基于虛擬仿真的“通信原理”實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建

孫如英　韓榮蒼

摘 要：文章提出了基于Multisim和Simulink虛擬仿真的“通信原理”實(shí)驗(yàn)體系。傳統(tǒng)的“通信原理”硬件電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化，不利于實(shí)踐能力的培養(yǎng)。Multisim和Simulink相結(jié)合的“通信原理”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活多變，有利于開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)和綜合性實(shí)驗(yàn)；實(shí)現(xiàn)了抽象的通信理論的可視化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：通信原理；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)體系

“通信原理”是通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)等電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要核心課程。從知識(shí)結(jié)構(gòu)角度講，“通信原理”是“高頻電子線路”和信息論類(lèi)課程的橋梁；從能力培養(yǎng)角度講，它是專(zhuān)業(yè)能力培養(yǎng)向職業(yè)能力培養(yǎng)的過(guò)渡課程；同時(shí)也是眾多知名高校的信息與通信工程一級(jí)學(xué)科研究生入學(xué)考試的必考課程[1]。所以，“通信原理”在專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中占有重要地位。然而，“通信原理”的先修課程有“高等數(shù)學(xué)”“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”“數(shù)字邏輯電路”“信號(hào)與系統(tǒng)”“低頻&高頻電子線路”等多門(mén)課，其物理概念繁多，理論難度大。

作為一門(mén)課程的一體兩翼，“通信原理”實(shí)驗(yàn)是理論部分的重要補(bǔ)充，是能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)的核心載體，在物理概念和通信理論的理解方面起著不可替代的作用[2]。然而，傳統(tǒng)的“通信原理”硬件電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化，操作性趨于“傻瓜化”，不利于實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本文將Multisim和Simulink仿真工具引入課程實(shí)驗(yàn)，將通信電路與信息理論的一體化仿真項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)課程的重要組成部分，輔助以操作性實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了新的“通信原理”實(shí)驗(yàn)課程體系。

1 通信原理實(shí)驗(yàn)箱的作用和不足

通信原理實(shí)驗(yàn)箱在各大高校“通信原理”實(shí)驗(yàn)課中用的非常普遍，廠家、型號(hào)不同，基本上都是針對(duì)通信原理的主要知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)的模塊，模塊之間的組合可以構(gòu)成簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，在關(guān)鍵信號(hào)處留有測(cè)試點(diǎn)，可以用示波器觀測(cè)波形。這種實(shí)驗(yàn)箱形式的硬件實(shí)驗(yàn)可以直觀地讓學(xué)生通過(guò)測(cè)試不同點(diǎn)的波形，建立起通信系統(tǒng)的基本概念，幫助學(xué)生鞏固和加強(qiáng)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生常用儀器的實(shí)驗(yàn)操作能力[3-4]。但是這種以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主的試驗(yàn)箱，學(xué)生動(dòng)手操作的范圍有限，學(xué)生僅需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)連線、調(diào)節(jié)電阻、電容，即可在觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到所需的波形。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生參與此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的程度很低，做完兩個(gè)實(shí)驗(yàn)以后學(xué)生往往就失去興趣。因此，實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)給學(xué)生獨(dú)立思考和自主設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)較少，更是很難引入新的研究性實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面大打折扣。

2 “通信原理”實(shí)驗(yàn)課程的構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容不再局限于實(shí)驗(yàn)箱的固有模塊，為學(xué)生的創(chuàng)造力的發(fā)揮可以提供更廣闊的空間[5]。

我們?cè)凇巴ㄐ旁怼睂?shí)驗(yàn)中引入Simulink和Multisim兩個(gè)仿真工具，輔助以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱，構(gòu)建了基于虛擬仿真的“通信原理”實(shí)驗(yàn)新體系，如表1所示。實(shí)際教學(xué)安排：采用3+2+1的模式，即要求學(xué)生課上完成3個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，選做2個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)和1個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，共計(jì)16學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)相關(guān)的資料和準(zhǔn)備工作則在課下完成，最大化地利用課堂實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課下學(xué)習(xí)的積極性，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及其創(chuàng)新意識(shí)。其中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1、2、4、5、6、7、8、12采用操作性實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合兩種方式；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1、4、8、9、13可采用Multisim建模仿真；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3、5、6、10、11、12、14可采用simulink建模仿真。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有如下特點(diǎn)：（1）Multisim仿真系統(tǒng)可以直觀地看到系統(tǒng)內(nèi)部電路的構(gòu)成，以及各部分電路的輸出結(jié)果。（2）從Simulink模塊庫(kù)中選擇合適的虛擬器件和設(shè)備，可以靈活地搭建各種通信系統(tǒng)，查看更多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比如可以在傳輸中引入噪聲，研究系統(tǒng)的抗噪聲性能（見(jiàn)下一節(jié)圖3）。（3）通過(guò)以上兩種虛擬仿真工具，學(xué)生既可以學(xué)習(xí)到通信電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)知識(shí)，也可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)研究。讓學(xué)生不但知其然，而且知其所以然。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

我們以ASK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例，分別介紹實(shí)驗(yàn)箱操作、Multisim仿真和Simulink仿真的特點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的振幅調(diào)制稱(chēng)為振幅鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）。2ASK就是調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)的振幅鍵控。簡(jiǎn)單地說(shuō)，振幅鍵控就是利用載波的幅度變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制信息的“0”或“1”。ASK調(diào)制可以采用鍵控法和相乘法兩種途徑實(shí)現(xiàn)，其解調(diào)也有兩種方法，分別為包絡(luò)檢波法和同步檢波法。

圖1為通信原理實(shí)驗(yàn)箱的接線原理框圖。從中我們可以看出，ASK調(diào)制是將基帶信號(hào)和載波直接相乘。解調(diào)采用的包絡(luò)檢波法，已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)半波整流、低通濾波后，通過(guò)門(mén)限判決電路解調(diào)出原始基帶信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸入PN序列頻率或者載波頻率，對(duì)比觀測(cè)基帶信號(hào)波形與調(diào)制輸出波形，觀測(cè)每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的載波波形，驗(yàn)證ASK調(diào)制原理。通過(guò)對(duì)比觀測(cè)調(diào)制輸入與解調(diào)輸出，觀察波形是否有延時(shí)現(xiàn)象，驗(yàn)證ASK解調(diào)原理。觀測(cè)解調(diào)輸出的中間觀測(cè)點(diǎn)，如：整流輸出、LPF-ASK，深入理解ASK解調(diào)過(guò)程。然而這種以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生僅需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)連線，即可在觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到所需的波形，學(xué)生動(dòng)手操作的范圍有限，并且學(xué)生沒(méi)有辦法看到系統(tǒng)的內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)。

ASK調(diào)制解調(diào)的Multisim仿真電路圖及各部分輸出結(jié)果如圖2所示。其中（a）為ASK調(diào)制實(shí)現(xiàn)，首先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的二進(jìn)制基帶信號(hào)然后和128 kHz載波相乘得到調(diào)制信號(hào)輸出；（b）為包絡(luò)檢波電路，包含整流電路和低通濾波電路；（c）為門(mén)限判決電路；（d）為示波器顯示的各部分輸出波形圖，從上到下4條曲線分別為二進(jìn)制基帶信號(hào)、ASK調(diào)制輸出、低通濾波器輸出、解調(diào)輸出。利用Multisim對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行仿真分析，可以直觀地看到系統(tǒng)內(nèi)部電路的構(gòu)成及各部分輸出結(jié)果，形象生動(dòng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和設(shè)計(jì)能力。

圖3給出了ASK調(diào)制與解調(diào)的Simulink仿真模型及結(jié)果圖。ASK調(diào)制采用的是相乘法實(shí)現(xiàn)，解調(diào)采用同步檢波法實(shí)現(xiàn)，為了更好地恢復(fù)出信源信號(hào)，在解調(diào)時(shí)直接使用原載波信號(hào)作為同步載波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的值，觀察示波器波形對(duì)比調(diào)制前后信號(hào)的幅度、相位和頻率發(fā)生了哪些變化，以及解調(diào)后輸出信號(hào)相對(duì)于原基帶信號(hào)的變化。另外，學(xué)生可以自由地從模塊庫(kù)中選擇新的器件，自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力。如圖3所示，引入Gaussian Noise Generator模塊，通過(guò)Error Rate Calculation（誤碼率計(jì)算）模塊和Display（顯示）模塊，可以求解不同噪聲強(qiáng)度下系統(tǒng)的誤碼率，進(jìn)而分析系統(tǒng)的抗噪聲性能。

4 結(jié)語(yǔ)

在操作實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)的多樣性，提高了研究性實(shí)驗(yàn)的可操作性。將課程中較難掌握和理解的重點(diǎn)理論，通過(guò)軟件仿真形象生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)知識(shí)的理解更加透徹，而且使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)的方法，開(kāi)闊學(xué)生的思路、視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣?；谔摂M仿真的通信原理實(shí)驗(yàn)體系已在臨沂大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)使用兩屆，深受學(xué)生歡迎，教學(xué)效果良好。

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