虛實結合的通信原理實驗教學方法研究

楊揚　程楠楠

【摘 要】本文介紹了一種虛實結合的通信原理實驗教學方法，使用xilinx公司的system generator工具，在simulink環境中搭建虛擬的通信模型，完成仿真后生成可下載文件，在FPGA中運行，在實際的硬件電路上進行實驗，為通信原理的實驗方法提供了一條新的思路。

【關鍵詞】虛擬實驗 真實實驗 通信原理

1.引言

通信原理課程是通信工程專業一門重要的專業課程，由于課程內容理論要求高，知識背景廣，同時又具有很強的工程背景，需要大量的實驗環節對其知識體系進行補充。良好的實驗設置不僅僅需要幫助學生鞏固課堂上的理論知識，培養學生的實際動手能力，同時還需要引入工程的思想引導學生解決實際通信電路的設計、分析、調試等種種問題。

本文提出了一種新的實驗思路，利用xilinx公司提供的system generator工具，可以在simulink的庫中搭建開發好的模塊，組成通信模型，進行仿真并可以使用虛擬器進行觀測。同時，可以生成HDL文件，編譯后下載到FPGA中執行，運行在實際的硬件電路上。

2.虛擬實驗仿真

實驗的第一步是在虛擬的環境中進行，其設計是在simulink的環境下完成的，實現的方式完全和在simulink中一樣，通過拖拽模塊和連線，就能完成系統的搭建。學生可以自己構建多種通信系統，完成系統的設計和調試工作，通過虛擬儀器分析信號的波形和頻譜，理解通信原理中的理論知識。圖1是在simulink環境下搭建的一個基本的QPSK調制系統，調用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模塊，整個設計過程和通用的虛擬環境基本一致，通過simulink中提供的示波器，頻譜儀等模塊，可以觀測到整個調制的過程。

可以看出使用system generator工具所搭建的通信系統完全可以基于虛擬環境使用，豐富的虛擬設備可以讓學生清晰而直觀地觀察信號，不受硬件設備的限制，不需擔心設備損壞的問題，降低學生對實驗的畏難情緒，激發學生的學習熱情。

3.硬件平臺設計

在學生通過自己動手完成虛擬系統的搭建，掌握了基本系統原理，觀測了相關信號的波形，調試成功后，就可以直接在simulink環境中生成NGC或HDL文件，生成可下載文件，在硬件中運行。硬件平臺的設計需要考慮以下幾個因素：（1）必須要滿足通信原理課程的要求，鞏固學生的理論知識。（2）能夠進行綜合性及設計性實驗，滿足二次開發的要求。（3）便于故障排除和維護，減輕日常實驗室工作強度。

基于以上的考慮，系統的硬件采用了模塊化的設計方法，使用了母板+子板的設計方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA，子板設計了AD、DA、音頻、放大器等常用的模塊。兩者通過digilent公司的PMOD接口連接。母板可以通過板子周邊的PMOD接口連接DA子板，將調制好的信號轉為模擬信號，由子板接口輸出，通過示波器進行觀測。

結論

采用虛實結合的實驗方式可以結合虛擬實驗和實際硬件實驗的優勢，虛擬實驗的方式實驗形式靈活，虛擬模塊和設備齊全，實驗成本低，效率高，便于學生理解通信系統的基本原理。而實際硬件上的實驗能讓學生切實地感受真實的電路、元件、測量儀器，真正地提高學生的實際動手能力。因此，讓學生首先在虛擬環境中自己動手搭建系統，掌握了基本的原理之后，在通過system generator提供的工具直接生成可下載文件在硬件電路中運行，在真實的電路板上調試，使用真實的儀器進行觀測，給予學生直觀的認識。通過這樣既加強了學生對基本原理的理解，有培養了學生的實際動手能力，使之成為既具有扎實的理論基礎，又有很強動手能力的創新型人才。

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