基于虛擬仿真技術(shù)的通信原理實驗教學(xué)改革研究*

任 峻

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 東方科技學(xué)院，湖南 長沙 410128）

一、引言

《通信原理》課程是通信工程、電子信息工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程的主要內(nèi)容是講解各種通信系統(tǒng)的組成原理，分析信號和噪聲通過通信系統(tǒng)的波形和頻譜，以及評估通信系統(tǒng)的性能。其中，實驗和課程設(shè)計通過構(gòu)建通信系統(tǒng)，觀察信號和噪聲通過通信系統(tǒng)各個組成部分的波形和頻譜，使學(xué)生對各個通信系統(tǒng)的組成原理，以及信號和噪聲在系統(tǒng)中的傳輸有最直觀的感受，是幫助學(xué)生更好地掌握專業(yè)理論基礎(chǔ)課程，提高學(xué)生的動手能力、綜合分析能力的有效手段。目前，我校以及大部分高校的通信原理實驗課程以硬件實驗為主。這類實驗在通信原理實驗箱上通過連線搭建通信系統(tǒng)，再通過示波器觀測信號通過系統(tǒng)的各點波形。這類實驗一般為驗證性的實驗，對于僅需觀測簡單波形的實驗?zāi)軌虻玫捷^好的效果（如AM、ASK、PAM等），但不能用于觀測高頻復(fù)雜波形的實驗（如PCM編碼）或信號頻譜的實驗（如AM實驗中頻譜搬移的驗證）。另外，這類實驗元器件已固化在實驗箱上，因此無法進行系統(tǒng)設(shè)計分析類實驗。同時，硬件實驗受到實驗箱的限制，實驗項目的更新比較困難。而隨著實驗箱使用時間的增加，實驗設(shè)備出現(xiàn)問題的頻率加大，這些都限制了硬件實驗在通信原理實驗課程中的使用[1，2]。

通信原理虛擬實驗通過利用各種電子電路仿真軟件，如SytemView、Matlab等，構(gòu)建一個仿真通信系統(tǒng)，并利用軟件提供的各種分析工具，對信號在通信系統(tǒng)中的傳輸進行分析。與傳統(tǒng)的硬件實驗相比，虛擬實驗具有以下優(yōu)點：①不受硬件設(shè)備的限制，從而使實驗項目能及時根據(jù)教學(xué)需要進行更新，并且不存在設(shè)備損壞的問題；②提供強大的分析工具，使學(xué)生能方便地進行各種波形和頻譜的分析比較；③完全由學(xué)生自主構(gòu)建通信仿真系統(tǒng)，包括設(shè)備的選擇和參數(shù)的設(shè)定，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析設(shè)計能力[1，2]。

本著“技術(shù)設(shè)計為教學(xué)設(shè)計服務(wù)”的原則，我們對通信原理實驗課程進行改革，在硬件實驗項目的基礎(chǔ)上增加對應(yīng)的虛擬實驗項目。本文介紹了一個完整的基于SystemView的虛擬實驗項目的設(shè)計。教學(xué)結(jié)果表明，這種虛擬實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生更深刻地理解通信系統(tǒng)的構(gòu)成和信號傳輸過程中的變化，同時能更好地提高學(xué)生系統(tǒng)分析設(shè)計能力。

二、基于SystemView的通信系統(tǒng)仿真

SystemView主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和分析，在它的圖標庫中提供了大量的信號源、接收端、功能塊、算子圖符和函數(shù)庫，學(xué)生只需用鼠標從SystemView庫中選擇需要的圖符（元件）并將其拖到設(shè)計窗口中連接起來，就能構(gòu)成各種系統(tǒng)；而SystemView強大的分析工具能夠方便地進行各種波形和頻譜分析[3，4]。這些都使得學(xué)生只要知道系統(tǒng)的組成原理，就能快速上手完成相關(guān)的實驗設(shè)計和分析。

與另一種常用的通信仿真軟件Matlab相比，SystemView的最大特點是軟件仿真與硬件實現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系非常密切，系統(tǒng)的構(gòu)建和分析非常直觀、簡單[5-7]。Matlab仿真則需要編程，從程序上很難看出系統(tǒng)的原理，如果采用Simulink的模塊化仿真，其參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜，而且模塊的S函數(shù)不可見，很難理解具體參數(shù)的含義[5-7]。因此，在《通信原理》課程中，我們選擇SystemView仿真軟件進行通信原理虛擬實驗，完成通信仿真系統(tǒng)的構(gòu)建與分析。

三、基于SystemView的通信原理虛擬實驗項目設(shè)計

基于SystemView的虛擬實驗以學(xué)生為主體，由學(xué)生自主設(shè)計和分析，教師只進行簡單的實驗說明，并在實驗過程中進行必要的引導(dǎo)。我們以AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實驗項目的設(shè)計為例，給出一個完整的虛擬實驗教學(xué)過程。虛擬實驗過程分為設(shè)計、構(gòu)建和分析三個階段。

1.AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

由實驗教師進行實驗說明，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)教材畫出AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的組成原理框圖，其中解調(diào)方法可以由學(xué)生自主選擇相干解調(diào)或包絡(luò)解調(diào)。對于能力較強的學(xué)生，可以鼓勵他們完成兩種解調(diào)方法。圖1給出了包含兩種解調(diào)方法的AM系統(tǒng)組成原理框圖[1]。

學(xué)生從圖標庫中選擇相應(yīng)模塊的圖符組建通信系統(tǒng)，并設(shè)置觀察點，然后設(shè)置系統(tǒng)定時參數(shù)以及各設(shè)備模塊的參數(shù)。在這個過程中，要注意引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合設(shè)計能力，參數(shù)的設(shè)計只講解設(shè)置原則，而具體設(shè)置由學(xué)生自主完成。最終形成圖2的AM調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)。

圖1 AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的組成原理框圖

圖2 基于SystemView的AM調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)

2.信號分析

引導(dǎo)學(xué)生使用分析窗口，對通過觀察點的信號的波形和頻譜進行比較分析。例如，圖3給出了AM信號的波形，其波形與在硬件實驗中測得的波形相同，但更加清晰。圖4比較了觀察點3、5、6的頻譜，即基帶信號、AM信號和載波信號的頻譜。圖4表明通過Systemview的分析窗口，學(xué)生能觀察到硬件實驗中所不能觀察到的信號頻譜。同時學(xué)生可以使用該工具方便地將信號在各個觀察點的頻譜或波形疊加在一個圖中顯示，使得信號在通過通信系統(tǒng)各個模塊后的頻譜變化更直觀，從而有助于加深對通信系統(tǒng)組成和信號在通信系統(tǒng)中的傳輸?shù)睦斫狻＠?，圖4給出了基帶信號、AM信號和載波信號的頻譜比較，它讓學(xué)生直觀地看到在理論課程中反復(fù)強調(diào)的AM信號的特點：“AM信號的頻譜是將基帶信號的頻譜搬移到載波頻率處”“AM信號存在直流分量，其頻率為載波頻率”[8]。

圖3 AM信號波形

圖4 比較基帶信號、AM信號和載波信號的頻譜

通過對AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實驗完整的介紹，我們可以看到基于Systemview的虛擬實驗不但能完整、準確、快速地達到相應(yīng)硬件實驗的實驗要求和實驗?zāi)康?，同時還能完成硬件實驗所不能完成的頻譜分析。

四、虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用

1.實驗課程中運用虛擬實驗彌補硬件實驗的不足

信號在通信系統(tǒng)傳輸過程中的波形和頻譜變化都是《通信原理》課程教學(xué)的重點和難點。但本科教學(xué)實驗室中所配置的低端示波器一般很難進行有效的頻譜分析。使用SystemView的分析工具，學(xué)生在虛擬實驗中能方便有效地進行各種頻譜分析。同時，虛擬實驗不受實驗室硬件設(shè)備固定的限制，因此更具有靈活性，能實現(xiàn)某些硬件實驗不能做到的事情。例如，在上述AM虛擬實驗中，虛擬實驗?zāi)茏龅剑孩賹W(xué)生能夠隨意改變信號源的輸入信號，通過改變基帶信號的直流和交流分量的大小，能方便地觀察到AM信號的“過調(diào)現(xiàn)象”，而實驗箱只能使用自帶的單頻率的正余弦信號，這使得硬件實驗很難調(diào)出AM信號的“過調(diào)現(xiàn)象”；②利用SystemView構(gòu)建AM仿真系統(tǒng)，學(xué)生能自由選擇使用相干解調(diào)或者包絡(luò)解調(diào)方法，而在我們的硬件實驗中只提供了包絡(luò)解調(diào)方法；③利用SystemView構(gòu)建AM仿真系統(tǒng)，學(xué)生能方便地加入各種類型的噪聲，并分析它們對信號在系統(tǒng)中傳輸?shù)挠绊?，而在硬件實驗中，只能加入高斯白噪聲，并且加入噪聲后，示波器很難觀察到穩(wěn)定的波形。這些都說明，實驗課程中運用虛擬實驗可以彌補硬件實驗的不足。

2.培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計分析能力

教育的目的在于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，包括設(shè)計分析能力、主動學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力等[8]。在硬件實驗中，受硬件設(shè)備固定的限制，學(xué)生無法自由選擇設(shè)備構(gòu)建通信系統(tǒng)，這使得大部分構(gòu)建通信系統(tǒng)的硬件實驗僅僅是讓學(xué)生在實驗箱上通過連線來構(gòu)建系統(tǒng)。而在使用SystemView構(gòu)建仿真系統(tǒng)時，需要由學(xué)生選擇系統(tǒng)所需虛擬設(shè)備，并且對各個虛擬設(shè)備的參數(shù)進行設(shè)置。相比硬件實驗，虛擬實驗更能完整地體現(xiàn)通信系統(tǒng)的構(gòu)建，因此能更好地加深學(xué)生對通信系統(tǒng)的組成和原理的理解，提高他們的綜合設(shè)計能力。同時，SystemView提供了強大的分析工具，方便學(xué)生自由進行各種波形和頻譜的比較分析，有助于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。另一方面，虛擬實驗更具有靈活性和主動性，能更好地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)他們的主動學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力[1]。

3.輔助理論課程教學(xué)

在傳統(tǒng)的通信原理理論教學(xué)中，教師通過圖片、PPT、板書等形式顯示通信系統(tǒng)的組成，并分析信號在傳輸過程中的波形和頻譜變化。這種授課方式較為枯燥難懂，學(xué)生聽得吃力，很難對有關(guān)理論留下深刻的印象。而通過虛擬實驗，教師可以很方便地在課堂上完成一個通信系統(tǒng)的構(gòu)建，并且通過分析窗口讓學(xué)生直觀地看到信號在傳輸過程中的波形和頻譜變化，讓抽象的理論即時得到檢驗，從而對通信系統(tǒng)各組成模塊的功能以及有關(guān)通信原理形成直觀、深刻的印象。這種授課方式直觀生動，極大地提高了教學(xué)效果。

在通信原理硬件實驗中，受硬件實驗箱的限定，學(xué)生很難完整地實現(xiàn)通信系統(tǒng)的構(gòu)建。同時，缺少頻譜分析工具，難以分析信號的頻譜變化。另外，還存在實驗設(shè)備損壞、實驗項目難以更新等缺點?；诖?，我們改革通信原理實驗課程，加入基于SystemView的虛擬實驗。教學(xué)實踐表明，虛擬實驗不但能達到硬件實驗的實驗要求和實驗?zāi)康?，同時還能彌補硬件實驗的種種不足。此外，采用虛擬實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計分析能力。將虛擬實驗進一步引入理論教學(xué)中，使得課程講解更直觀生動，極大地提高了教學(xué)效果。