摘 要：針對通信原理硬件實(shí)驗(yàn)箱的不足，文章以一個(gè)完整的AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)為例，指出在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)，不但能有效彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)的不足，有助于學(xué)生理解和掌握各種通信系統(tǒng)的組成原理;同時(shí)，更能加強(qiáng)學(xué)生的綜合分析設(shè)計(jì)能力和自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力。另一方面，利用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助理論教學(xué)，使得理論課程講解更直觀生動，極大地提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：通信原理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng);SystemView

中圖分類號：G434? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2019）08-0094-03

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(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)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(gè)組成部分的波形和頻譜，使學(xué)生對各個(gè)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(shí)驗(yàn)課程以硬件實(shí)驗(yàn)為主。這類實(shí)驗(yàn)在通信原理實(shí)驗(yàn)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(diǎn)波形。這類實(shí)驗(yàn)一般為驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，對于僅需觀測簡單波形的實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)（如PCM 編碼）或信號頻譜的實(shí)驗(yàn)（如AM實(shí)驗(yàn)中頻譜搬移的驗(yàn)證）。另外，這類實(shí)驗(yàn)元器件已固化在實(shí)驗(yàn)箱上，因此無法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析類實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，硬件實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)箱的限制，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新比較困難。而隨著實(shí)驗(yàn)箱使用時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)問題的頻率加大，這些都限制了硬件實(shí)驗(yàn)在通信原理實(shí)驗(yàn)課程中的使用[1，2]。

通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)通過利用各種電子電路仿真軟件，如SytemView、Matlab等，構(gòu)建一個(gè)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(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不受硬件設(shè)備的限制，從而使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能及時(shí)根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行更新，并且不存在設(shè)備損壞的問題;②提供強(qiáng)大的分析工具，使學(xué)生能方便地進(jìn)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(jì)能力[1，2]。

本著“技術(shù)設(shè)計(jì)為教學(xué)設(shè)計(jì)服務(wù)”的原則，我們對通信原理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，在硬件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上增加對應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文介紹了一個(gè)完整的基于SystemView的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。教學(xué)結(jié)果表明，這種虛擬實(shí)驗(yàn)?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(shí)能更好地提高學(xué)生系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)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(jì)、仿真和分析，在它的圖標(biāo)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(biāo)從SystemView 庫中選擇需要的圖符（元件）并將其拖到設(shè)計(jì)窗口中連接起來，就能構(gòu)成各種系統(tǒng);而SystemView強(qiáng)大的分析工具能夠方便地進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(diǎn)是軟件仿真與硬件實(shí)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(jìn)行通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

基于SystemView的虛擬實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主體，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)和分析，教師只進(jìn)行簡單的實(shí)驗(yàn)說明，并在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行必要的引導(dǎo)。我們以AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)為例，給出一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。虛擬實(shí)驗(yàn)過程分為設(shè)計(jì)、構(gòu)建和分析三個(gè)階段。

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

由實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的學(xué)生，可以鼓勵(lì)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(biāo)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(diǎn)，然后設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)以及各設(shè)備模塊的參數(shù)。在這個(gè)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(jì)能力，參數(shù)的設(shè)計(jì)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)。

2.信號分析

引導(dǎo)學(xué)生使用分析窗口，對通過觀察點(diǎn)的信號的波形和頻譜進(jìn)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(shí)驗(yàn)中測得的波形相同，但更加清晰。圖4比較了觀察點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中所不能觀察到的信號頻譜。同時(shí)學(xué)生可以使用該工具方便地將信號在各個(gè)觀察點(diǎn)的頻譜或波形疊加在一個(gè)圖中顯示，使得信號在通過通信系統(tǒng)各個(gè)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(qiáng)調(diào)的AM信號的特點(diǎn)：“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]。

通過對AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)完整的介紹，我們可以看到基于Systemview的虛擬實(shí)驗(yàn)不但能完整、準(zhǔn)確、快速地達(dá)到相應(yīng)硬件實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，同時(shí)還能完成硬件實(shí)驗(yàn)所不能完成的頻譜分析。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

1.實(shí)驗(yàn)課程中運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)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(diǎn)和難點(diǎn)。但本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中所配置的低端示波器一般很難進(jìn)行有效的頻譜分析。使用SystemView的分析工具，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中能方便有效地進(jìn)行各種頻譜分析。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備固定的限制，因此更具有靈活性，能實(shí)現(xiàn)某些硬件實(shí)驗(yàn)不能做到的事情。例如，在上述AM虛擬實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)箱只能使用自帶的單頻率的正余弦信號，這使得硬件實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程中運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)的不足。

2.培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)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(jì)分析能力、主動學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力等[8]。在硬件實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)僅僅是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(shí)，需要由學(xué)生選擇系統(tǒng)所需虛擬設(shè)備，并且對各個(gè)虛擬設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。相比硬件實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)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(jì)能力。同時(shí)，SystemView 提供了強(qiáng)大的分析工具，方便學(xué)生自由進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，教師可以很方便地在課堂上完成一個(gè)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(shí)得到檢驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中，受硬件實(shí)驗(yàn)箱的限定，學(xué)生很難完整地實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的構(gòu)建。同時(shí)，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(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以更新等缺點(diǎn)。基于此，我們改革通信原理實(shí)驗(yàn)課程，加入基于SystemView的虛擬實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)不但能達(dá)到硬件實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，同時(shí)還能彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)的種種不足。此外，采用虛擬實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)分析能力。將虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)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。

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（編輯：魯利瑞）