仿真實驗教學體系的構(gòu)建研究

“通信原理”是通信工程、信息工程、信息安全等信息類專業(yè)的專業(yè)課，涉及《模擬電路》、《數(shù)字電路》、《高頻電子線路》等多門先修課程。在課程實驗中構(gòu)建仿真實驗環(huán)節(jié)，通過不同的參數(shù)設(shè)置和方案模型，加深學生對本課程基本理論知識及基本概念的理解，建立起完整的通信系統(tǒng)的概念。是實現(xiàn)提高學生理論聯(lián)系實際的能力，培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力、綜合設(shè)計能力和實踐創(chuàng)新能力等課程教學目標的重要載體。

一、傳統(tǒng)課程實驗的教學特點

通信原理課程實驗主要是圍繞現(xiàn)有的通信原理實驗箱開設(shè)模塊化的驗證型或綜合型實驗，硬件線路已經(jīng)固定。實驗時，學員通常只是對實驗箱進行簡單的設(shè)置以及波形測試，動手動腦范圍受到限制。同時，由于實驗箱自身存在的不穩(wěn)定性，實驗時影響了預(yù)期結(jié)果。而在實驗過程中又往往需要對模塊的性能進行檢測，以保證實驗的順利進行，這樣繁瑣的工作難免使得學員對理論知識的學習興趣有所減少，阻礙了對學員創(chuàng)新性思維的訓練。將軟件設(shè)計仿真與硬件實現(xiàn)驗證相結(jié)合，根據(jù)實驗內(nèi)容，循序漸進，從基礎(chǔ)到綜合，再到設(shè)計與創(chuàng)新，符合普遍認識規(guī)律和實驗教學規(guī)律。

二、仿真實驗教學手段的優(yōu)勢

各高校用于通信原理仿真實驗的軟件主要有兩款：Systemview和Matlab/Simulink。這兩款軟件都可進行通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計與分析，有助于學員構(gòu)建系統(tǒng)的整體概念，可讓學生對常用的模塊自己編寫文件，從具體模塊的實現(xiàn)到整體系統(tǒng)的架構(gòu)。將仿真軟件應(yīng)用在通信原理課程實驗的教學中，充分利用了學校現(xiàn)有的教學環(huán)境，在現(xiàn)有的條件下為學員提供了更多的實驗機會，而且增強了實驗的多樣性，擴大了實驗范圍。不但將通信原理課程中較難理解的內(nèi)容，通過軟件仿真形象生動的展現(xiàn)出來，使學員對知識的理解更加透徹，而且有效地提高了學員的學習興趣，以及分析問題、解決實際問題的能力。

三、以Systemview為例的實驗教學內(nèi)容構(gòu)建

1、 Systemview簡介

SystemView是美國ELANIX公司的一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、仿真和分析的可視化設(shè)計環(huán)境，是一個功能強大、用途多樣的工具平臺，提供開發(fā)各種系統(tǒng)的模擬和數(shù)字工具，包括數(shù)字信號處理、通信、控制以及構(gòu)造通用數(shù)學模型。

2、仿真實驗教學的基本步驟

2.1明確實驗?zāi)康摹?/p>

在進行系統(tǒng)設(shè)計之前，必須清楚、準確地提出仿真實驗所要解決的問題，需要用到的基本模塊，以及參數(shù)設(shè)置的主要指標。

2.2分析系統(tǒng)方案。

明確實驗中的系統(tǒng)構(gòu)成、模塊之間的相互關(guān)系，系統(tǒng)的輸入輸出、邊界條件以及系統(tǒng)的約束條件，并確定仿真所要達到的目標。

2.3構(gòu)建仿真模型。

建模是系統(tǒng)仿真中最關(guān)鍵的一步，所建立的模型要盡可能準確地反映真實系統(tǒng)的特性，又不能過于復(fù)雜，以免降低模型效率。

2.4設(shè)置仿真參數(shù)。

利用功能元件庫中的Token來代表某一處理過程，根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)置每一個Token參數(shù)，控制系統(tǒng)的起始時間、終止時間、采樣頻率等。

2.5分析仿真結(jié)果。

在完成系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的性能指標，調(diào)整各模塊的仿真參數(shù)，在分析窗中觀察信號的波形、功率譜、眼圖等信息，進行分析對比，得到滿意結(jié)果。

3、仿真實例與結(jié)果分析

采樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。采樣過程是模擬信號數(shù)字化的第一步，采樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到通信設(shè)備整個系統(tǒng)的性能指標。下面以低通信號的采樣與恢復(fù)為例，利用Systemview軟件實現(xiàn)系統(tǒng)仿真，并給出仿真參數(shù)和實驗結(jié)果。

3.1實驗?zāi)康呐c系統(tǒng)方案

均勻采樣定理指出：對一個帶限在內(nèi)的時間連續(xù)信號，如果以的時間間隔對其進行等間隔采樣，則將被所得到的采樣值完全確定。即抽樣速率大于等于信號帶寬的兩倍就可保證不失真的恢復(fù)出原始信號。是采樣間隔，也稱為奈奎斯特間隔。本文對一幅度為1V，頻率為50Hz的正弦波進行抽樣與恢復(fù)，進而驗證采樣定理，觀察不同抽樣頻率對恢復(fù)波形的影響。

如圖3-1所示，是低通信號采樣與恢復(fù)的原理圖。其中的抽樣電路通過設(shè)計乘法器來實現(xiàn)，抽樣脈沖的頻率應(yīng)滿足采樣定理的要求，抽樣信號再通過低通濾波器來恢復(fù)出原始的正弦信號。通過改變抽樣脈沖的頻率就可以觀察到不同的響應(yīng)波形。

3.2仿真模型與參數(shù)設(shè)置

仿真分析系統(tǒng)如圖3-2所示，系統(tǒng)中各圖符塊的參數(shù)設(shè)置如下：

Token6： Source， Sinusoid， Amplitud=1V， Frequency=50Hz， Phase=0

Token2： Pulse Train， Amplitud=1V， Frequency=80，100，200，400Hz，

Pulse Width=0.000001sec， Offset=0V， Phase=0

Token9： Multipliers

Token10： Butterworth Filter， Low Cuttoff=50V， No.of Poles=3，

Filter input sample rate=1000Hz

Token0、3、4、11： SystemView Sink

分別用不同的采樣頻率80、400Hz對連續(xù)信號進行抽樣，再通過設(shè)置巴特沃茲濾波器來恢復(fù)原始信號。

3.3波形與結(jié)果分析

由實驗結(jié)果可以觀察到，當采樣頻率小于奈奎斯特頻率時，在接收端恢復(fù)的信號失真比較大，這是因為產(chǎn)生了信號混迭；當采樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時，恢復(fù)信號與原信號基本一致。理論上，理想的抽樣頻率為2倍的奈奎斯特帶寬，但實際工程應(yīng)用中，帶限信號絕不會嚴格限帶，且實際濾波器特性并不理想，通常抽樣頻率為5～7倍的以避免失真。

四、結(jié)束語

《通信原理》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其課程特點是理論性強，通過多種實驗教學方法可以使學員更好地掌握通信的基礎(chǔ)理論，并增強實際動手能力。本文從仿真實驗教學內(nèi)容的構(gòu)建闡述了對“通信原理”課程實驗課教學改革的一些研究和探索，突出強調(diào)軟件仿真技術(shù)在信息化條件下對學員能力素質(zhì)培養(yǎng)的重要性，提高學員的工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和部隊崗位任職能力。

（作者單位：火箭軍工程大學）