中国现代教育装备
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 教育科技  
FM接收机虚拟仿真实验平台设计
来源:《中国现代教育装备》杂志 时间:2022-9-26 15:11:45
  [导读]由于数字信号处理课程教学内容高度抽象以及实践环节受开放时间、地点的限制,难以满足学生自主学习的需要,开发设计了一种在线虚拟仿真实验平台。该平台选取FM接收机作为实验对象,以RTL-SDR无线电模块作为FM信号接收模块,基于Simulink和Flask软件构建了虚拟仿真实验案例和在线实验管理平台。平台使用效果表明,该设计实现简单、易于整合,适合学生自主学习,也为专业教师进行相关软件开发提供了参考方案。

  数字信号处理是当前信号处理的主流方式,因其具有精度高、可靠性强、可程序控制等优点而被广泛利用。在数字信号处理课程教学中,由于教学内容的高度抽象、难于理解,必须通过相应的实践环节来加强学生对知识的理解和掌握。

  目前,常规的实践教学基于实验室环境,在开放时间和场地使用上有较大的局限性,很难满足学生课下自主学习的需要。虚拟仿真实验无须实验器材,而是通过在计算机上进行仿真模拟,突破了时空限制[1-2]。随着互联网的发展和普及,虚拟仿真实验已经成为一种可行性极高的教学辅助手段[3-4]。

  但现有的一些商业开发的虚拟仿真实验软件不仅采购和使用成本过高,而且在实验案例的定制和扩展上也不够灵活,很难满足实践教学的需求,因此专业教师自主开发虚拟仿真实验有其现实需求。然而,专业教师虽然有专业优势,但在软件开发技能上很难与计算机技术人员相比。因此,亟须探索开发一个适用于专业教师使用的低门槛的虚拟仿真实验平台,让专业教师专注于更擅长的实验案例设计。

  本文提出了一种基于Simulink和Flask技术的虚拟仿真实验平台(简称平台)设计方案,选取典型的FM接收机设计作为实验对象,设计方案包括基于Simulink的虚拟仿真实验案例(简称仿真案例)设计和基于Python的在线实验管理平台两个部分。首先,通过RTL-SDR无线电设备捕获并录制调频广播信号,数据源输入Simulink中[5-11]。其次,设计FM接收机仿真案例模型,并利用Simulink的转换工具将其转换为Web页。最后,基于Python web开发技术设计在线实验管理平台[12-15]。在线实验管理平台整合前期经过Web转换的FM接收机仿真案例,并提供相应的功能模块,实现从实验准备到实验报告的全流程管理,辅助学生自主完成FM接收机的知识学习。

  仿真案例设计和在线实验管理平台的实现和部署都较为简单、灵活,构建FM接收机仿真案例的方法可以很方便地应用到其他实验案例的设计上,对于数字信号处理等相关课程的虚拟仿真教学具有一定的借鉴意义。

  1 平台设计方案

  2 平台设计与实现

  3 测试效果展示

  4 结语

  本文详细阐述了一种基于Simulink和Python web编程框架进行在线虚拟仿真实验平台设计的方案,以RTL-SDR无线电模块作为FM信号接收模块,设计了FM接收机仿真案例,并进行了Web转换和整合。采用的技术架构和路线具有低耦合、易于实现和部署的优点,适用于专业教师进行虚拟仿真实验的设计。对于相关课程的虚拟仿真实验设计提供一个可行的设计思路,具有一定的借鉴意义。

  参考文献

  [1] 关松磊.虚拟仿真实验平台在实验教学中的应用现状[J].长春教育学院学报,2018,34(11):45-48.

  [2] 董春桥,王秀萍,梁莎.“互联网+”环境工程原理虚拟仿真实验教学项目建设[J].实验技术与管理,2021,38(8):11-14,19.

  [3] 蔡大鹏,谭亮.计算机虚拟仿真实验平台的实现[J].软件导刊(教育技术),2017,16(1):76-77.

  [4] 曹昀剑.Web环境下虚拟仿真实验系统的研究与设计[J].企业技术开发,2014,33(18):97-98.

  [5] 田莹,卢金玉,刘宴涛.基于Matlab/Simulink的通信原理虚拟仿真实验教学方法研究[J].现代电子技术,2015,38(14):28-31.

  [6] 张圣,李震梅,李海涛,等.基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验平台[J].实验技术与管理,2019,36(1):138-142.

  [7] 边敦新,王红梅,季画.基于MATLAB/Simulink的采样系统虚拟仿真实验[J].山东理工大学学报(自然科学版),2018,32(3):1-5,12.

  [8] STEWART R W, BARLEE K W, ATKINSON D, et al. Software Defined Radio using MATLAB & Simulink and the RTL-SDR[M]. Strathclyde Academic Media, 2015.

  [9] 王晓丽,鲁旭涛,孙运强,等.基于NI USRP与RTL-SDR的无线通信收发系统的实现[J].国外电子测量技术,2017,36(10):81-85.

  [10] 石剑,蒋立平,王建新.基于RTL-SDR的软件无线电接收机设计[J].电子设计工程,2018,26(7):73-76,81.

  [11] 董立超,李树平.基于SDR与RTL2832的民航飞机航向信息采集[J].牡丹江师范学院学报(自然科学版),2016(1):27-29.

  [12] Miguel Grinberg,格林布戈,安道.Flask Web开发:基于Python的Web应用开发实战[M].北京:人民邮电出版社,2015.

  [13] 龙昱文.基于Flask的数字核信号处理平台设计[D].衡阳:南华大学,2019.

  [14] 李超,徐云龙,华中伟,史梦安,张滢.一种基于Python Flask的Web服务器端设计[J].信息与电脑(理论版),2019(8):87-88.

  [15] 黄传禄.基于Python的MYSQL数据库访问技术[J].现代信息科技,2017,1(4):73-75.

张晓华 郑辉 华北水利水电大学电子工程学院


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