基于Web 的隨機(jī)信號分析遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺設(shè)計

通信作者：楊喜(1978—)，男，湖南湘陰人，吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士，主要從事通信技術(shù)方面的教學(xué)與研究.

楊世江，楊喜，張銀行

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

摘要：以Matlab軟件為開發(fā)平臺，以《隨機(jī)信號分析與處理》課程為例，提出了其遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的設(shè)計方案.用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器組件Matlab Web Server，由客戶端瀏覽器遠(yuǎn)程進(jìn)行《隨機(jī)信號分析與處理》的仿真實驗，并以LMS算法在自適應(yīng)信道均衡中的應(yīng)用實例驗證了該方案的有效性.

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；虛擬實驗平臺；Matlab Web Server；LMS算法

文章編號：1007-2985(2015)05-0035-04

收稿日期：2015-04-15

基金項目：吉首大學(xué)教學(xué)改革研究項目(2015JSUJGB17，2013JSUJGB08)；吉首大學(xué)服務(wù)武陵山片區(qū)通信工程特色專業(yè)建設(shè)項目(教通2012[52]號)；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目(湘教通[2014]147號)

作者簡介：楊世江(1987—)，男，湖南懷化人，吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，主要從事無線通信技術(shù)應(yīng)用研究

中圖分類號：TN91文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.008

《隨機(jī)信號分析與處理》是通信工程等專業(yè)必修課程之一，鑒于該課程涉及內(nèi)容廣理論性強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)多采用理論講授的方式，而實踐和創(chuàng)新應(yīng)用能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)不足，導(dǎo)致許多學(xué)生分析和解決實際問題的能力較弱.顯然，通過增加實踐環(huán)節(jié)是提高學(xué)生分析和解決問題能力的關(guān)鍵.近來，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗平臺以其成本低、部署方便靈活的優(yōu)點引起了廣大教學(xué)科研工作者的興趣[1-4].遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺主要借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及仿真軟件，使用戶可以在計算機(jī)等終端上遠(yuǎn)程模擬完成相應(yīng)的實驗任務(wù).可以預(yù)見，如果將這種技術(shù)引入到《隨機(jī)信號分析與處理》課程的教學(xué)，在很大程度上解決該課程教學(xué)過程中所遇到的瓶頸.具有豐富的信號處理功能和優(yōu)秀的數(shù)據(jù)可視化能力的Matlab已成為信號處理教學(xué)和科研領(lǐng)域最為常用的應(yīng)用仿真軟件，該軟件提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件Web Server為建立信號的遠(yuǎn)程分析與處理提供了可能的解決途徑[2].筆者所設(shè)計的遠(yuǎn)程虛擬實驗系統(tǒng)正是基于Internet網(wǎng)絡(luò)和Matlab平臺，結(jié)合Matlab Web Server和IIS服務(wù)器技術(shù)，完成了基于Web的《隨機(jī)信號分析與處理》遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺設(shè)計.客戶端借助該平臺，即使沒有安裝任何版本的Matlab軟件，仍然可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程完成《隨機(jī)信號分析與處理》課程相關(guān)的仿真實驗，彌補(bǔ)了以往該課程過于強(qiáng)調(diào)理論講授的傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足.

1　遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的工作原理

圖1　文中遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的工作原理程

文中遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式，客戶端用戶借助瀏覽器可以在任何地方進(jìn)行仿真實驗操作，無需額外安裝任何專用軟件，依托Matlab服務(wù)組件與IIS Web服務(wù)器的協(xié)作完成隨機(jī)信號分析與處理的遠(yuǎn)程仿真實驗.虛擬實驗平臺的核心組件包括Matlab Web服務(wù)代理matweb.exe和服務(wù)器matlabserver.exe.其中，matweb.exe是matlabserver的TCP/IP客戶端，負(fù)責(zé)從HTML頁面提取數(shù)據(jù)并傳送給matlabserver.exe進(jìn)行處理；matlabserver.exe通過啟動matweb.m來調(diào)用實現(xiàn)隨機(jī)信號分析和處理功能的m文件，從而完成仿真任務(wù).處理完畢之后，計算結(jié)果將被存入特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最終以HTML網(wǎng)頁的方式通過IIS Web服務(wù)器傳送到客戶端的瀏覽器，顯示信號分析和處理結(jié)果.在虛擬實驗平臺中，配置文件matlabserver.conf用來限定合法的TCP/IP客戶端并發(fā)進(jìn)程數(shù)目等，matweb.conf用以存放matweb連接matlabserver的參數(shù)配置信息.《隨機(jī)信號分析與處理》課程遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的工作原理如圖1所示.

2　遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的實現(xiàn)

2.1 Web服務(wù)器的組建與配置

《隨機(jī)信號分析與處理》遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺可以選擇不同的Web服務(wù)器來響應(yīng)客戶端瀏覽器的請求.由于IIS Web服務(wù)器軟件設(shè)置簡單、操作方便，所以文中采用IIS Web服務(wù)器.在Windows XP系統(tǒng)環(huán)境下安裝IIS5.1軟件包后需要對Matlab Web服務(wù)器進(jìn)行配置.首先，將虛擬實驗平臺軟件所在的根目錄設(shè)置為Web服務(wù)器的主目錄；然后，在主目錄下創(chuàng)建虛擬目錄cgi-bin和icon.其中，cgi-bin用來存放matweb.exe和matweb.conf，目錄訪問權(quán)限設(shè)置為“讀取”、“運行腳本”和“執(zhí)行”，而icon存放仿真運行結(jié)果的圖形文件，其訪問權(quán)限設(shè)置為“讀取”、“運行腳本”和“寫入”；最后，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.在配置文件matlabserver.conf中可以根據(jù)實際需要設(shè)定訪問的端口號與最大的并發(fā)進(jìn)程數(shù)目，而配置文件matweb.conf則提供可執(zhí)行程序matweb.exe連接matlabserver.exe所必需的信息(需要注意的是這2個文件中配置的端口號必須一致).

2.2 Matlab Web應(yīng)用程序文件的創(chuàng)建

圖2　LMS自適應(yīng)均衡器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中以《隨機(jī)信號分析與處理》中最小均方(LMS)算法在自適應(yīng)信道均衡[5]中的遠(yuǎn)程仿真為例，分析基于Matlab Web的m文件的實現(xiàn)過程.假定LMS自適應(yīng)均衡器采用L個抽頭的橫向濾波器來實現(xiàn).LMS自適應(yīng)均衡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.其中：x(n) = (x(n)，x(n-1)，…，x(n-L+1))T表示自適應(yīng)信道均衡器的輸入信號矢量；w(n) = (w1(n)，w2(n)，…，wL(n))T表示橫向濾波器在第n步的抽頭系數(shù)向量，y(n) =wH(n)x(n)表示濾波器的輸出，d(n)表示判決器的輸出.LMS自適應(yīng)均衡器的核心在于濾波器抽頭系數(shù)的更新，基于最陡下降法和最小均方誤差準(zhǔn)則來實現(xiàn)抽頭系數(shù)的更新，相應(yīng)的更新公式為：w(n+1) = w(n) +Δ(d(n) -wH(n)x(n))x(n)，式中Δ為更新步長.本系統(tǒng)平臺中實現(xiàn)LMS自適應(yīng)信道均衡器功能的函數(shù)命名為retstr = eqlms (Inputset)，其中輸入?yún)?shù)Inputset為結(jié)構(gòu)體變量，包含客戶端通過輸入HTML頁面提交的參數(shù)值和在matweb.conf文件中設(shè)置好的工作目錄信息.

eqlms (Inputset)函數(shù)用來獲取信道均衡效果圖和誤符號率信息，其實現(xiàn)流程如下：

(1)利用cd(InputSet.mldir)設(shè)置工作目錄，存放仿真過程中所產(chǎn)生的圖形文件.

(2)獲取輸入HTML表單中的參數(shù)值并實施信道自適應(yīng)均衡處理.具體來說，參數(shù)值存放在結(jié)構(gòu)體變量InputSet中，通過調(diào)用其特定的屬性獲得相應(yīng)的參數(shù)值.如由InputSet.mod，InputSet.order獲取調(diào)制方式及調(diào)制階數(shù)值，之后即可調(diào)用Matlab函數(shù)lineareq，創(chuàng)建基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器，并調(diào)用equalize函數(shù)對信號進(jìn)行均衡處理.其關(guān)鍵代碼如下：

eq=lineareq(8，lms(0.01));%創(chuàng)建線性均衡器

eq.SigConst=pskmod([0：InputSet.modorder-1]，InputSet.modorder)；

[symbolest，seq] = equalize(eq，filtmsg，modseq(1:trainlength))；%實施均衡處理

(3)完成設(shè)置輸出仿真圖形的坐標(biāo)位置等參數(shù)，繪制未發(fā)生形變、經(jīng)過信道形變和自適應(yīng)均衡處理之后調(diào)制信號的星座圖.生成圖形時，需要獲取結(jié)構(gòu)體InputSet中的mlid參數(shù)值，并為該圖形文件創(chuàng)建唯一的JPEG格式文件名.關(guān)鍵代碼如下：

mlid = getfield(InputSet，′mlid′);

out.GraphFileName = sprintf(′lms%s.jpeg′，mlid);

wsprintjpeg(fig，out.GraphFileName);

out.GraphFileName = sprintf(′/icons/lms%s.jpeg′，mlid);

close all;

(4)為保證在輸出網(wǎng)頁中正常顯示仿真結(jié)果，m文件調(diào)用templatefile = which(′LmsOutput.html′)和retstr = htmlrep(out，templatefile).其中，函數(shù)htmlrep(out，templatefile)輸出網(wǎng)頁LmsOutput.html中的輸出變量，用輸出結(jié)構(gòu)體out中的相應(yīng)值進(jìn)行替換，從而確保仿真分析結(jié)果的正確反饋.

2.3 輸入和輸出網(wǎng)頁的設(shè)計

本系統(tǒng)平臺使用HTML腳本語言建立輸入網(wǎng)頁LmsIutput.html和輸出網(wǎng)頁LmsOutput.html.輸入網(wǎng)頁提供用戶和服務(wù)器進(jìn)行交互的接口，接收瀏覽器用戶提交的輸入?yún)?shù)，主要包括請求Matlab Web服務(wù)的HTML表單文檔，輸出網(wǎng)頁用來實現(xiàn)自適應(yīng)均衡器前后的誤符號率和均衡效果對比圖的遠(yuǎn)程顯示.

3　仿真結(jié)果及討論

圖3　LMS自適應(yīng)均衡實驗的遠(yuǎn)程仿真結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置如下：調(diào)制階數(shù)modorder為4，二進(jìn)制訓(xùn)練序列長度trainlength為500，發(fā)送的二進(jìn)制隨機(jī)序列長度trainlength為1 500，固定橫向濾波器的抽頭系數(shù)設(shè)為8；LMS算法的更新步長Δ=0.01，輸入頁面中的設(shè)置調(diào)制方式設(shè)為PSK，信道參數(shù)chan=[0.986;0.845;0.237;0.123+0.31i].通過網(wǎng)頁提交上述參數(shù)，得到如圖3所示的仿真結(jié)果.

由圖3可知：沒有經(jīng)過均衡處理的信號點分布比較離散，與理想的星座圖有很大的差異；而經(jīng)過均衡處理之后的信號點分布比較集中，與理想的星座圖較為接近.從輸出參數(shù)還可以看出：沒有經(jīng)過均衡時誤符號率為0.353，而經(jīng)過均衡處理后則誤符號率為0，由此證明了基于LMS算法的均衡器起到了良好的信道均衡作用.整個仿真過程只需通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問相應(yīng)的LMS自適應(yīng)信道均衡實驗的頁面并提交相應(yīng)參數(shù)，就可以快速地獲取相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果.

4　結(jié)語

借助于Matlab軟件開發(fā)平臺，以《隨機(jī)信號分析與處理》課程為例，提出了基于Matlab Web Server的遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的設(shè)計方案.以經(jīng)典的LMS算法在自適應(yīng)均衡中的應(yīng)用為實例，完成了基于Web該設(shè)計方案的虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，其仿真結(jié)果驗證了文中設(shè)計方案的可行性.該設(shè)計方案不要求開發(fā)者深入掌握面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，降低了設(shè)計與開發(fā)的難度且易于擴(kuò)展，基于網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)信號分析與處理虛擬實驗不受時間地點的限制，極大地方便了學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的授課.

參考文獻(xiàn)：

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[5] GOLDSMITH A.Wireless Communications[M].Cambridge：Cambridge University Press，2005.

Design of Virtual Experiment Platform of Remote Random Signal

Analysis Based on the Matlab Web Server

YANG Shijiang,YANG Xi,ZHANG Yinhang

(College of Information Science & Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

Abstract:Using Matlab as the software development platform，a design scheme of remote virtual laboratory platform of the course Random Signal Analysis and Processing is proposed.Through accessing the components of MATLAB Web Server via Internet，this program allows the users to take remote simulation experiments based on the client browser.Taking the example of LMS-based adaptive channel equalizer，this paper introduces the implementation procedures of this program.The simulation result demonstrates the effectiveness of the proposed method.

Key words:experiment teaching;virtual experiment platform;Matlab Web Server;LMS algorithm

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))

“武陵山片區(qū)研究”專欄

征稿啟事

武陵山片區(qū)是我國國家級集中連片特困地區(qū)，跨省交界面積大、少數(shù)民族聚集多、貧困人口分布廣，是全國全面實現(xiàn)小康社會任務(wù)最繁重的地區(qū)之一。按照國務(wù)院2011年10月批復(fù)的《武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅規(guī)劃(2011—2020年)》,武陵山片區(qū)將著力解決發(fā)展的瓶頸制約和突出矛盾，加快連片特困地區(qū)發(fā)展和脫貧致富步伐,為全國扶貧攻堅發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。

《吉首大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》是由吉首大學(xué)主辦的自然科學(xué)綜合性學(xué)術(shù)期刊，連續(xù)3屆獲評教育部科技司頒發(fā)的“中國高校特色科技期刊”獎，2014版復(fù)合影響因子0.507，期刊影響因子0.407。為了報道與武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅工作相關(guān)的基礎(chǔ)科技信息與階段性科研成果，發(fā)揮專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢和期刊的橋梁紐帶作用,更好地服務(wù)于武陵山片區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，本刊擬開辦“武陵山片區(qū)研究”專欄，現(xiàn)面向國內(nèi)外研究人員和科技工作者誠征專欄稿件，歡迎惠賜佳作。稿件不收取任何形式的版面費和發(fā)表費，一經(jīng)錄用，稿酬從優(yōu)。

選題方向：片區(qū)特色動植物資源；自然地理與生態(tài)環(huán)境；農(nóng)業(yè)資源開發(fā)與利用；特色農(nóng)林業(yè)與種養(yǎng)殖業(yè)；旅游資源開發(fā)利用與保護(hù)；地方及少數(shù)民族農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)；片區(qū)少數(shù)民族工業(yè)與地方工業(yè)經(jīng)濟(jì)；水文地質(zhì)與氣象氣候；農(nóng)林產(chǎn)品加工；生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)；礦產(chǎn)礦物資源加工。

投稿郵箱：xb8563684@163.com 。郵件主題請注明“武陵山片區(qū)研究專欄投稿”字樣。

吉首大學(xué)學(xué)報編輯部

2015年9月15日