基于虛擬仿真技術(shù)的通信原理實驗教學(xué)改革研究

莫丹雷

摘? 要：《通信原理》是通信工程、電子信息等信息類專業(yè)設(shè)置的一門較抽象的主干課程，為了使學(xué)生更容易、更深刻地理解通信原理中一些重要理論和實驗現(xiàn)象，本文基于虛擬仿真技術(shù)搭建了通信原理實驗平臺，從實驗平臺的搭建、調(diào)試方法和效果、實驗結(jié)果等方面介紹了該實驗仿真平臺的整體構(gòu)思和具體功能，將相關(guān)實驗步驟通過動畫的形式進行演示，使學(xué)生在課程與實驗的學(xué)習(xí)中獲得更直觀的教學(xué)感受，旨在在《通信原理》實驗教學(xué)中進行相應(yīng)的教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：通信原理? 虛擬仿真? 實驗平臺? 教學(xué)改革

中圖分類號：O4-33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0200-03

Abstract： Communication Principle is an abstract main course for communication engineering， electronic information and other information majors. In order to make students understand some important theories and experimental phenomena in communication principles more easily and deeply， this paper builds a communication principle experimental platform based on virtual simulation technology， and introduces the construction of the experimental platform， debugging methods and effects， and experimental results The overall concept and specific functions of the experimental simulation platform are presented. The related experimental steps are demonstrated in the form of animation， so that students can get more intuitive teaching experience in the course and experiment learning， aiming at the corresponding teaching reform in the experimental teaching of Communication Principle.

Key Words： Communication Principle; Virtual simulation; Experiment platform; Teaching reform

通信原理相關(guān)實驗主要包括了信源編碼技術(shù)、基帶傳輸編譯碼技術(shù)、基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)、信道編譯碼技術(shù)、同步技術(shù)等重要的內(nèi)容，具有比較強的理論應(yīng)用性。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，許多高等工科院校的通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)已將通信原理及實驗課程列入必修專業(yè)課程，甚至一些高等院校更是將通信原理及實驗作為重點課程開展相關(guān)建設(shè)[1-4]。

通信原理主要是分析了信號在數(shù)字通信系統(tǒng)中的信道編碼技術(shù)、調(diào)制、解調(diào)以及信號在信道傳輸方式等關(guān)鍵技術(shù)。通信原理實驗課是將抽象的原理實際化，將信號在通信原理實驗箱中經(jīng)過信道編碼、信號調(diào)制、信號解調(diào)等過程，進而直觀地感受到信號波形變化的過程，進一步地掌握通信原理中的關(guān)鍵技? ? ? ? ?術(shù)[5]。作為一項面向?qū)嶋H測量與通信的學(xué)科，其應(yīng)用性極強，但是實際教學(xué)經(jīng)驗中，一些現(xiàn)實問題表現(xiàn)十分凸出，主要集中在以下兩個方面：

（1）由于通信原理的實驗對信號質(zhì)量要求比較高，故對實驗箱所用到的信號處理芯片要求高，而電路中的各種電子元器件、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等，這些信號處理芯片以及電子元器件不僅容易因?qū)嶒炇д`造成損壞，而且更換器件也較為麻煩，更重要的是相關(guān)實驗箱價錢昂貴，無法滿足學(xué)生單獨操作實驗的需求。并且即使實驗指導(dǎo)老師都會一再強調(diào)實驗操作的規(guī)范性與安全性，但是學(xué)生數(shù)量眾多、實驗箱使用頻繁，終歸還是免不了有實驗系統(tǒng)芯片和電子元器件的損壞，造成不必要的財務(wù)損失[6]。

（2）通信原理實驗系統(tǒng)復(fù)雜且抽象，使實驗教學(xué)面臨困難。由于通信原理實驗需要掌握一定的理論，但其理論多且抽象，要求學(xué)生在實驗箱設(shè)備連線準確后方可上電，最后通過示波器觀測信號波形。能否觀測到正確的信號波形需要一個復(fù)雜的調(diào)試過程：一方面需要在設(shè)置正確的實驗參數(shù)下，確保在實驗箱連線的無誤;另一方面由于信號較為抽象，需要借助示波器對信號進行觀測。這就導(dǎo)致在調(diào)試某一個實驗時，需要花更多的時間在參數(shù)設(shè)置、設(shè)備連線及示波器調(diào)試上才能更準確觀測到實驗效果，而實驗課堂的時間又較為有限。

因此，希望建立一個通信原理實驗虛擬仿真實驗平臺，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的通信原理實驗教學(xué)，如信源編碼技術(shù)、基帶傳輸編碼技術(shù)、基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)、信道編碼技術(shù)等實驗教學(xué)進行一次較大的教學(xué)改革，使得相關(guān)課程實驗內(nèi)容能更好更有效地開展，提高學(xué)生的實際操作和創(chuàng)新能力[7]。

2? 通信原理實驗仿真平臺結(jié)構(gòu)及功能

通信原理實驗仿真平臺的建立將可為通信原理、移動通信、高頻電子線路、光纖通信等多門通信類實驗課程的多個實驗提供虛擬仿真的實驗平臺，如HDB3碼型變換實驗、卷積碼編譯碼實驗、ASK調(diào)制及解調(diào)實驗等。根據(jù)通信原理實驗教學(xué)的具體要求，本文初步設(shè)計的通信原理實驗仿真平臺總體界面如圖1所示?？梢?，界面上可以完成模擬信號源功能、數(shù)字信號源功能、通信原理實驗菜單功能、模塊設(shè)置功能、系統(tǒng)升級五種功能的設(shè)置。下面以模擬信號源共設(shè)置為例進行說明。

模擬信號源菜單由“信號源”按鍵進入，該菜單下按“選擇/確定”鍵可以依次設(shè)置：“輸出波形”→“ 輸出頻率”→“ 調(diào)節(jié)步進”→“音樂輸出”→“占空比”（只有在輸出方波模式下才出現(xiàn)）。在設(shè)置狀態(tài)下，選擇“選擇/確定”就可以設(shè)置參數(shù)了。

（1）“輸出波形”設(shè)置。

一共有6種波形可以選擇：正弦波：輸出頻率 10Hz～2MHz;方波：輸出頻率 10Hz～200kHz;三角波：輸出頻率 10Hz～200kHz;DSBFC（全載波雙邊帶調(diào)幅）：由正弦波作為載波，音樂信號作為調(diào)制信號，輸出全載波雙邊帶調(diào)幅;DSBSC（抑制載波雙邊帶調(diào)幅）：由正弦波作為載波，音樂信號作為調(diào)制信號，輸出抑制載波雙邊帶調(diào)幅;FM：載波固定為20kHz，音樂信號作為調(diào)制信號。

（2）“輸出頻率”設(shè)置。

“選擇/確定”順時針旋轉(zhuǎn)可以增大頻率，逆時針旋轉(zhuǎn)減小頻率。頻率增大或減小的步進值根據(jù)“調(diào)節(jié)步進”參數(shù)來。在“輸出波形”DSBFC和DSBSC時，設(shè)置的是調(diào)幅信號載波的頻率;在“輸出波形”FM時，設(shè)置頻率對輸出信號無影響。

（3）“調(diào)節(jié)步進”設(shè)置。

“選擇/確定”順時針旋轉(zhuǎn)可以增大步進，逆時針旋轉(zhuǎn)減小步進。步進分為：10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz五檔。

（4）“音樂輸出”設(shè)置。

設(shè)置“MUSIC”端口輸出信號的類型。有三種信號輸出“音樂1”、“音樂2”、“3K+1K正弦波”三種。

（5）占空比”設(shè)置。

“選擇/確定”順時針旋轉(zhuǎn)可以增大占空比，逆時針旋轉(zhuǎn)減小占空比。占空比調(diào)節(jié)范圍10%～90%，以10%為步進調(diào)節(jié)。

以信道編譯碼技術(shù)中的卷積碼編譯碼實驗為例進行介紹，首先，根據(jù)實驗步驟啟動通信原理實驗仿真平臺總體界面;其次，設(shè)置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【卷積碼編譯碼及交織】;接著在信道編譯碼模塊中調(diào)節(jié)編碼類型為：卷積碼編碼，編碼模式為：無差錯模式，使得系統(tǒng)的初始狀態(tài)為：編碼輸入8K數(shù)據(jù)的無差錯卷積編碼模式;最后添加示波器用于觀測信道編譯碼模塊中的編碼輸入數(shù)據(jù)，卷積編碼輸出，卷積譯碼輸出等數(shù)據(jù)。

當以正確的方法設(shè)置好參數(shù)，以及正確地將信號源模塊跟信道編譯碼模塊連接后，最終可以觀測到正確的實驗結(jié)果，由此來虛擬仿真整個實驗過程。學(xué)生經(jīng)過了虛擬仿真平臺的操作后，更好地理解和掌握了實驗原理、操作方法后，再到實際操作平臺中選擇實際的實驗?zāi)K，完成卷積碼編譯碼實驗步驟并調(diào)試出實驗結(jié)果。

此虛擬平臺的建立，能很好地解決在這個實驗中的2個問題：（1）避免了設(shè)計方法、方案抽象。因通信原理實驗原理抽象，教師在實驗課堂上對相關(guān)實驗內(nèi)容進行講解時，學(xué)生對復(fù)雜的理論過程難以快速接受，造成實驗進展速度緩慢。而虛擬仿真平臺的搭建，給學(xué)生自主實驗設(shè)計提供了條件，動畫式的實驗步驟和相應(yīng)結(jié)果令學(xué)生更容易理解知識點;（2）避免不必要的材料損耗。因設(shè)計信道編碼技術(shù)的步驟抽象且復(fù)雜，一旦出現(xiàn)步驟出錯，連線錯誤，輕則不能調(diào)試出實驗結(jié)果，重則燒毀通信原理實驗箱，造成財務(wù)損失。

3? 結(jié)語

本文搭建的通信原理實驗仿真平臺功能雖還未十分完善，但其使用靈活、調(diào)試簡單、調(diào)試結(jié)果穩(wěn)定性好，整體上具有較好的魯棒性，具有較大的發(fā)展和開發(fā)潛力。該實驗仿真平臺的搭建對通信原理實驗教學(xué)及相關(guān)的課程實驗教學(xué)具有一定的推動性，在實際教學(xué)應(yīng)用中，該平臺的使用不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性，提高學(xué)生的思考和實際操作能力，還能在一定程度上減輕教師的工作量，對通信原理實驗的教學(xué)改革有一定的促進及參考作用。

參考文獻

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[3] 王冬梅，王秀芳，闞玲玲.基于虛擬仿真平臺的通信原理實驗教學(xué)改革研究[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2019，27（31）：133-134.

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[7] 蔣曲博，秦祖軍，張麗娟，等.基于虛擬仿真技術(shù)的光電測量實驗教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（15）：98-100.