運用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學(xué)

任 峻，張紅燕

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(nèi)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(xué)目標(biāo)是：通過實驗使學(xué)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(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)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(jìn)行的。在實際教學(xué)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(jìn)行簡單的信號波形觀察，無法進(jìn)行信號頻譜分析；(2)設(shè)備固定在實驗箱上，學(xué)生僅僅是通過在實驗箱上連線來構(gòu)建系統(tǒng)，難以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力；(3)學(xué)生無法修改設(shè)備參數(shù)，造成很多實驗現(xiàn)象觀察不到；(4)設(shè)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(xué)生不能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實驗時間。這些問題極大地限制了實驗課程教學(xué)目標(biāo)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(shè)備和強大的分析工具，并且用戶界面友好，易于學(xué)習(xí)和使用[6]。學(xué)生能很快地學(xué)會利用SystemView設(shè)計各種通信仿真系統(tǒng)，對信號和噪聲進(jìn)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(xué)生的設(shè)計能力、分析能力和創(chuàng)新能力。虛擬實驗不受硬件設(shè)備的限制，不存在實驗設(shè)備損壞的問題，實驗項目能及時根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)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(xué)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(jìn)行通信原理虛擬實驗?zāi)苡行浹a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(nóng)業(yè)大學(xué)、渭南師范學(xué)院等學(xué)校已逐漸將虛擬實驗引入通信原理實驗或課程設(shè)計中[7-9]。我校結(jié)合通信原理課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)安排，也對通信原理實驗課程進(jìn)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(jié)合的“虛實結(jié)合”的綜合實驗室。

2 建立“虛實結(jié)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(jié)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(shè)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(chǔ)。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(xué)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(yīng)的SystemView等仿真軟件，可供學(xué)生構(gòu)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(shè)計

實驗項目的設(shè)計是我校通信原理實驗課程改革的核心。根據(jù)實驗教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，圍繞通信原理教學(xué)內(nèi)容，重新設(shè)置了實驗項目。改革后的通信原理實驗項目被分為基礎(chǔ)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(gòu)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(dá)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(yīng)出上述市場收緊配額分配的作用。

以2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，說明我校采用虛擬仿真實驗進(jìn)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(shè)計、構(gòu)建和分析3個階段[12-13]。

構(gòu)建通信系統(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選擇、連線和調(diào)試4個步驟；對系統(tǒng)的分析應(yīng)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(xué)中，構(gòu)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(jìn)行頻譜的分析，很難達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。SystemView豐富的虛擬設(shè)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(gòu)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(diào)制系統(tǒng)實驗、ASK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)實驗、FSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)實驗、PSK與DPSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)實驗、單工通信實驗、雙工通信實驗。這類綜合性實驗均為構(gòu)建和分析通信系統(tǒng)的實驗。學(xué)生通過構(gòu)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(rèn)識，通過獨立自主完成系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試分析。因此，這類實驗項目能有效實現(xiàn)實驗教學(xué)的目標(biāo)，也是通信原理實驗課程的主體。

3.1 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計

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

例如，將二進(jìn)制基帶信號的帶寬設(shè)置為100 Hz，2個載波頻率分別設(shè)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(shè)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(biāo)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(biāo)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?xí)r距目標(biāo)船的距離。

圖1 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的組成框圖

3.2 2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)建

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

實驗教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計2FSK調(diào)制解調(diào)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(shè)備，學(xué)生可以選擇不同的方法建立2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。例如調(diào)制可以采用鍵控法，也可以采用模擬調(diào)頻法；解調(diào)可以采用包絡(luò)解調(diào)法、相干解調(diào)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(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對通信系統(tǒng)組成的理解，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力。

目前開挖邊坡下方主要為二期廠房，邊坡開挖將嚴(yán)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(jìn)步一步發(fā)展會破整個坡體，直接經(jīng)濟(jì)損失估計不小于9000萬元。

圖2 2FSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)

3.3 信號分析

SystemView具有強大的分析工具，通過設(shè)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(jìn)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)椤皢畏濉薄Ｔ谟布嶒炇抑校捎诮?jīng)費原因，很少為學(xué)生配置頻譜儀，因此學(xué)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(shè)備的參數(shù)，使用分析工具進(jìn)行信號的頻譜比較，因此學(xué)生能輕易調(diào)試出2FSK信號頻譜的“單峰”和“雙峰”。

圖1給出一個2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的組成框圖，其中調(diào)制采用鍵控法，解調(diào)采用包絡(luò)解調(diào)法。

復(fù)用方式包括64Kbit/s復(fù)用保護(hù)和2Mbit/s復(fù)用保護(hù)。其中一些電網(wǎng)公司2Mbit/s復(fù)用保護(hù)越來越成為主流。所以本文將闡述 2Mbit/s復(fù)用為主。2Mbit/s復(fù)用方式是保護(hù)裝置的光收、發(fā)接口利用數(shù)字復(fù)用技術(shù)通過2Mbit/s數(shù)據(jù)復(fù)用接口與SDH 設(shè)備及復(fù)用通道和對側(cè)保護(hù)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(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的虛擬實驗可以看到，基于SystemView的虛擬實驗?zāi)芡暾貙崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選擇、連線和調(diào)試等4個步驟的系統(tǒng)構(gòu)建，能對系統(tǒng)進(jìn)行波形和頻譜兩方面的分析，同時能通過調(diào)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(xué)生對通信系統(tǒng)的理解，還能有效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和設(shè)計能力。

4 虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

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

例如，當(dāng)圖2中的虛擬設(shè)備11(產(chǎn)生二進(jìn)制基帶信號)設(shè)置頻率為100 Hz，虛擬設(shè)備2(二進(jìn)制信號1所對應(yīng)的載波f1)設(shè)置頻率為700 Hz時、虛擬設(shè)備4(帶通濾波器1)的頻率被設(shè)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(yīng)的2路2ASK信號的疊加，因此將帶通濾波器1的中心頻率設(shè)置為載波f1的頻率，帶寬設(shè)置為二進(jìn)制基帶信號的帶寬時，才能使得二進(jìn)制信號1所對應(yīng)的那一路2ASK信號通過，而二進(jìn)制信號0所對應(yīng)的那一路2ASK信號被屏蔽。顯然，通過這些參數(shù)設(shè)置，學(xué)生能進(jìn)一步加深對通信系統(tǒng)組成的理解和各種設(shè)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(shè)備和強大的分析工具，彌補了硬件實驗無法進(jìn)行設(shè)備選擇、參數(shù)設(shè)置和頻譜分析的不足，也解決了實驗現(xiàn)象無法觀察、設(shè)備易損壞等很多問題。

基礎(chǔ)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(xué)生掌握硬件設(shè)備(如實驗箱、示波器)的使用，進(jìn)行實驗現(xiàn)象的觀察和實驗原理的驗證。基礎(chǔ)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(jìn)行分析。因此，基礎(chǔ)硬件實驗仍然采用實驗箱而不采用虛擬實驗。

(2) 降低學(xué)生對硬件實驗的畏難情緒。在虛擬實驗中，學(xué)生不必?fù)?dān)心損壞儀器，不受硬件設(shè)備的限制，可以獨立自主地快速構(gòu)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(diào)等問題。SystemView操作簡單、直觀等特點能有效降低學(xué)生對硬件實驗的畏難情緒，增加了實驗的趣味性，提高了學(xué)生的自信心。

隨著經(jīng)濟(jì)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(zhì)勢在必行，特別要提高學(xué)生的身體素質(zhì)。每周上一兩節(jié)體育課，課時少不能充分鍛煉學(xué)生的身體素質(zhì)，不能充分培養(yǎng)學(xué)生積極參與體育活動的意識，因此課外體育輔導(dǎo)是改善體育教學(xué)現(xiàn)狀的有效手段。

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

2013年，大連市水務(wù)工作認(rèn)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(wù)現(xiàn)代化建設(shè)為統(tǒng)攬，扎實推進(jìn)水務(wù)重點工作落實，積極開創(chuàng)水務(wù)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(shè)備的限制，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容隨時更新虛擬實驗項目，從而使實驗教學(xué)與理論教學(xué)結(jié)合得更緊密。

(5) 輔助課堂教學(xué)。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(gòu)建，并直觀、形象地演示各個設(shè)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(xué)效果。

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

5 結(jié)束語

將虛擬仿真實驗引入通信原理課程實驗教學(xué)中，能有效彌補硬件實驗的不足，并且有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、分析和創(chuàng)新能力。為了進(jìn)一步擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)課程平臺中。虛擬實驗室的建立將進(jìn)一步提高通信原理理論課和實驗課的教學(xué)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(xué)體系構(gòu)建與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008，30(2)：114-115.

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

[4] 汪航,孫琪.教學(xué)型虛擬實驗室的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)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(xué)體系[J].實驗技術(shù)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(xué)的探索[J].電腦知識與技術(shù)，2011，7(36)：9565-9566.

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

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

[10] 曹玉英.通信綜合實驗平臺的建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)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(xué)改革與平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)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(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)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(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2006，25(8)：907-909.