虛擬仿真技術(shù)在通信工程專業(yè)核心課程群中的實踐應(yīng)用研究

劉婉妮

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引 言

在新工科時代背景下，對通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式、課程體系、學(xué)生的綜合實踐能力等方面提出了全新的要求?！靶盘柵c系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“通信原理”“移動通信”“移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”等課程是通信工程專業(yè)課程體系的核心組成部分，這五門課程在知識的繼承和銜接上遵循嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，在課程設(shè)置中多將它們作為課程群進行建設(shè)，該課程群不僅涉及到信號與系統(tǒng)分析和處理的整套理論，而且更注重運用課程的相關(guān)理論解決工程領(lǐng)域中的實際問題[1]。但該課程群的一個共同特點是理論性、系統(tǒng)性較強，理論結(jié)果往往來源于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和推導(dǎo)，且課程中大量信號分析的結(jié)果缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)該類課程中普遍存在對物理概念理解不清晰、畏難情緒嚴(yán)重、缺乏工程實踐應(yīng)用價值的探索興趣等現(xiàn)象，使該課程群一直處于教難、學(xué)更難的境況[2]。

教育部在《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》文件中要求：深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平[3-4]。虛擬仿真技術(shù)具有成本低、自由度高、交互性強、可循環(huán)利用等優(yōu)點，在學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面具有明顯優(yōu)勢，在通信工程專業(yè)的理論和實驗課程教學(xué)中已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。本文以西安歐亞學(xué)院通信工程專業(yè)核心課程改革為例，探討虛擬仿真技術(shù)在專業(yè)核心課程群教學(xué)中的應(yīng)用情況。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的必要性和先進性

（1）有效延伸和擴展傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真技術(shù)在“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”等課程中的應(yīng)用：利用MATLAB強大的信號處理能力及可視化的圖形用戶GUIDE工具，以交互的方式對“信號與系統(tǒng)”中的重要內(nèi)容進行動態(tài)仿真[5]，并將枯燥的理論知識與有趣的工程實踐相結(jié)合，讓學(xué)生在直觀的演示中理解問題的本質(zhì)和意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

虛擬仿真技術(shù)在“通信原理”“移動通信”等課程中的應(yīng)用：該類課程以完整的通信系統(tǒng)為對象，以研究系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)值為目標(biāo)，使其同時滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計約束；課程主要應(yīng)用MATLAB Simulink、LabView、SystemView等軟件快速搭建通信系統(tǒng)并進行約束條件下的系統(tǒng)仿真，對仿真結(jié)果進行分析，從而預(yù)測系統(tǒng)在實際環(huán)境中的運行情況。

“移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”課程內(nèi)容是以移動通信網(wǎng)絡(luò)項目建設(shè)的全流程為主線，將移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)期、測試優(yōu)化發(fā)展期、專題運維成熟期的實際工程項目借鑒遷移到課程教學(xué)中來，但由于知識體系較龐大、實驗條件受限，在傳統(tǒng)的教學(xué)中很難兼顧完整的項目過程，通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充，從網(wǎng)絡(luò)的接入到傳輸，從業(yè)務(wù)接口到信令接口，從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備安裝、配置調(diào)測到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，真正實現(xiàn)了移動通信網(wǎng)絡(luò)全程覆蓋。

（2）打破實驗時間、空間受限的障礙

由于通信專業(yè)核心課所涉及的實驗設(shè)備較昂貴，實驗室不能隨意開放，學(xué)生只能在規(guī)定的時間內(nèi)進行實驗操作，所有學(xué)生只能“齊步走”；同時由于設(shè)備數(shù)量有限，一般以小組為單位進行協(xié)作完成，難免部分學(xué)生有“搭車”之嫌，另外移動通信設(shè)備的網(wǎng)管系統(tǒng)支持的在線用戶數(shù)有限，使得實驗資源利用率和實驗效率均較低。同時，為了避免學(xué)生由于知識掌握不透徹引起各種突發(fā)事件，在教學(xué)中老師會詳細(xì)介紹操作步驟和注意事項，這一教學(xué)模式盡管降低了儀器損毀的概率，但同時也降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]。而虛擬仿真實驗不受場地、器件等因素的影響，實驗時有臨場感和沉浸感，學(xué)生可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進度實現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)需求，并可以根據(jù)實驗結(jié)果反復(fù)測試與調(diào)整，避免千人一面的實驗結(jié)果，給予學(xué)生較好的創(chuàng)新探究的發(fā)揮空間[6]。

（3）緩解通信實驗設(shè)備更新壓力

信息通信技術(shù)具有技術(shù)高度密集、實踐性要求高和更新?lián)Q代迅速等特點，對于很多民辦院校而言，在信息通信技術(shù)更新速度快、實體設(shè)備費用高、不同廠家設(shè)備差異大和使用周期短的實驗和實訓(xùn)條件下，要投入大量資金阻力較大。同時在實際的實驗過程中，設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓、儀器燒毀情況時有發(fā)生，學(xué)校每年需要花費大量的財力進行通信設(shè)備的維修、儀器的重復(fù)引進和消耗材料的購置。而通過虛擬仿真技術(shù)不僅可以模擬真實的“現(xiàn)網(wǎng)”場景[7]，讓學(xué)生獲得與操作真實設(shè)備所需的同樣的知識和技能成為可能，并且通過軟件升級就可將課程無縫切換到未來網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計中，在有效解決以上諸多問題方面有顯著優(yōu)勢。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課程群的典型案例

2.1 MATLAB在信號處理類課程中的應(yīng)用

MATLAB是由美國MathWorks公司發(fā)布的主要面向科學(xué)計算、可視化及交互式程序設(shè)計的計算軟件[8]，以其強大的科學(xué)計算和圖形繪制功能，被廣泛地應(yīng)用于信號處理類課程的教學(xué)中，能夠?qū)⒒逎睦碚撝R具體化、形象化，達(dá)到既掌握理論知識又拓展工程實踐能力的目的。下面以語音信號去噪為例，介紹MATLAB在信號處理課程中的應(yīng)用。

在信號處理類課程中，如何選擇合適的數(shù)字濾波器解決實際工程問題是教學(xué)的重點和難點，在教學(xué)中常以語音信號去噪案例展開教學(xué)，借助MATLAB工具，實現(xiàn)語音信號采集與去噪系統(tǒng)的仿真，通過設(shè)計Butterworth、Chebyshev的I2R數(shù)字濾波器，分別實現(xiàn)基于巴特沃斯和切比雪夫低通、高通、帶通和帶阻濾波器的除噪功能，恢復(fù)原始語音信號，分析不同濾波器處理前后語音信號的時域、頻域特性，并從理論推導(dǎo)、仿真結(jié)果分析和聽覺感受三個方面進行效果對比。具體仿真流程和仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 語音信號去噪仿真流程

圖2 語音信號去噪仿真波形

2.2 LabVIEW在通信原理課程中的應(yīng)用

LabVIEW是由美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的一種圖形化的編程環(huán)境，其最大的特點是程序框圖化，通過前面板的輸入控件和顯示控件可觀察輸入條件及輸出結(jié)果，通過后面板的框圖化程序可看到前面板運行結(jié)果是如何具體實現(xiàn)的[9-10]。利用LabVIEW的窗函數(shù)、濾波器、頻譜分析、功率譜分析等控件，可以方便地搭建、觀察和分析通信系統(tǒng)。下面以AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真為例，介紹LabVIEW在通信原理課程中的應(yīng)用。

幅度調(diào)制（AM）是模擬通信系統(tǒng)中一種最常見的線性調(diào)制方式[11]，借助LabVIEW可以方便地搭建AM調(diào)制系統(tǒng)。系統(tǒng)前面板如圖3所示，通過前面板參數(shù)的設(shè)置，可得到所需頻率和幅值的AM信號，并能夠?qū)崿F(xiàn)對該信號的調(diào)制和解調(diào)，最后用簇將信號的波形和頻譜分別打包后通過示波器將波形和頻譜顯示出來。

圖3 AM調(diào)制系統(tǒng)仿真前面板

圖4為AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的后面板，從后面板程序中可以清楚地看出AM系統(tǒng)的構(gòu)成和前面板功能是如何實現(xiàn)的，發(fā)送端的基帶信號經(jīng)AM調(diào)制模塊后產(chǎn)生AM已調(diào)信號，基帶信號和AM信號經(jīng)FFT運算得到基帶信號和AM信號的頻譜。AM信號加入噪聲后到達(dá)接收端，將AM信號先與載波相乘，然后再通過一個低通濾波器（即相干解調(diào)），接收濾波器的截止頻率要略高于基帶信號頻率，從而得到AM解調(diào)信號。程序框圖中的AM控件是自定義的一個子程序，在主程序中被調(diào)用，其設(shè)計如圖5和圖6所示。用多諧波發(fā)生器產(chǎn)生一個仿真基帶信號，將它和直流偏移相加，再和一個多諧波發(fā)生器產(chǎn)生的余弦波相乘，便可以得到AM調(diào)制信號。

圖4 AM調(diào)制系統(tǒng)仿真后面板

圖5 AM子程序前面板

圖6 AM子程序后面板

2.3 基于VR的虛擬仿真技術(shù)在“移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”課程中的應(yīng)用

“移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”課程內(nèi)容以移動通信網(wǎng)絡(luò)項目建設(shè)的全流程為主線，將移動通信網(wǎng)絡(luò)的實際工程項目借鑒遷移到課程教學(xué)中來，但由于知識體系較龐大、實驗條件受限，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中多以設(shè)備安裝調(diào)測及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為主，很難兼顧完整的項目過程，致使實驗的系統(tǒng)性不足。而借助虛擬仿真技術(shù)，搭建覆蓋通信系統(tǒng)全過程的虛擬仿真實驗，實驗中所用的部署標(biāo)準(zhǔn)、4G/5G設(shè)備、分析方法都與現(xiàn)網(wǎng)同步且一致，實現(xiàn)實驗條件和真實工作環(huán)境的“無縫對接”，全方位、多層次地培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力[12]。

以5G網(wǎng)絡(luò)基站安裝為例，通過虛擬技術(shù)實現(xiàn)一個通信機房從無到有的搭建過程，模擬站點工程師依照安裝規(guī)范進行基站設(shè)備安裝，形象地仿真了基站BBU、AAU、GPS、饋線、光纖等設(shè)備線纜安裝連接全過程。學(xué)生可根據(jù)要求建立一個空置的機房內(nèi)景和機房外景模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗提示分別選擇器材庫中的設(shè)備和輔材，將通信主設(shè)備和相關(guān)輔材模型逐個安置在機房內(nèi)外指定的區(qū)域和位置，所有設(shè)備和輔材均可360°全方位地展示，在實驗過程中學(xué)生需結(jié)合所學(xué)知識及原理，對器材庫實驗步驟和實驗結(jié)果做出分析、判斷、決策與“試誤”。圖7、圖8分別為5G基站搭建及5G網(wǎng)絡(luò)機房搭建模型。實驗過程采用“闖關(guān)式”設(shè)計，通過“虛實結(jié)合”的教學(xué)手段[13]，有效培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力和解決通信工程中復(fù)雜工程問題的能力。

圖7 5G基站器材庫搭建

圖8 虛擬5G基站室內(nèi)環(huán)境搭建

3 結(jié) 語

實踐證明，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的生命力在于很大程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，解決實際教學(xué)中課程難度大、課堂教學(xué)枯燥乏味、學(xué)生實踐技能薄弱等問題，緩解傳統(tǒng)實驗教學(xué)的壓力，節(jié)省時間、空間和硬件成本資源，實現(xiàn)對傳統(tǒng)教學(xué)的擴展和延伸。盡管虛擬仿真教學(xué)有諸如上述優(yōu)勢，但虛擬仿真與實際實驗相比，仍存在不能很好地識別學(xué)習(xí)者在真實工程環(huán)境中所呈現(xiàn)的個性差異等不足[14]，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)把握好虛擬仿真與實際實驗的關(guān)系，虛實結(jié)合，以虛補實，解鎖教育教學(xué)新技能。