基于Web的随机信号分析远程虚拟实验平台设计

基于Web 的随机信号分析远程虚拟实验平台设计

通信作者：杨喜(1978—)，男，湖南湘阴人，吉首大学信息科学与工程学院副教授，博士，主要从事通信技术方面的教学与研究.

杨世江，杨喜，张银行

(吉首大学信息科学与工程学院，湖南 吉首 416000)

摘要：以Matlab软件为开发平台，以《随机信号分析与处理》课程为例，提出了其远程虚拟实验平台的设计方案.用户通过互联网访问服务器组件Matlab Web Server，由客户端浏览器远程进行《随机信号分析与处理》的仿真实验，并以LMS算法在自适应信道均衡中的应用实例验证了该方案的有效性.

关键词：实验教学；虚拟实验平台；Matlab Web Server；LMS算法

文章编号：1007-2985(2015)05-0035-04

收稿日期：2015-04-15

基金项目：吉首大学教学改革研究项目(2015JSUJGB17，2013JSUJGB08)；吉首大学服务武陵山片区通信工程特色专业建设项目(教通2012[52]号)；湖南省普通高等学校教学改革研究项目(湘教通[2014]147号)

作者简介：杨世江(1987—)，男，湖南怀化人，吉首大学信息科学与工程学院硕士研究生，主要从事无线通信技术应用研究

中图分类号：TN91文献标志码：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.008

《随机信号分析与处理》是通信工程等专业必修课程之一，鉴于该课程涉及内容广理论性强，传统教学多采用理论讲授的方式，而实践和创新应用能力培养环节不足，导致许多学生分析和解决实际问题的能力较弱.显然，通过增加实践环节是提高学生分析和解决问题能力的关键.近来，基于网络技术的远程虚拟仿真实验平台以其成本低、部署方便灵活的优点引起了广大教学科研工作者的兴趣[1-4].远程虚拟实验平台主要借助网络通信技术及仿真软件，使用户可以在计算机等终端上远程模拟完成相应的实验任务.可以预见，如果将这种技术引入到《随机信号分析与处理》课程的教学，在很大程度上解决该课程教学过程中所遇到的瓶颈.具有丰富的信号处理功能和优秀的数据可视化能力的Matlab已成为信号处理教学和科研领域最为常用的应用仿真软件，该软件提供的网络服务组件Web Server为建立信号的远程分析与处理提供了可能的解决途径[2].笔者所设计的远程虚拟实验系统正是基于Internet网络和Matlab平台，结合Matlab Web Server和IIS服务器技术，完成了基于Web的《随机信号分析与处理》远程虚拟实验平台设计.客户端借助该平台，即使没有安装任何版本的Matlab软件，仍然可以通过互联网远程完成《随机信号分析与处理》课程相关的仿真实验，弥补了以往该课程过于强调理论讲授的传统教学方式的不足.

1　远程虚拟实验平台的工作原理

图1　文中远程虚拟实验平台的工作原理程

文中远程虚拟实验平台采用浏览器/服务器(B/S)模式，客户端用户借助浏览器可以在任何地方进行仿真实验操作，无需额外安装任何专用软件，依托Matlab服务组件与IIS Web服务器的协作完成随机信号分析与处理的远程仿真实验.虚拟实验平台的核心组件包括Matlab Web服务代理matweb.exe和服务器matlabserver.exe.其中，matweb.exe是matlabserver的TCP/IP客户端，负责从HTML页面提取数据并传送给matlabserver.exe进行处理；matlabserver.exe通过启动matweb.m来调用实现随机信号分析和处理功能的m文件，从而完成仿真任务.处理完毕之后，计算结果将被存入特定的数据结构，最终以HTML网页的方式通过IIS Web服务器传送到客户端的浏览器，显示信号分析和处理结果.在虚拟实验平台中，配置文件matlabserver.conf用来限定合法的TCP/IP客户端并发进程数目等，matweb.conf用以存放matweb连接matlabserver的参数配置信息.《随机信号分析与处理》课程远程虚拟实验平台的工作原理如图1所示.

2　远程虚拟实验平台的实现

2.1 Web服务器的组建与配置

《随机信号分析与处理》远程虚拟实验平台可以选择不同的Web服务器来响应客户端浏览器的请求.由于IIS Web服务器软件设置简单、操作方便，所以文中采用IIS Web服务器.在Windows XP系统环境下安装IIS5.1软件包后需要对Matlab Web服务器进行配置.首先，将虚拟实验平台软件所在的根目录设置为Web服务器的主目录；然后，在主目录下创建虚拟目录cgi-bin和icon.其中，cgi-bin用来存放matweb.exe和matweb.conf，目录访问权限设置为“读取”、“运行脚本”和“执行”，而icon存放仿真运行结果的图形文件，其访问权限设置为“读取”、“运行脚本”和“写入”；最后，对相关参数进行设置.在配置文件matlabserver.conf中可以根据实际需要设定访问的端口号与最大的并发进程数目，而配置文件matweb.conf则提供可执行程序matweb.exe连接matlabserver.exe所必需的信息(需要注意的是这2个文件中配置的端口号必须一致).

2.2 Matlab Web应用程序文件的创建

图2　LMS自适应均衡器的系统结构

文中以《随机信号分析与处理》中最小均方(LMS)算法在自适应信道均衡[5]中的远程仿真为例，分析基于Matlab Web的m文件的实现过程.假定LMS自适应均衡器采用L个抽头的横向滤波器来实现.LMS自适应均衡器系统结构如图2所示.其中：x(n) = (x(n)，x(n-1)，…，x(n-L+1))T表示自适应信道均衡器的输入信号矢量；w(n) = (w1(n)，w2(n)，…，wL(n))T表示横向滤波器在第n步的抽头系数向量，y(n) =wH(n)x(n)表示滤波器的输出，d(n)表示判决器的输出.LMS自适应均衡器的核心在于滤波器抽头系数的更新，基于最陡下降法和最小均方误差准则来实现抽头系数的更新，相应的更新公式为：w(n+1) = w(n) +Δ(d(n) -wH(n)x(n))x(n)，式中Δ为更新步长.本系统平台中实现LMS自适应信道均衡器功能的函数命名为retstr = eqlms (Inputset)，其中输入参数Inputset为结构体变量，包含客户端通过输入HTML页面提交的参数值和在matweb.conf文件中设置好的工作目录信息.

eqlms (Inputset)函数用来获取信道均衡效果图和误符号率信息，其实现流程如下：

(1)利用cd(InputSet.mldir)设置工作目录，存放仿真过程中所产生的图形文件.

(2)获取输入HTML表单中的参数值并实施信道自适应均衡处理.具体来说，参数值存放在结构体变量InputSet中，通过调用其特定的属性获得相应的参数值.如由InputSet.mod，InputSet.order获取调制方式及调制阶数值，之后即可调用Matlab函数lineareq，创建基于LMS算法的自适应均衡器，并调用equalize函数对信号进行均衡处理.其关键代码如下：

eq=lineareq(8，lms(0.01));%创建线性均衡器

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

[symbolest，seq] = equalize(eq，filtmsg，modseq(1:trainlength))；%实施均衡处理

(3)完成设置输出仿真图形的坐标位置等参数，绘制未发生形变、经过信道形变和自适应均衡处理之后调制信号的星座图.生成图形时，需要获取结构体InputSet中的mlid参数值，并为该图形文件创建唯一的JPEG格式文件名.关键代码如下：

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)为保证在输出网页中正常显示仿真结果，m文件调用templatefile = which(′LmsOutput.html′)和retstr = htmlrep(out，templatefile).其中，函数htmlrep(out，templatefile)输出网页LmsOutput.html中的输出变量，用输出结构体out中的相应值进行替换，从而确保仿真分析结果的正确反馈.

2.3 输入和输出网页的设计

本系统平台使用HTML脚本语言建立输入网页LmsIutput.html和输出网页LmsOutput.html.输入网页提供用户和服务器进行交互的接口，接收浏览器用户提交的输入参数，主要包括请求Matlab Web服务的HTML表单文档，输出网页用来实现自适应均衡器前后的误符号率和均衡效果对比图的远程显示.

3　仿真结果及讨论

图3　LMS自适应均衡实验的远程仿真结果

仿真参数设置如下：调制阶数modorder为4，二进制训练序列长度trainlength为500，发送的二进制随机序列长度trainlength为1 500，固定横向滤波器的抽头系数设为8；LMS算法的更新步长Δ=0.01，输入页面中的设置调制方式设为PSK，信道参数chan=[0.986;0.845;0.237;0.123+0.31i].通过网页提交上述参数，得到如图3所示的仿真结果.

由图3可知：没有经过均衡处理的信号点分布比较离散，与理想的星座图有很大的差异；而经过均衡处理之后的信号点分布比较集中，与理想的星座图较为接近.从输出参数还可以看出：没有经过均衡时误符号率为0.353，而经过均衡处理后则误符号率为0，由此证明了基于LMS算法的均衡器起到了良好的信道均衡作用.整个仿真过程只需通过网络远程访问相应的LMS自适应信道均衡实验的页面并提交相应参数，就可以快速地获取相应的实验数据和仿真结果.

4　结语

借助于Matlab软件开发平台，以《随机信号分析与处理》课程为例，提出了基于Matlab Web Server的远程虚拟实验平台的设计方案.以经典的LMS算法在自适应均衡中的应用为实例，完成了基于Web该设计方案的虚拟实验系统的实现过程，其仿真结果验证了文中设计方案的可行性.该设计方案不要求开发者深入掌握面向对象的编程语言，降低了设计与开发的难度且易于扩展，基于网络的随机信号分析与处理虚拟实验不受时间地点的限制，极大地方便了学生的学习和教师的授课.

参考文献：

[1] 姜海燕，宋庆军，谢统颜.传感器与检测技术的网络实验室构建[J].实验室研究与探索，2014，33(1)：17-19，37.

[2] 陈显彪.基于Web的电机仿真试验平台开发[J].电机与控制应用，2013，40(5)：10-12，48.

[3] QIAO Yuliang，LIU Guoping,ZHENG Geng,et al.NCSLab：A Web-Based Global-Scale Control Laboratory with Rich Interactive Features[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(10)：3 253-3 265.

[4] 李威，王晓川，李融武，等.基于Web的古陶瓷鉴别分析系统研究[J].计算机应用与软件，2013，30(4)：19-21.

[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

(责任编辑陈炳权)

“武陵山片区研究”专栏

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2015年9月15日