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2024年4月30日发(作者：彩票网站大全排行下载)
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互联网+通信
nternet Communication
基于Python的在线通信原理仿真实验平台
文|王一楠 韦峻峰（通讯作者）
【摘要】 《通信原理》是一门理论性很强的课程，传统教学方式学生对复杂抽象的知识掌握程度有限。针对教材
中难以展示信号传输过程中时域波形和频谱结构，通过实验操作需要花费较多的时间且不易调整信号的时、频参数，
提出了以二进制数字调制系统为例，采用了Python语言实现了在线通信原理仿真实验平台。该平台前后端使用了
Django框架和Sqlite数据库，仿真部分采用NumPy、Scipy库，并将结果用Matplotlib渲染成图片，可以部署于互联
网或局域网。该平台可提供多个用户账户，可随时修改仿真参数、实时观察实验结果，是传统实验教学的有力补充。
【关键字】 在线通信仿真 数字调制系统 Django Python
引言：
《通信原理》不仅是通信专业和电子信息工程类
专业的学生的专业必修课，也是网络工程、物联网工
程等专业的重要学科。该课程与前期的基础课程联系
紧密，又是后续课程的重要基础。因此学好这门课对
学生进行更深层次的学习研究有着重要影响。
该门课程综合了电路、高等数学、随机过程、信
号与系统的相关知识，理论性强，抽象概念较多，导
致了学生学习起来比较困难，基础概念不易理解。针
对以上存在的问题,由Python作为前后端而开发出来
的网站式数字带通虚拟仿真实验在教学中具有重要的
意义。该平台采用Web设计风格，操作简单，可通过
点击框图修改仿真参数，快速直观地看到仿真结果，
帮助学生理解和掌握课程中的重要概念和知识点，激
发学生的学习兴趣，提升学生的学习质量。
[1-3]
一、现有的通信原理课程虚拟仿真实验教学方案
（一）基于实验箱的实验教学
目前许多学校采用实验箱进行通信原理实验教
学。该方式要求学生根据模块图或电路图进行线路连
接，使用示波器、计算机或频率分析仪等设备观察各
个信号接口处的波形或频谱。这种教学方式的优点是
可以锻炼学生的实际操作动手能力，但可能存在设备
成本和维护成本较高、连接线路耗时较长、参数调整
不便、做实验会受到时间地点的限制等问题。
[4]
（二） 基于Matlab或Simulink的仿真实验教学
Matlab是科学研究和教育行业常用的数值仿真软
件，其软件经历了多年演化功能丰富，对计算机硬件
要求较高，且许可证费用高昂。使用Matlab编写程序
需要一定的编程基础，学生熟练掌握编程之前可能会
遇到较多的问题，因而更适合于在高年级本科生或研
究生中使用。
Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，它
提供图形编辑器、可自定义的模块库以及求解器，能
够进行动态系统建模和仿真，常被用于通信仿真的教
学中。
[5-7]
（三） 基于Python的仿真实验教学
Python是一种面向对象的、解释型的、通用的、
开源的脚本编程语言。程序编写简洁快速，代码的开
发效率较高。良好的图形功能和强大的后台Python 标
准库和第三库众多，功能强大，既可以开发小工具，
也可以开发企业级应用。因此，适用于大学通信原理
教学仿真实验平台的开发。
[8-9]
二、仿真实验平台的设计与实现
为了更加的方便学生进行通信仿真实验，方便学
生的操作，尝试开发出了基于Python的在线通信原理
仿真实验平台，该平台的使用学生只需要登录网站的
首页，输入仿真的信号以及信号的相关参数，就可以
得到相应的仿真结果。如需参数的更改，则直接对参
数修改，再次进行仿真即可，操作方便快捷。大大方
便了学生的操作，节省了师生的时间。
（一）平台架构
图 1 通信原理仿真平台主要功能与组成
王一楠（1996-），男，汉族，硕士研究生，研究方向：语音识别；
韦峻峰（1984-），男，汉族，工程师，研究方向：信号处理。
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图2 主界面
平台由一个主界面构成，所有的仿真实验皆可
在该主界面上完成。主界面由四个实验模块组成，四
个固定的实验模块涵盖了通信原理数字调制的四种键
控，分别是二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移键控
(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)等，二进制差分相移
键控（2DPSK）。四大键控按钮对应四个子界面，每
个子界面相互独立，可以在子界面中输入相应的参数，
然后进行实验仿真。实验平台相应框图如图1所示。
[10]
（二）平台的功能模块
结合通信原理的实验课程，需要安装用于科学
计算的 NumPy、SciPy 扩展库和实现绘图与可视化
的Matplotlib 扩展库。数值计算库 NumPy 以数组为数
据处理对象。SciPy是数学、科学和工程计算包,在
NumPy 基础上添加了科学计算所需要的各种工具，
如：线性方程组求解、特征值和特征向量求解等与
线性代数相关问题使用的 LAPACK 库、快速傅里叶
变换使用的 FFTPACK 库、常微分方程求解使用的
ODEPACK 库、 非线性方程组求解和最小值求解等使
用的 MINPACK 库等。SciPy 中signal 模块提供了信号
处理方面的很多函数，包括卷积运算、滤波及滤波器
设计等方面的内容。本平台的涉及用到了signal模块
中的firwin、lfilter、lfilter_zi、freqz，从而对信号进行
处理。
（三）平台的主界面
数字带通虚拟仿真实验是《通信原理》中的重要
章节，包含二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移键控
(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)等，二进制差分相移
键控（2DPSK）。仿真平台实现了这四种调制解调方
式的在线仿真，在这四个模块下分别可以实现信源、
载波、信道、解调、抽判的参数调整和波形查看。平
台首页展示如图2所示。
顶部提供用户注册和登录功能，在其下方有四个
按钮，对应的是四种数字带通键控方式。默认使用振
幅键控（ASK）方式进行仿真。发送文本框内可填入
文本作为信源，经编码、调制、信道传输、解调、抽
样判决等模块的仿真计算后，将在接收文本框中显示
出接收端得到的文本信息。
当点击不同的调制方式时，下方框图将变更为所
选制式的框图。点击框图中某个环节，在框图之下的
参数列表将显示该环节相关的仿真参数。图中展示了
信源{
a
n
}部分的参数。学生可根据需要修改码元速率，
而后在右侧“波形展示”板块看到不同码元速率下
s
(
t
)
波形的变化，整体操作简单直观。
[11]
（四）仿真教学流程
选中2FSK（二进制频移键控）按钮，输入“大家好”，
点击“调制解调原理框图”中的{
a
n
}，在“参数列表”
可见默认码元速率为1600。使用“查看信源信号”按
钮可以看到已输入的文字作为信源的实际波形，如图
3所示。在“调制解调原理框图”中点击
n
(
t
)可以修改
信道中的噪声幅度，并可使用“信道波形”按钮观察
波形被噪声干扰的情况。在接收端使用了相干解调，
其时域波形、频谱、抽样判决门限和判决结均可以用
图形方式展现出来，使学生在仿真实验初期能够先建
立系统各个环节的参数对通信系统的影响。以此为基
础，对于部分学有余力的学生还可以结合平台，讲解
其中模块的具体实现。
将白噪声幅度从0调到0.5，判决门限设为0.25，
此时出现误码，误码率为2%，仿真结果由“大家好”
变为“大家
䥽
”。抽样与判决结果如图4所示，误码
结果如图5所示。调整判决门限，将0.25调整到0.1，
此时误码率变为0，输出为“大家好”，正确的抽样
与判决波形如图6所示。
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图 3 “大家好”序列波形
图6 调整后的抽样与判决波形
（五）教学管理
学生的使用情况老师可以通过后台进行管理，老
师可以清晰地通过后端进行查询。如图7所示。
图7 后台管理系统
三、结束语
该仿真平台基于Python开发出来的仿真网站。针
对应用型本科院校通信原理教学问题，采用该系统与
理论教学相结合，简单明了地将可视化的仿真结果展
示在学生 面前。由于该系统操作简单，上手快，适合
初学者使用等优点，大大提高了学生的实践能力和教
学质量，推动了应用型人才培养。此教学模式已在我
校通信工程、电子信息、网络工程(移动通信)、物联
网工程等专业试用和实践，取得了较好的效果，获得
了广大师生的一致好评。
[12]
作者单位：王一楠 韦峻峰 广西民族大学
参 考 文 献
[1]翟双,刘丽伟,王昕.《通信原理》实验教学改革与探索[J].才智,2019(29):13.
[2]肖力.基于Python的航空发动机仿真平台开发[J].计算机应用与软件,2021,38(06):9-13+38.
[3]杨丞.通信原理课程实验教学模式的研究与实践[J].教育教学论坛,2019(31):279-280.
[4]刘美玲,张志岩.通信原理实验箱数字信号源模块的改进设计[J].实验室科学,2019,22(03):87-92+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,(14).
[6]张鸣,李白萍.Matlab仿真在通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理,2012（11）:87-89.
[7]王志鹏,谢渝闽. 基于MATLAB的信号与系统课程综合演示平台[J]. 南阳师范学院学报，2020, 19(3): 71
–
74.
[8]张若愚. Python科学计算[M]. 北京：清华大学出版社,2016.
[9]赵广辉. 面向新工科的Python程序设计交叉融合案例教学[J]. 计算机教育,2017(8): 23
–
27.
[10]陈娟,陈雯,石飞,等.基于Python的信号与系统实验教学改革与实践[J].实验技术与管理,2021,38(05):196-200.
[11]尹园威,马俊涛,史林,等.基于MatLab的IIR数字滤波器设计与应用[J].中国现代教育装备,2021,(21):31-33+42.
[12] 阎群,李擎,崔家瑞,等.大学生解决复杂工程问题能力的培养[J]. 实验技术与管理，2017, 34(11): 178
–
181, 186.
图4 抽样与判决波形
图5 误码图
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