運用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學

任 峻，張紅燕

(湖南農業(yè)大學 信息科學技術學院，湖南 長沙 410128)

1 通信原理實驗課程及其改革概述

通信原理課程的內容主要是各種通信系統(tǒng)的組成原理，包括通信系統(tǒng)的組成、信號在傳輸過程中波形和頻譜的變化以及通信系統(tǒng)性能的評估[1]。通信原理課程通常分為理論課程和實驗課程兩部分，其中實驗課程的主要教學目標是：通過實驗使學生對通信系統(tǒng)的組成和通信原理有直觀的感受，輔助理論課程教學，提高學生學習興趣，培養(yǎng)學生的綜合設計分析能力[2-3]。

傳統(tǒng)的通信原理實驗通常是利用硬件實驗箱進行的。在實際教學中，這種硬件實驗箱存在以下不足：(1)分析工具僅有示波器，只能進行簡單的信號波形觀察，無法進行信號頻譜分析；(2)設備固定在實驗箱上，學生僅僅是通過在實驗箱上連線來構建系統(tǒng)，難以培養(yǎng)學生的綜合設計能力；(3)學生無法修改設備參數(shù)，造成很多實驗現(xiàn)象觀察不到；(4)設備容易損壞；(5)實驗項目固定且難以更新；(6)實驗時間和地點固定，學生不能根據(jù)自己的學習進度安排實驗時間。這些問題極大地限制了實驗課程教學目標的實現(xiàn)[4-5]。

SystemView是一款強大的電路與通信系統(tǒng)仿真軟件。它具有豐富的虛擬設備和強大的分析工具，并且用戶界面友好，易于學習和使用[6]。學生能很快地學會利用SystemView設計各種通信仿真系統(tǒng)，對信號和噪聲進行波形和頻譜分析。與傳統(tǒng)的硬件實驗相比，這種虛擬實驗靈活多變，能更好地培養(yǎng)學生的設計能力、分析能力和創(chuàng)新能力。虛擬實驗不受硬件設備的限制，不存在實驗設備損壞的問題，實驗項目能及時根據(jù)教學需要進行更新；不受實驗室的時間和空間限制，只要在計算機上安裝了SystemView軟件，學生就能在任何時間和地點完成虛擬實驗。

可見，使用SystemView仿真軟件進行通信原理虛擬實驗能有效彌補硬件實驗的不足，用虛擬實驗改革通信原理實驗課程已成為一個必然趨勢。例如，吉林農業(yè)大學、渭南師范學院等學校已逐漸將虛擬實驗引入通信原理實驗或課程設計中[7-9]。我校結合通信原理課程的教學目標和教學安排，也對通信原理實驗課程進行了改革，將傳統(tǒng)的硬件實驗室改造為硬件實驗與虛擬實驗相結合的“虛實結合”的綜合實驗室。

2 建立“虛實結合”的通信原理綜合實驗室

我校通信原理實驗課程的改革主要是建立“虛實結合”的通信原理綜合實驗室，包括實驗室改建和實驗項目的設計。

2.1 通信原理實驗室改建

實驗室改建是通信原理實驗課程改革的硬件基礎。原來的通信原理實驗室是單純的硬件實驗室，包含18個通信原理實驗箱和18臺示波器，可供18組學生完成多種通信實驗。改建后的實驗室增加了18臺計算機，每臺計算機均安裝相應的SystemView等仿真軟件，可供學生構建多種通信仿真系統(tǒng)、完成多種通信原理的虛擬仿真實驗。

2.2 實驗項目的設計

實驗項目的設計是我校通信原理實驗課程改革的核心。根據(jù)實驗教學的教學目標，圍繞通信原理教學內容，重新設置了實驗項目。改革后的通信原理實驗項目被分為基礎硬件實驗和綜合性實驗兩大類[10-11]。

六是交易量下降及履約季價格上揚。八區(qū)域碳市場在2017履約年度配額現(xiàn)貨二級市場交易總量約為71832. 數(shù)據(jù)整理自各區(qū)域碳市場的交易所。萬噸，較2016履約年度（7542萬噸）有所減少，主要原因是部分金融機構離場。交易時間分布方面，2018年5-8月的交易量占整個履約年交易總量的57%，突顯出履約需求仍是市場交易的主要動力。另一面，上海、湖北、北京碳市場在履約期交易價格大幅上揚，打破/逼近各自的歷史最高價格，分別達到44元/噸、31元/噸、71元/噸；且這些市場的交易價格在履約截止日前的1-2個月持續(xù)維持在高位，這反應出上述市場收緊配額分配的作用。

以2FSK調制解調系統(tǒng)為例，說明我校采用虛擬仿真實驗進行通信原理實驗課程改革的情況。虛擬仿真實驗過程分為設計、構建和分析3個階段[12-13]。

構建通信系統(tǒng)應包括系統(tǒng)設計、設備選擇、連線和調試4個步驟；對系統(tǒng)的分析應包含信號波形和頻譜的分析。在基于實驗箱的通信原理實驗教學中，構建通信系統(tǒng)基本上只有連線這一步驟，分析工具也只有示波器，不能進行頻譜的分析，很難達到教學目標。SystemView豐富的虛擬設備庫和強大的分析工具彌補了硬件實驗的不足，因此，我校對于綜合性實驗采用虛擬仿真實驗，在SystemView仿真平臺上構建和分析通信系統(tǒng)。

3 虛擬仿真實驗示例

綜合性實驗包括模擬調制系統(tǒng)實驗、ASK數(shù)字調制與解調實驗、FSK數(shù)字調制與解調實驗、PSK與DPSK數(shù)字調制與解調實驗、單工通信實驗、雙工通信實驗。這類綜合性實驗均為構建和分析通信系統(tǒng)的實驗。學生通過構建完整的通信系統(tǒng)，分析信號在傳輸過程中波形和頻譜的變化，對通信系統(tǒng)的組成和通信原理形成直觀的認識，通過獨立自主完成系統(tǒng)的設計和調試分析。因此，這類實驗項目能有效實現(xiàn)實驗教學的目標，也是通信原理實驗課程的主體。

3.1 2FSK調制解調系統(tǒng)的設計

對于已經發(fā)生功血的患者,更要加強護理。本研究通過回顧性分析50例功能失調性子宮出血患者的臨床資料,得出結論:全面有效的護理干預能夠提高功能失調性子宮出血的臨床治療效果,提高患者對護理的滿意度,值得臨床推廣應用。

例如，將二進制基帶信號的帶寬設置為100 Hz，2個載波頻率分別設置為500 Hz和700 Hz，其頻率差大于基帶信號的帶寬，則通過分析窗口可以直觀地看到2FSK信號的頻譜形成雙峰。圖3給出了此時分析窗口中所顯示的2FSK的頻譜。若將2個載波頻率分別設置為500 Hz和550 Hz，其頻率差小于基帶信號的帶寬，則2FSK信號的頻譜形成單峰(見圖4)。

式(12)中：α為顯著性水平；Dmin為某方向上目標船到周圍船舶的最小距離；f(x)為某方向上周圍船舶到目標船最近距離的概率密度分布函數(shù)；D為某方向上顯著性水平為α時距目標船的距離。

圖1 2FSK調制解調系統(tǒng)的組成框圖

3.2 2FSK調制解調系統(tǒng)的構建

根據(jù)系統(tǒng)組成框圖，學生在SystemView模塊庫中自行選擇合適的虛擬設備并設置設備參數(shù)，然后通過連線構建仿真系統(tǒng)，設置觀察點并進行調試，直到構建成功，最終形成如圖2所示的2FSK調制解調仿真系統(tǒng)。通過設備選擇和參數(shù)設置，學生能進一步加深對通信原理的理解。

實驗教師引導學生設計2FSK調制解調系統(tǒng)，并畫出系統(tǒng)的組成框圖[1]。由于SystemView具有豐富的虛擬設備，學生可以選擇不同的方法建立2FSK調制解調系統(tǒng)。例如調制可以采用鍵控法，也可以采用模擬調頻法；解調可以采用包絡解調法、相干解調法、過零檢測法等。這種實驗的靈活性不僅極大地激發(fā)了學生的學習熱情，加深了學生對通信系統(tǒng)組成的理解，而且有助于培養(yǎng)學生的設計能力。

目前開挖邊坡下方主要為二期廠房，邊坡開挖將嚴重威脅二期廠房人員安全及正常運營及安全。破壞邊坡上方停車場運營及安全，進步一步發(fā)展會破整個坡體，直接經濟損失估計不小于9000萬元。

圖2 2FSK調制解調仿真系統(tǒng)

3.3 信號分析

SystemView具有強大的分析工具，通過設定觀察點和使用分析窗口，可以對通信系統(tǒng)中任意點的信號波形和頻譜進行分析、比較，從而加深對系統(tǒng)組成和傳輸過程的理解。特別是通過修改參數(shù)可以觀察到不同的現(xiàn)象，而這些用實驗箱做實驗很難觀察到。

2FSK信號頻譜的一個顯著的特點是隨著2個載波頻率的不斷接近，2FSK信號的頻譜將由“雙峰”變?yōu)椤皢畏濉?。在硬件實驗室中，由于經費原因，很少為學生配置頻譜儀，因此學生不能分析信號的頻譜。即使為教師配置了頻譜儀，但由于實驗箱中的基帶信號和載波信號的頻率都是固定的，因此也只能觀察到2FSK信號頻譜的“單峰”或者“雙峰”。在SystemView仿真平臺上，可以很方便地修改任何設備的參數(shù)，使用分析工具進行信號的頻譜比較，因此學生能輕易調試出2FSK信號頻譜的“單峰”和“雙峰”。

圖1給出一個2FSK調制解調系統(tǒng)的組成框圖，其中調制采用鍵控法，解調采用包絡解調法。

復用方式包括64Kbit/s復用保護和2Mbit/s復用保護。其中一些電網公司2Mbit/s復用保護越來越成為主流。所以本文將闡述 2Mbit/s復用為主。2Mbit/s復用方式是保護裝置的光收、發(fā)接口利用數(shù)字復用技術通過2Mbit/s數(shù)據(jù)復用接口與SDH 設備及復用通道和對側保護裝置相連。

圖3 2個載波頻率差大于基帶信號帶寬時的2FSK頻譜

圖4 2個載波頻率差小于基帶信號帶寬時的2FSK頻譜

通過對2FSK調制解調系統(tǒng)的虛擬實驗可以看到，基于SystemView的虛擬實驗能完整地實現(xiàn)系統(tǒng)設計、設備選擇、連線和調試等4個步驟的系統(tǒng)構建，能對系統(tǒng)進行波形和頻譜兩方面的分析，同時能通過調整參數(shù)觀察到很多硬件實驗所觀察不到的現(xiàn)象。因此，通過虛擬實驗不但能加深學生對通信系統(tǒng)的理解，還能有效地培養(yǎng)學生的綜合分析能力和設計能力。

4 虛擬實驗在教學中的應用優(yōu)勢

我校在10級信息工程專業(yè)學生的通信原理課程教學中引入虛擬實驗，教師和學生普遍反映教學效果良好。通過對教師和學生的教學調查可以看出，將虛擬仿真實驗應用于通信原理教學中有多項優(yōu)勢。

例如，當圖2中的虛擬設備11(產生二進制基帶信號)設置頻率為100 Hz，虛擬設備2(二進制信號1所對應的載波f1)設置頻率為700 Hz時、虛擬設備4(帶通濾波器1)的頻率被設置為截止低頻650 Hz、截止高頻750 Hz。這是因為2FSK信號被看成是1和0所對應的2路2ASK信號的疊加，因此將帶通濾波器1的中心頻率設置為載波f1的頻率，帶寬設置為二進制基帶信號的帶寬時，才能使得二進制信號1所對應的那一路2ASK信號通過，而二進制信號0所對應的那一路2ASK信號被屏蔽。顯然，通過這些參數(shù)設置，學生能進一步加深對通信系統(tǒng)組成的理解和各種設備功能的理解。

(1) 彌補硬件實驗的不足。SystemView能提供豐富的虛擬設備和強大的分析工具，彌補了硬件實驗無法進行設備選擇、參數(shù)設置和頻譜分析的不足，也解決了實驗現(xiàn)象無法觀察、設備易損壞等很多問題。

基礎硬件實驗包括信號源實驗、碼型變換實驗、抽樣定理驗證實驗。這些實驗主要是讓學生掌握硬件設備(如實驗箱、示波器)的使用，進行實驗現(xiàn)象的觀察和實驗原理的驗證?；A硬件實驗均可以在實驗箱上實現(xiàn)，且操作過程簡單，實驗現(xiàn)象明顯，主要是對示波器顯示的波形及其變化進行分析。因此，基礎硬件實驗仍然采用實驗箱而不采用虛擬實驗。

(2) 降低學生對硬件實驗的畏難情緒。在虛擬實驗中，學生不必擔心損壞儀器，不受硬件設備的限制，可以獨立自主地快速構建仿真系統(tǒng)；在強大的分析工具的幫助下，波形和頻譜分析都非常簡單直觀，不像硬件實驗中存在示波器難調等問題。SystemView操作簡單、直觀等特點能有效降低學生對硬件實驗的畏難情緒，增加了實驗的趣味性，提高了學生的自信心。

隨著經濟的發(fā)展，人們生活的水平逐步提高，肥胖及三高的人數(shù)日益增多，癌癥患者低齡化的趨勢明顯，但是人們的體育意識在一定程度上沒有跟上時代發(fā)展的需要。提高全民素質勢在必行，特別要提高學生的身體素質。每周上一兩節(jié)體育課，課時少不能充分鍛煉學生的身體素質，不能充分培養(yǎng)學生積極參與體育活動的意識，因此課外體育輔導是改善體育教學現(xiàn)狀的有效手段。

(3) 激發(fā)學生的自主學習熱情，提高學生的設計分析能力。SystemView豐富的虛擬設備和強大的分析工具能讓學生自行設計通信系統(tǒng)，并進行信號頻譜等分析，能更好地激發(fā)學生的自主學習熱情，有效地提高學生的設計分析能力。

2013年，大連市水務工作認真貫徹黨的十八大精神，按照水利部的統(tǒng)一部署，圍繞大連市委、市政府提出的全域城市化發(fā)展要求，以水務現(xiàn)代化建設為統(tǒng)攬，扎實推進水務重點工作落實，積極開創(chuàng)水務工作新局面。

(4) 及時更新實驗項目。由于虛擬實驗不受硬件設備的限制，教師可以根據(jù)教學內容隨時更新虛擬實驗項目，從而使實驗教學與理論教學結合得更緊密。

(5) 輔助課堂教學。只需在計算機上安裝SystemView軟件，教師就能很方便地在多媒體課堂完成通信系統(tǒng)的構建，并直觀、形象地演示各個設備的功能以及信號在傳輸過程中的波形和頻譜變化。這種授課方式直觀、生動，從而極大地提高了教學效果。

(6) 實驗安排更靈活。只需在計算機上安裝SystemView軟件，學生就能完成虛擬實驗。虛擬實驗不受時間和空間的限制，學生可以根據(jù)需要自主選擇時間和地點完成實驗內容。

5 結束語

將虛擬仿真實驗引入通信原理課程實驗教學中，能有效彌補硬件實驗的不足，并且有助于培養(yǎng)學生的設計、分析和創(chuàng)新能力。為了進一步擴大虛擬仿真實驗的使用范圍，我校將建立通信原理虛擬實驗室，并將其放入網絡課程平臺中。虛擬實驗室的建立將進一步提高通信原理理論課和實驗課的教學效果。

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理 [M].6版.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[2] 夏平，覃琴，萬鈞力.“通信原理”實驗教學體系構建與實踐[J].電氣電子教學學報，2008，30(2)：114-115.

[3] 王秀芳，高丙坤，王冬梅.通信原理實驗教學體系的建設[J].實驗技術與管理，2006，23(12)：15-17.

[4] 汪航,孫琪.教學型虛擬實驗室的應用研究[J].現(xiàn)代遠距離教育,2010(4):39-41.

[5] 謝慧，張志剛，聶峰.基于SystemView的通信原理實驗教學體系[J].實驗技術與管理，2012，29(2)：134-137.

[6] 孫屹，戴妍峰.SystemView通信仿真開發(fā)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004:22-31.

[7] 楊帆.通信電子線路中軟硬件輔助教學的探索[J].電腦知識與技術，2011，7(36)：9565-9566.

[8] 何冰.Matlab軟件在電氣信息類課程中的應用[J].渭南師范學院學報，2011，26(6)：45-51.

[9] 陳木生，林順達，朱志攀.SystemView在《通信原理》實驗課程中的應用[J].實驗科學與技術，2011，9(6)：40-42.

[10] 曹玉英.通信綜合實驗平臺的建設[J].電氣電子教學學報，2010，32(3)：74-75.

[11] 戴翠琴，冉海霞，鮑寧海.移動通信課程實驗教學改革與平臺建設[J].實驗技術與管理，2012，29(2)：144-147.

[12] 龐姣，王虹，趙璞.SystemView在通信原理實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28(8)：276-277.

[13] 楊偉祥，徐伯慶.通信原理實驗用SystemView仿真的應用[J].實驗室研究與探索，2006，25(8)：907-909.