任 峻

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學 信息科學技術(shù)學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學 東方科技學院，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，是幫助學生更好地掌握專業(yè)理論基礎課程，提高學生的動手能力、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能夠得到較好的效果（如AM、ASK、PAM等），但不能用于觀測高頻復雜波形的實驗（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不受硬件設備的限制，從而使實驗項目能及時根據(jù)教學需要進行更新，并且不存在設備損壞的問題；②提供強大的分析工具，使學生能方便地進行各種波形和頻譜的分析比較；③完全由學生自主構(gòu)建通信仿真系統(tǒng)，包括設備的選擇和參數(shù)的設定，能更好地培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析設計能力[1，2]。

本著“技術(shù)設計為教學設計服務”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上增加對應的虛擬實驗項目。本文介紹了一個完整的基于SystemView的虛擬實驗項目的設計。教學結(jié)果表明，這種虛擬實驗能幫助學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生系統(tǒng)分析設計能力。

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]。這些都使得學生只要知道系統(tǒng)的組成原理，就能快速上手完成相關的實驗設計和分析。

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)的對應關系非常密切，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)設置比較復雜，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計

基于SystemView的虛擬實驗以學生為主體，由學生自主設計和分析，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。我們以AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實驗項目的設計為例，給出一個完整的虛擬實驗教學過程。虛擬實驗過程分為設計、構(gòu)建和分析三個階段。

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

由實驗教師進行實驗說明，引導學生根據(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)方法可以由學生自主選擇相干解調(diào)或包絡解調(diào)。對于能力較強的學生，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]。

學生從圖標庫中選擇相應模塊的圖符組建通信系統(tǒng)，并設置觀察點，然后設置系統(tǒng)定時參數(shù)以及各設備模塊的參數(shù)。在這個過程中，要注意引導學生的自主學習能力和綜合設計能力，參數(shù)的設計只講解設置原則，而具體設置由學生自主完成。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

引導學生使用分析窗口，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，學生能觀察到硬件實驗中所不能觀察到的信號頻譜。同時學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?。例如，圖4給出了基帶信號、AM信號和載波信號的頻譜比較，它讓學生直觀地看到在理論課程中反復強調(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、快速地達到相應硬件實驗的實驗要求和實驗目的，同時還能完成硬件實驗所不能完成的頻譜分析。

四、虛擬實驗在教學中的應用

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》課程教學的重點和難點。但本科教學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，虛擬實驗能做到：①學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)，學生能自由選擇使用相干解調(diào)或者包絡解調(diào)方法，而在我們的硬件實驗中只提供了包絡解調(diào)方法；③利用SystemView構(gòu)建AM仿真系統(tǒng)，學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)學生的綜合設計分析能力

教育的目的在于提高學生的綜合素質(zhì)，包括設計分析能力、主動學習能力及創(chuàng)新能力等[8]。在硬件實驗中，受硬件設備固定的限制，學生無法自由選擇設備構(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，需要由學生選擇系統(tǒng)所需虛擬設備，并且對各個虛擬設備的參數(shù)進行設置。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生對通信系統(tǒng)的組成和原理的理解，提高他們的綜合設計能力。同時，SystemView提供了強大的分析工具，方便學生自由進行各種波形和頻譜的比較分析，有助于培養(yǎng)學生的分析能力。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)學生的自主學習熱情，培養(yǎng)他們的主動學習能力和創(chuàng)新能力[1]。

3.輔助理論課程教學

在傳統(tǒng)的通信原理理論教學中，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，學生聽得吃力，很難對有關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，極大地提高了教學效果。

在通信原理硬件實驗中，受硬件實驗箱的限定，學生很難完整地實現(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，還存在實驗設備損壞、實驗項目難以更新等缺點?；诖耍覀兏母锿ㄐ旁韺嶒炚n程，加入基于SystemView的虛擬實驗。教學實踐表明，虛擬實驗不但能達到硬件實驗的實驗要求和實驗目的，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)學生的綜合設計分析能力。將虛擬實驗進一步引入理論教學中，使得課程講解更直觀生動，極大地提高了教學效果。