一种随机信号分析实验虚拟仿真系统及控制方法

1.本发明属于通信工程、信息工程等实验网络教学技术领域，尤其涉及一种随机信号分析实验虚拟仿真系统及控制方法。


背景技术：

2.目前，《随机信号分析实验》是通信工程、信息工程等相关专业必修的实验课程，传统的《随机信号分析实验》课程通过课堂讲授、学生课上课后动手实践以及课上答疑的授课方式，利用专门研制的实验箱和专门设计的实验项目，对各个分系统的工作原理、组成、性能进行分析、测试，使学生们认知各种通信系统中随机信号的特性。通过实验，掌握通信工程中常规测量仪器的使用方法；配合典型实验系统学习系统主要性能指标的测试要领，丰富和拓宽学生对系统定性、定量分析方面的知识，使学生接受到工程训练。
3.但是随着社会环境的不断变化，科技技术的不断发展，传统的线下实验模式无法满足实验要求。传统的线下实验模式需要为同时做实验的学生每人准备一套实验设备，由于总人数太多，即使实行分批教学，需要准备的实验设备套数也不在少数，经济代价比较大。传统的实验模式下，学生必须在规定的时间来到实验室完成实验，而学校现在的管理模式，实行的是“一生一课表”，每个学生的课程以及上课时间都不完全一样，所以很难保证一个班的学生能同时有空进入实验室完成实验。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)传统的线下实验模式经济代价比较大。
6.(2)传统的实验模式下很难保证一个班的学生能同时有空进入实验室完成实验。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种随机信号分析实验虚拟仿真系统及控制方法。
8.本发明是这样实现的，一种随机信号分析实验虚拟仿真控制方法，所述随机信号分析实验虚拟仿真控制方法包括以下步骤：
9.第一步，输入账号信息进入实验选择界面，选择实验设备号开始实验；
10.第二步，选择实验项目；设置实验参数；
11.第三步，虚拟示波器端口将连线拖至要观测的信号端口，将虚拟示波器与要观测的信号相连；
12.第四步，观察信号时域波形，并记录所观察信号的幅值大小；观察信号频域波形；
13.第五步，进入随机信号特性分析模块；进行随机信号均值的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；进行随机信号方差的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；进行随机信号自相关函数的计算，保存界面中显示的自相关函数波形图；选择功率谱密度估计方法，进行随机信号功率谱密度的估计，保存界面中显示的信号功率谱密度波形图；
14.第六步，随机信号特性分析matlab二次开发实验：根据复制的远程设备的ip地址、
设备编号信息，在编写matlab代码时填写硬件信息，根据自己的兴趣和想法，编写matlab程序对信号的特性进行分析，保存实验结果；
15.第七步，信号产生fpga二次开发实验，在quartus ii软件系统，编写fpga 硬件描述语言程序；在fpga编译环境中编译、仿真、锁定io口引脚、生成rbf 目标文件；选择生成的rbf目标文件，将其加载到二次开发平台；用虚拟示波器观测输出信号波形；
16.第八步，在线上传实验报告，查询实验成绩。
17.进一步，所述随机信号分析实验虚拟仿真控制方法利用虚拟示波器对信号时域、频域特性进行观测。
18.进一步，所述随机信号分析实验虚拟仿真控制方法具有基于fpga和 matlab的二次开发的功能，支持学生根据自己的兴趣设计硬件电路和软件系统，完成信号的产生及分析实验。
19.进一步，所述实验参数，包括：载波频率、码元速率。
20.本发明的另一目的在于提供一种实施所述随机信号分析实验虚拟仿真控制方法的随机信号分析实验虚拟仿真系统，所述随机信号分析实验虚拟仿真系统包括：
21.通信信号产生硬件电路模块，用于产生不同调制方式的通信信号；
22.噪声产生模块，用于产生噪声信号；
23.通信系统硬件电路模块，用于实现线性系统和非线性系统；
24.信号分析软件模块，用于实现通信信号的特性分析。
25.进一步，所述通信信号产生硬件电路模块包括数字调制系统和模拟调制系统；其中数字调制系统包括ask调制系统，fsk调制系统，bpsk调制系统， qpsk调制系统，16qam调制系统；模拟调制系统包括am调制系统、fm调制系统、pm调制系统；
26.噪声产生软件模块包括正态分布噪声产生模块，泊松分布噪声产生模块，瑞利分布噪声产生模块。
27.进一步，所述通信系统电路模块包括线性系统电路和非线性系统电路，其中线性系统包括低通滤波器电路、高通滤波器电路、带通滤波器电路，非线性电路包括限幅放大器电路、二极管电路、混频器电路；
28.信号分析软件模块对各种随机信号特性进行计算分析，包括随机信号的均值计算模块，随机信号的方差计算模块，随机信号的自相关函数估计模块，随机信号的功率谱密度估计模块，其中自相关函数的估计有有偏估计和无偏估计两种方式，功率谱密度估计采用自相关函数法、傅里叶变换法以及分段平均周期图法三种方法。
29.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用软件和硬件结合的随机信号分析实验的虚拟仿真实验平台，既可以解决实验设备投入过大的问题，又能解决无法聚集的问题；同时学生实验时间、实验场地灵活，只要有网络和笔记本电脑，学生可以随时随地进行实验。
30.本发明可以减小高校对昂贵实验设备的投入，并且在实验的时候不会受到实验场地、实验时间的限制；具有fpga和matlab二次开发功能，实验内容可扩展、可定制，具有很强的灵活性；在教学的过程中，通过该虚拟仿真实验平台可以使学生对模拟、数字调制系统有一个更直观的认识，对信号特性分析方法有更深入的理解；可以对学生的实验操作和得出的数据进行考核和评分，从而可以大大减轻教师现场进行考核和评分的负担。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的随机信号分析实验虚拟仿真控制方法流程图。
32.图2是本发明实施例提供的随机信号分析实验虚拟仿真系统的结构示意图；
33.图2中：1、通信信号产生硬件电路模块；2、噪声产生模块；3、通信系统硬件电路模块；4、信号分析软件模块。
34.图3是本发明实施例提供的随机信号分析实验虚拟仿真系统的原理图。
35.图4是本发明实施例提供的虚拟示波器math模式选择示意图。
36.图5是本发明实施例提供的虚拟示波器横轴调节按钮。
37.图6是本发明实施例提供的虚拟示波器纵轴调节按钮。
38.图7是本发明实施例提供的虚拟示波器测量信号频率示意图。
39.图8是本发明实施例提供的随机信号分析“matlab二次开发”功能示意图。
40.图9是本发明实施例提供的matlab二次开发设备信息提示框。
41.图10是本发明实施例提供的随机信号分析“fpga二次开发”功能示意图。
42.图11是本发明实施例提供的fpga二次开发操作说明。
43.图12是本发明实施例提供的fpga二次开发模块原理图。
44.图13是本发明实施例提供的fpga二次开发信号测量示意图。
45.图14是本发明实施例提供的虚拟仿真实验平台学生操作界面。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
47.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种随机信号分析实验虚拟仿真系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
48.如图1所示，本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真控制方法包括以下步骤：
49.s101：输入账号信息进入实验选择界面，选择实验设备号开始实验；
50.s102：选择实验项目；设置实验参数；
51.s103：虚拟示波器端口将连线拖至要观测的信号端口，将虚拟示波器与要观测的信号相连；
52.s104：观察信号时域波形，并记录所观察信号的幅值大小；观察信号频域波形；
53.s105：进入随机信号特性分析模块；进行随机信号均值的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；进行随机信号方差的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；进行随机信号自相关函数的计算，保存界面中显示的自相关函数波形图；选择功率谱密度估计方法，进行随机信号功率谱密度的估计，保存界面中显示的信号功率谱密度波形图；
54.s106：随机信号特性分析“matlab二次开发”实验：根据复制的远程设备的ip地址、设备编号等信息，在编写matlab代码时填写硬件信息，根据自己的兴趣和想法，编写matlab程序对信号的特性进行分析，保存实验结果；
55.s107：信号产生“fpga二次开发”实验，在quartus ii软件系统，编写fpga 硬件描述语言程序；在fpga编译环境中编译、仿真、锁定io口引脚、生成rbf 目标文件；选择生成的
rbf目标文件，将其加载到二次开发平台；用虚拟示波器观测输出信号波形；
56.s108：在线上传实验报告，查询实验成绩。
57.本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
58.如图2所示，本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真系统包括：
59.通信信号产生硬件电路模块1，用于产生不同调制方式的通信信号。
60.噪声产生模块2，用于产生噪声信号。
61.通信系统硬件电路模块3，用于实现线性系统或非线性系统。
62.信号分析软件模块4，用于实现通信信号的特性分析。
63.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
64.实施例1：
65.在本发明的实施例中：通信信号产生硬件电路模块1包括数字调制系统和模拟调制系统，其中数字调制系统包括ask调制系统，fsk调制系统，bpsk 调制系统，qpsk调制系统，16qam调制系统；模拟调制系统包括am调制系统、fm调制系统、pm调制系统。
66.实施例2：
67.在本发明的实施例中：噪声产生软件模块2可以产生几种不同分布的随机噪声，具体包括正态分布噪声产生模块，泊松分布噪声产生模块，瑞利分布噪声产生模块。
68.实施例3：
69.在本发明的实施例中：通信系统电路模块3包括线性系统电路和非线性系统电路，其中线性系统包括低通滤波器电路、高通滤波器电路、带通滤波器电路，非线性电路包括限幅放大器电路、二极管电路、混频器电路。
70.实施例4：
71.在本发明的实施例中：信号分析软件模块4可以对各种随机信号特性进行计算分析，包括随机信号的均值计算模块，随机信号的方差计算模块，随机信号的自相关函数估计模块，随机信号的功率谱密度估计模块，其中自相关函数的估计有有偏估计和无偏估计两种方式，功率谱密度估计可采用自相关函数法、傅里叶变换法以及分段平均周期图法三种方法。
72.实施例5：
73.在本发明的实施例中：本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真系统可利用虚拟示波器对信号时域、频域特性进行观测。
74.实施例6：
75.在本发明的实施例中：本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真系统还具有基于fpga和matlab的二次开发的功能，支持学生根据自己的兴趣设计硬件电路和软件系统，完成信号的产生及分析实验。
76.实施例7：
77.本发明提供的随机信号分析实验虚拟仿真控制方法具体包括以下步骤：
78.第一步，注册：填写姓名、学号、专业、班级等信息，注册账号，获取实验权限；
79.第二步，登录实验平台：在进入《随机信号分析实验》虚拟仿真平台后，输入账号信
息进入实验选择界面，选择实验设备号开始实验；
80.第三步，实验项目选择：选择实验项目，如选择“ask信号产生及分析实验”；
81.第四步，参数设置：设置实验参数，如载波频率、码元速率等；
82.第五步，虚拟仪器连线：点击虚拟示波器端口并将连线拖至要观测的信号端口，将虚拟示波器与要观测的信号相连；
83.第六步，观测信号时域波形：将鼠标移至虚拟示波器位置，单击左键，打开示波器窗口，观察信号时域波形，并记录所观察信号的幅值大小；
84.第七步，观察信号频域波形：
85.1)点击虚拟示波器中的“math”按钮，选择“fft”模式，选择要观察的信号通道，比如“ch1”；
86.2)鼠标移至虚拟示波器中的横轴缩放按钮，点击鼠标左键，滑动鼠标滚轮，调整时间窗到合适大小；
87.3)将鼠标移至示波对应通道的纵轴缩放按钮，点击鼠标左键，滑动鼠标滚轮，调整幅度到合适大小；横纵轴调整好之后即可观察所选通道信号的频域波形；
88.4)信号频率的测量：鼠标移至光标所在位置，点击鼠标左键，拖动光标至信号频域波形的峰值点处，读取示波器右上角处的值(如图5所示)，即可得到所测量信号的中心频率大小；
89.第八步，点击“随机信号特性分析”按钮，进入随机信号特性分析模块；
90.1)点击“均值”按钮，进行随机信号均值的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；
91.2)点击“方差”按钮，进行随机信号方差的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；
92.3)点击“自相关函数”按钮，进行随机信号自相关函数的计算，保存界面中显示的自相关函数波形图；
93.4)点击“功率谱密度”按钮，选择功率谱密度估计方法，进行随机信号功率谱密度的估计，保存界面中显示的信号功率谱密度波形图；
94.第九步，随机信号特性分析“matlab二次开发”实验：
95.1)点击“matlab二次开发”按钮，进入matlab二次开发模块；
96.2)点击“matlab二次开发”按钮后，平台将弹出设备信息提示框，指明当前设备的ip地址，端口号以及用户识别码等信息，点击“一键复制”按钮，复制设备信息；
97.3)根据复制的远程设备的ip地址、设备编号等信息，在编写matlab代码时填写硬件信息，然后根据自己的兴趣和想法，编写matlab程序对信号的特性进行分析，保存实验结果；
98.第十步，信号产生“fpga二次开发”实验
99.1)点击“fpga二次开发”按钮，进入fpga二次开发模块；
100.2)点击“fpga二次开发”按钮后，平台将弹出fpga二次开发操作说明，根据操作说明在quartus ii软件系统，编写fpga硬件描述语言程序.
101.3)在fpga编译环境中编译、仿真、锁定io口引脚、生成rbf目标文件；
102.4)fpga程序文件加载：鼠标移至二次开发模块中的芯片图标，点击鼠标左键，弹出
文件加载对话框，选择3)中生成的rbf目标文件，将其加载到二次开发平台。
103.5)用虚拟示波器观测输出信号波形：鼠标移至虚拟示波器中的测试孔位置，点击鼠标左键拖至二次开发模块的输入引脚或输出引脚端，松开鼠标，鼠标左键点虚拟示波器屏幕区域，虚拟仪器展开，即可观察所测试的信号波形。
104.第十一步，提交实验报告：完成实验后，学生撰写实验报告，点击虚拟仿真实验平台中的“上传报告”按钮在线上传实验报告。
105.第十二步，查询实验成绩：点击本实验平台中的“查询成绩”按钮可以查询实验成绩。
106.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
107.如图3所示，本发明提供的软件和硬件结合的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台，包括通信信号产生的硬件电路模块、噪声产生模块、通信系统硬件电路模块以及信号分析软件模块。
108.软件和硬件的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台中的通信信号产生的硬件电路模块包括数字调制系统和模拟调制系统，其中数字调制系统包括 ask调制系统，fsk调制系统，bpsk调制系统，qpsk调制系统，16qam调制系统；模拟调制系统包括am调制系统、fm调制系统、pm调制系统；
109.软件和硬件的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台中的噪声产生软件模块可以产生几种不同分布的随机噪声，具体包括正态分布噪声产生模块，泊松分布噪声产生模块，瑞利分布噪声产生模块；
110.软件和硬件的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台中的通信系统电路模块包括线性系统电路和非线性系统电路，其中线性系统包括低通滤波器电路、高通滤波器电路、带通滤波器电路，非线性电路包括限幅放大器电路、二极管电路、混频器电路；
111.软件和硬件的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台可利用虚拟示波器对信号时域、频域特性进行观测；
112.软件和硬件的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台中的信号分析软件模块可以对各种随机信号特性进行计算分析，包括随机信号的均值计算模块，随机信号的方差计算模块，随机信号的自相关函数估计模块，随机信号的功率谱密度估计模块，其中自相关函数的估计有有偏估计和无偏估计两种方式，功率谱密度估计可采用自相关函数法、傅里叶变换法以及分段平均周期图法三种方法。
113.软件和硬件的《随机信号分析实验》虚拟仿真实验平台还具有基于fpga 和matlab的二次开发的功能，支持学生根据自己的兴趣设计硬件电路和软件系统，完成信号的产生及分析实验。
114.本发明提供的虚拟仿真实验平台的操作方法，包括以下步骤：
115.s1：注册：填写姓名、学号、专业、班级等信息，注册账号，获取实验权限。
116.s2：登录实验平台：在进入《随机信号分析实验》虚拟仿真平台后，输入账号信息进入实验选择界面，选择实验设备号开始实验。
117.s3：实验项目选择：选择实验项目，如选择“ask信号产生及分析实验”。
118.s4：参数设置：设置实验参数，如载波频率、码元速率等。
119.s5：虚拟仪器连线：点击虚拟示波器端口并将连线拖至要观测的信号端口，将虚拟
示波器与要观测的信号相连。
120.s6：观测信号时域波形：将鼠标移至虚拟示波器位置，单击左键，打开示波器窗口，观察信号时域波形，并记录所观察信号的幅值大小。
121.s7：观察信号频域波形：
122.s7.1点击虚拟示波器中的“math”按钮，选择“fft”模式，选择要观察的信号通道，比如“ch1”，如图4所示；
123.s7.2：鼠标移至虚拟示波器中的横轴缩放按钮(如图5所示)，点击鼠标左键，滑动鼠标滚轮，调整时间窗到合适大小；
124.s7.3：将鼠标移至示波对应通道的纵轴缩放按钮(如图6所示)，点击鼠标左键，滑动鼠标滚轮，调整幅度到合适大小；横纵轴调整好之后即可观察所选通道信号的频域波形；
125.s7.4：信号频率的测量：鼠标移至光标所在位置，点击鼠标左键，拖动光标至信号频域波形的峰值点处，读取示波器右上角处的值(如图7所示)，即可得到所测量信号的中心频率大小。
126.s8：点击“随机信号特性分析”按钮，进入随机信号特性分析模块；
127.s8.1：点击“均值”按钮，进行随机信号均值的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；
128.s8.2：点击“方差”按钮，进行随机信号方差的计算，读取界面中显示的数据并记录实验结果；
129.s8.3：点击“自相关函数”按钮，进行随机信号自相关函数的计算，保存界面中显示的自相关函数波形图；
130.s8.4：点击“功率谱密度”按钮，选择功率谱密度估计方法，进行随机信号功率谱密度的估计，保存界面中显示的信号功率谱密度波形图。
131.s9：随机信号特性分析“matlab二次开发”实验：
132.s9.1：点击“matlab二次开发”按钮，如图8所示，进入matlab二次开发模块；
133.s9.2：点击“matlab二次开发”按钮后，平台将弹出设备信息提示框(如图9所示)，指明当前设备的ip地址，端口号以及用户识别码等信息，点击“一键复制”按钮，复制信息。
134.s9.3：根据仿真平台弹出的关于远程设备的信号ip地址、设备编号等信息，在编写matlab代码时填写硬件信息，然后根据自己的兴趣和想法，编写 matlab程序对信号的特性进行分析，保存实验结果。
135.s10：信号产生“fpga二次开发”实验
136.s10.1：点击“fpga二次开发”按钮，如图10所示，进入fpga二次开发模块；
137.s10.2：点击“fpga二次开发”按钮后，平台将弹出fpga二次开发操作说明(如图11所示)，根据操作说明在quartus ii软件系统，编写fpga硬件描述语言程序；
138.s10.3：在fpga编译环境中编译、仿真、锁定io口引脚、生成rbf目标文件；
139.s10.4：fpga程序文件加载：鼠标移至二次开发模块中的芯片图标，如图 12所示，点击鼠标左键，弹出文件加载对话框，选择s10.3中生成的rbf目标文件，将其加载到二次开发平台；
140.s10.5：用虚拟示波器观测输出信号波形：鼠标移至虚拟示波器中的测试孔位置，点击鼠标左键拖至二次开发模块的输入引脚或输出引脚端，松开鼠标，鼠标左键点虚拟示
波器屏幕区域，虚拟仪器展开，即可观察所测试的信号波形，信号测量示意图如图13所示。
141.s11：提交实验报告：完成实验后，学生撰写实验报告，点击虚拟仿真实验平台中的“上传报告”按钮在线上传实验报告，如图14所示。
142.s12：查询实验成绩：点击本实验平台中的“查询成绩”按钮可以查询实验成绩。
143.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
144.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。