实践，准确来讲是重实训。这类学校在实训室的建设方面往往会花费巨资来购置实际的通信设备，如传输、交换、接入、数据、3G等，通过这些设备来培养学生的实际操作能力。这种方式有一定的优点，可以让学生做到“所学及所用”，让他们在工作中能尽快上手，此外这样的实训室看起来很气派。但这样的实际通信设备主要是设计给运营商来用的，在工作原理方面基本上谈不上什么开放性，甚至因为设备价格昂贵，学校基本上不会让学生自己动手进行硬件的搭接，所以用这样的设备来实训慢慢地被很多高校称之为“设备操作工”的培养模式。
从本科院校工程应用型人才目前的培养情况来看，现在很多学校对应用型的定位都很模糊，导致一些学校采用与职业类院校相同的培养方式：重实训、轻理论，且在实训前和实训中都没有相应的工作原理支撑，导致本科院校培养出来的人才“高不成，低不就”，在就业市场上的竞争力甚至还远不及高职类院校培养出来的“高级蓝领工人”。
1.3通信工程专业工程综合应用型人才的培养的思路
其实，通信工程专业所培养出的应用型人才不仅仅要会操作设备，更重要的是会应用设备。这类人才在现在有一个流行的名称，即现场应用工程师，英文缩写为FAE（Field Application Engineer）。
通俗一点讲，我们以一个演播大厅的音响设备为例，我们的学生除了会使用这些设备之外，更侧重于音响及音控设备的应用，我们可以搭建起整个演播大厅的音控系统，并让整个系统能正常有效地运行。另外，当系统出现问题时，我们还应该能定位并排除相应的故障。
1.4如何培养出合格及优秀的通信工程综合型应用人才
首先，一个合格的通信工程综合应用型人才在应用设备时，他肯定是懂得设备的工作原理的，否则他就无法做到对设备的灵活应用，更别谈在设备出现异常状况时，作出有效的应对和解决。也就是说，一个合格的通信工程专业工程综合应用型人才必须具备一定的理论功底，他可以不去管一个设备电路是如何设计的，软件是如何实现的，但他必须非常了解设备的工作原理，或者说，他必须清楚与设备正常工作相关的原理框架以及一些关键参数的物理含义和测试方法。
谈到这里，我们可以很清楚地了解到，为了让我们所培养的工程应用型人才有别于普通职业类院校出来的“设备操作工”，我们必须在专业教学方面加入一定量的理论学习和实践内容。让学生在实践中做到不仅知其然，更要知其所以然。
1.5基础理论教学实验的现状
从前面的阐述我们可以看出，学生必须要具备一定程度的理论功底，能了解设备的工作原理。但实际的状况却是，我们现在很多院校专业的学习情况不是很理想，学生对专业知识的掌握程度往往不足以支撑他们对一些通信设备的工作原理进行透彻地理解。我们这里大概列举几个方面的情况：
1） 在专业知识和理论学习方面
专业知识和课程的讲解过于理论化，没法和实际结合起来，显得单调、枯燥，学生因无法理解而影响学习兴趣。最终导致理论学习不扎实、不深入、不透彻。
2）在实践学习方面，主要有以下一些有待改善的地方
a) 有限的实验课时，无法让学生充分地进行实验；
b) 实验教学资源以及实验室难以做到真正开放；
c) 现有实验设备的可靠性、实验现象的稳定性等方面严重影响了实验教学；
d) 配套测试设备不完善、不稳定，常常影响实验的正常进行；
e) 花巨资购买的实训设备不具备开放行，不能让学生了解工作原理并自行动手搭建系统；
f) 昂贵的实训设备因为台套数有限，影响了学生的全面参与；
g) 评价和考核学生实践效果的手段很单一，基本上只有实验报告。
那么，通过什么样的手段来加强学生专业知识和理论的学习效果及其实践动手能力呢？加强专业知识学习及实践对本科类院校的应用型人才来讲是相当重要的，那么我们应该从哪几个方面来加强呢？这个题目谈起来比较大，我们这里简单地列举几个方面：
a) 将实践学习引入理论课堂，做到理论实践一体化教学；
b) 将实验室开放给学生，让学生可以随时随地进行学习、实践、系统搭建、开发及创新；
c) 让学生建立专业体系概念，了解每一门课程之间的有机联系及其在通信系统中的地位。
1.6建设思路
基于教学现状的探索，我们考虑搭建的综合实训室应该具备以下功能：
a) 能让学生了解各专业课程的框架，加深对专业知识的理解；
b) 能让学生系统掌握课程之间的联系及其在通信系统中的地位；
c) 能让学生掌握通信设备和通信系统的架构和工作原理；
d) 可以利用基本知识如编码、调制等模块来搭建出简单的通信系统；
e) 理解基本实验现象、波形，并能熟练地使用测试仪器进行测试；
f) 保证实验的开放性。让学生在有需要有兴趣的时候可以实时展开实验；
g) 能让理论课程和实际有效的结合，让学生在课堂既可深度掌握理论知识。
有鉴于此，并兼顾建设成本以及实验室的利用效率等因素，我们采用了现在实验室建设中的一些主流思路，即硬设备加虚拟仿真的思路，硬件主要采用开放性比较好的实验箱或实验台的结构，但如果单纯用实验箱或实验台，则实验室的开放、实验教学效果、实验设备的利用效率等方面都会产生一些问题，虚拟仿真则正好可以应对这些问题。

1.7虚拟仿真教学的优势
a) 通过多媒体配合仿真教学，在课堂及时演示课程中的实验，能真正做到理论跟实践有效结合，让学生及时明确的了解课程中的底层原理；
b) 将虚拟仿真实验放到网上，让学生随时随地通过登录网络实验课堂，搭建自己实验，也就是让每个学生都拥有自己独立的实验室，从而达到实验室开放目的；
c) 让学生在课外利用仿真系统进行学习，及时预习和巩固，提升实验的效率，并规避硬件实验过程中的低级错误，从而降低硬件损耗；
d) 能通过学生跟学生的互动实验，创新实验模块的开发功能，激发学生自主学习和做实验的兴趣；
e) 通过仿真系统的老师管理端，可以实时掌握学生实验的结果和学科实验的进度。

2.产品整体配置清单（20个实验位）
品目号
设备名称
设备规格
数量
单价(元)
金额(元)
备注
1
e-Labsim
仿真型开放实验室系统
V1.0

详细介绍见本方案第3节
1.1 硬件配置

标准配置
1.1.1 机柜

1

可以使用学校已有设备，也可以由学校自行配置。
1.1.2 服务器

1

1.1.3 网络交换机

1

1.1.4 PC机

20

1.2 软件配置

标准配置
1.2.1 实验教学管理系统

1

1.2.2 服务端应用软件

1

1.2.3中央数据库

1

1.2.4 客户端软件

1

1.2.4.1 虚拟实验平台

1.2.4.2 虚拟仪器平台

1.2.4.3 创新实践子系统

1.2.4.3.1 link for Matlab

1.2.4.3.2 二次开发模块

1.2.4.4 网络通信子系统

信号与系统仿真型开放实验室
客户端软件

20
用户

2
信号与系统实验箱
LTE-XH-03A
20

标准配置
相关技术参数及实验项目等见本方案第4节
3
50M数字储存示波器

20

标准配置
4
投影仪及电动幕布系统

1

建议配置
5
蓝牙无线教学扩声系统

1

建议配置
6
多媒体控制台

1

建议配置
合计人民币

备注：
1：该方案实验室为一个教室，教室大小约为6*11M；
2：实验室名称为：通信原理仿真型开放实验室。

3.e-Labsim仿真型开放实验室系统
3.1专案背景
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、配套数据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。
通信技术综合实训仿真型开放实验室
通过网络、多媒体器材课堂演示实验
通过网络、计算机终端随时随地开放实验室
通过无限制的课前 预习、课后复习
改善实验室开放不足、硬件场地不足
学生有需要或者兴趣随时可以搭建自己实验
课前预习提升实践操作效果并降低硬件损耗
理论课程跟实践教学有效结合
学生通过及时的实验验证课堂理论
通过动态高仿真的虚拟仪器设计
课后复习提升学生对理论知识的理解和巩固
学生可以通过一个平台学习多重测试设备应用
学生通过多种设备组合以不同角度看信号变化
实验结果管理、互动实验、创新模块设计
学生通过系统提交实验结果老师评分
二次开发、互动实验增加学生动手兴趣能力
产品特点一
产品特点二
产品特点三
产品特点四
产品特点五

教学实验改善

3.2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；
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；
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；
4. 支持学生自主搭建实验
我们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，学生设计的功能 可以替代我们的模块而融入到我们的系统实验中去；
6. e-Labsim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；
7. 支持多个学生终端之间互联进行系统的联调和观察，既可以增加学生的兴趣，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；
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；
9. 实现服务器端软件的“用户无感知重启”，让服务器永不瘫痪；
10. 方便学生的互动，e-Labsim配套一个简单实用的实时通讯工具；
11. 特别内置与Matlab的接口模块“Link for Matlab”，创新实践有一个很好的依托。
12. 方便用户之间的交流和讨论，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，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。

实验教学管理系统效果图

仿真平台效果图

3.3产品的构成
e-Labsim仿真型开放实验室是一种仿真的实验环境和平台，但其又不同于普通的“仿真实验室”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。
3.4应用案例
1. 学生对实验进行预习，并提交预习报告告；
2. 老师对学生提交的实验资料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. 学校已经购买了其它公司的硬件，再结合e-Labsim来进行教学；
8. 网管对用户进行管理。
3.5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。
4.信号与系统实验箱（型号：LTE-XH-03A）
4.1性能特点
1、该信号与系统实验系统采用模块化的设计，方便硬件电路二次开发，方便实验系统的扩展升级，方便厂家售后服务。
2、模块化的设计，让老师和学生能很快地对实验系统有一个全面的了解，方便教学及使用。包括数字信号处理（DSP）单元模块、抽样定理及滤波器模块、二阶系统分析单元模块、相平面分析及系统极点对频响的影响模块、连续系统设计单元模块等。
3、实验系统自带实验所需要的电源、信号源、扫频仪、电压表、频率计的仪器功能。
4、信号源采用DDS直接数字频率合成技术，可产生高纯度的正弦波，信号频率范围10Hz~2MHz，六档步进档位可调，最小步进10Hz。同时该信号源还具备方波、三角波以及频率和占空比精确可调的脉冲信号。
5、扫频源的扫频范围在10Hz～2MHz内任意可调，扫频分辨率可自行设置。
6、电压表和频率计均采用自行设计电路，而不是采用通用的表头，让仪表部分充分与本实验系统相配合，也能让学生了解这两个部分的设计原理，并且可测量外部信号。
7、实验系统能完成传统的信号与系统实验系统的全部实验，除此之外，该实验系统还采用数字信号处理的方法专门针对传统实验系统的一些弱点进行了改进，具体如下：
1) 实现了传统实验系统用模拟电路难以实现的“信号自卷积”和“信号与系统的卷积”实验；
2) 用数字滤波的方式完成“信号的分解与合成”实验，完全改变了模拟电路实验结果不理想的状况；
3) 将滤波器相位移动对方波信号合成的影响等内容加入实验系统，让学生清晰地理解方波信号中各次谐波的相移对信号本身的影响，能生动地验证理论结果；
4) 用快速傅立叶变换实现信号的频谱分析，并由模拟示波器显示。
5) DSP部分采用实际的自举引导加载的系统架构，使上述实验都可在完全脱离PC机及仿真器的情况下进行，让学校可以在实验室建设中灵活配置。
8、增加了抽样定理验证与信号恢复的分析与研究等实验，且让学生可以灵活地改变抽样信号的频率和信号回复电路的参数，让学生加深对相关知识点的了解；
9、配有DSP标准的JTAG接口及PC机通信接口，可以方便地进行二次开发实验；
10、可实现FFT实时频谱分析功能。
11、考虑到实验内容的层次性，数字信号处理部分直接固化了实验所必须的程序代码；
12、通过拨码开关以及单片机和HPI口，可以很方便地进行实验内容的选择。

4.2性能及技术指标
1、 信号源指标：
1） 直流信号源：两路直流信号输出，信号源幅度可调范围是-5V~5V。
2） 交流信号源：可产生三角波、方波、正弦波，频率、幅度均可调。
正弦波：10Hz~2MHz，Vp-p=5V；
三角波：10Hz~100KHz，Vp-p=5V；
方波： 10Hz ~100KHz，Vp-p=5V。
2、 扫频信号源指标：扫频范围：10Hz-2MHz。且扫频范围、扫频分辨率可任意可调。
3、 电压表指标：电压表可测直流信号很交流信号。测量范围
直流信号：-10V－10Ｖ；
交流信号：0—20V。
4、 频率计指标：测频范围：1Hz-99MHz。
5、 电源指标：AC 220V±10% 、DC ±12V、±5V。

4.3系统构成
本实验系统包含9个标配模块：
S1：电压表及直流信号源模块；S2：信号源及频率计模块；S3：抽样定理及滤波器模块；
S4：数字信号处理模块；S5：一阶系统特性；S6：二阶系统特性；S7：相平面分析及系统极点对频响的影响模块；S8：调幅及频分复用模块；S9：基本运算单元及连续系统模拟模块。

4.4实验项目及模块配置
实验项目
所需模块
验证性实验
常用信号分类与观察
模块S1
阶跃响应与冲激响应
模块S5、S2
连续时间系统的模拟
模块S1 、S2 、S9
无失真传输系统
模块S2、S5
有源无源滤波器
模块S2、S3
抽样定理与信号恢复
模块S2 、S3
二阶网络函数的模拟
模块S2、S6
二阶网络状态轨迹的显示
模块S2、S6
一阶电路的暂态响应
模块S2、S5
二阶电路传输特性
模块S2、S6
信号卷积实验
模块S2、S4
矩形脉冲信号的分解与合成
模块S2、S4
相位对波形合成的影响
模块S2、S4
信号频谱分析
模块S2、S4
数字滤波器
模块S2、S4
直接数字频率合成实验
模块S2、S4
系统极点对系统频响的影响
模块S2、S7、S9
系统相平面的分析
模块S2、S7、S9
FDM频分复用传输实验
模块S2、S8
二次开发教学实验
DSP数字信号处理单元
模块S4+计算机
DSP应用实验
模块S4+计算机
CPLD可编程开发模块
模块S4+计算机
抽样定理的数字滤波器恢复
模块S4+计算机
计算机与单片机通信接口
模块S4+计算机
基于串口的数据采集
模块S4+计算机

4.5实验内容
u 验证性实验
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
u 二次开发实验
DSP数字信号处理单元
DSP应用实验
CPLD可编程开放实验
抽样定理的数字滤波恢复
计算机与串口通信接口实验
基于串口的数据采集实验

真诚欢迎您随时来电，对该软硬结合的专业实验室建设方案做更深入的沟通。
联系人：姚俊（13707166087，56183817@）
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