基于e-Labsim平臺的通信原理課程教學方法研究

孫海欣 張猛 胡沖

摘? ?要：通信原理課程是電子信息類專業一門必修的專業基礎課程，該課程理論性強、內容多、概念抽象、公式繁雜，在有限的課時內要求學生掌握課程的相關內容十分困難，學生在學習過程中對知識點也不容易理解。本文基于虛擬仿真技術，對通信原理課程的課堂教學進行改革，利用e-Labsim平臺將通信原理課程的理論內容現場演示出來，提高學生對抽象知識點的理解，進一步增強學生的實踐創新能力，激發學生對本課程的學習興趣。

關鍵詞：通信原理? 虛擬仿真技術? e-Labsim平臺? 2FSK

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0228-03

Abstract： Communication principle course is a compulsory professional foundation course for the electronic information category majors， which has the features of strong theory， mass contents， abstract concept and complicated formula. It is difficult to master the relevant contents within a limited class time. Meanwhile， students are not easy to understand the knowledge in the learning process. In this paper， we reform the classroom teaching method for the communication principle course based on the virtual simulation technology. By exploiting the e-Labsim platform to demonstrate the theoretical contents of the communication principle course， the understanding of the abstract knowledge is improved， the practical and innovation ability of the students can be enhanced and the study interests for this course are stimulated.

Key Words： Communication Principle; Virtual Simulation Technology; E-Labsim Platform; Binary Frequency Shift Keying

通信原理課程是電子信息工程、通信工程及相關專業的一門重要的專業基礎理論課，著重培養學生從通信基本理論的角度去觀察、分析與解決問題以及進行通信系統分析與設計的能力。該課程的主要特點是理論性強、內容較多、概念抽象、公式繁雜、教材各章節之間的融合與貫通較多，對相關數理基礎要求較高，無論是對于教師還是學生，在教與學的過程中都存在一定的難度。此外，隨著我國成為《華盛頓協議》的正式會員，我國工程教育標準開始與國際接軌，工程教育專業認證工作不斷推進，使得本科培養方案的學時不斷壓縮，目前我院通信原理課程的總學時已由64學時壓縮到56學時。如何在有限的學時內有效地完成本課程的教學任務，使學生較好地掌握課程的教學內容，是教授通信原理課程教師面臨的一個難題。對于通信原理課程的教學，不僅要求教師對該課程的教學體系及教學內容有深入的理解，還要求教師在該課程的教學模式、教學方法及教學手段上不斷革新。

此外，該課程在實驗教學的過程中，由于實驗學時較少，且實驗設備及場地有限，學生在有限的時間內，既要掌握實驗儀器及設備的操作，又要通過實驗掌握相關的原理、記錄實驗現象并完成實驗內容，實驗效果十分不理想。目前，國內大多數高等院校開設的通信原理實驗教學都是基于實驗箱進行的，開出的實驗大多數也都是驗證型、演示型實驗。學生不僅動手操作的范圍有限，對理論知識的理解不夠深入。

隨著信息化技術的不斷發展，虛擬仿真技術已經廣泛地融入到高校的課程教學中。本文將e-Labsim平臺用于通信原理課程的教學，旨在提高該課程的教學效果，加強學生對課程教學內容的理解與掌握，提高學生對理論知識與實際應用的能力。

1? e-Labsim平臺介紹

e-Labsim是一套專門針對通信專業課程教學和創新開發的模塊級仿真平臺。該平臺運用先進的虛擬仿真技術，將通信原理實驗相關的模塊和測試儀器全都“搬移”到電腦里面，并進行網絡化改造，讓學生可以隨時隨地登錄網絡進行實驗和開發。e-Labsim平臺能完整模擬硬件外觀及行為，所有實驗模塊和測試設備具有和實際硬件一樣的使用感受，輕點鼠標即可完成對模塊及設備上所有開關、旋鈕及菜單的操作，操作界面和實驗箱完全一樣，實現了從仿真環境到實際的硬件環境的“無縫”切換，使學生更容易理解。

e-Labsim平臺基于虛擬仿真技術，融合了函數信號發生器、示波器等多種實驗儀器，所有儀器可多臺調用，擺脫了實驗室儀器設備數量及性能的限制。該平臺基于網絡進行登錄，學生不必親自來到實驗室，在圖書館或者教室也能隨時進行學習和實踐，打破了傳統實驗教學受人數和空間的限制，讓學生擁有隨時隨地進行學習和實踐的環境，并使本課程的教學資源得到了充分有效的利用。此外，該平臺內置完整的二次開發及創新設計模塊，能夠加載Matlab的m函數以及C語言的DLL文件。可讓學生方便地進行無負擔創新設計，且學生設計的功能完全可以替代模塊而融入到系統實踐中去，使學生能循序漸進地從部分功能的開發擴展到整個系統功能的實現，進一步地提升了學生的創新能力。

2? 2FSK的教學方法研究

2.1 2FSK的原理概述

2FSK利用載波的頻率變化來傳遞數字信息，其已調信號的表達式為：

（1）

式中，g（t）為單極性不歸零的矩形脈沖信號，為an的反碼。和分別為an和對應的角頻率。

2FSK的調制可以采用頻率鍵控法。假設兩個載波信源為頻率不同的正弦波，基帶信號為“10”序列，當第一路載波輸出與其相乘時，數據“1”的部分會產生波形，而數據“0”的位置則不會產生波形;第二路載波信號與通過反相器的基帶信號相乘，會產生和第一路載波相反的情況，最后兩路載波已調信號通過相加器，產生2FSK已調信號。

2FSK信號的解調有非相干解調和相干解調兩種。其解調原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調，相干解調采用“本地載波+乘法器+低通濾波器”的方法來實現，非相干解調采用包絡檢波法來實現，最后再進行判決。

在課堂的講授過程中，如果單純通過公式，理論介紹及分析給學生講解2FSK系統，不僅枯燥無味，學生也不容易理解。但如果結合仿真平臺，將該系統的實現以及現象展現給學生，不僅加深了學生對理論知識的理解，還能提高課堂的教學效果，做到理論與實踐的有機結合。

2.2 基于e-Labsim平臺的2FSK仿真實現

在分析完2FSK的理論知識點之后，通過e-Labsim搭建2FSK仿真平臺，運行并觀測基帶信號、已調信號及解調輸出信號的波形變化。基于e-Labsim平臺的2FSK調制解調原理及系統仿真實現分別如圖1和圖2所示，仿真中調制采用頻率鍵控法，解調采用非相干解調法。

通過圖1可以更進一步地理解2FSK調制解調的基本原理和實現過程，在理解原理的基礎上，搭建仿真平臺，運行后基帶信號波形如圖2中示波器中黃色曲線所示，已調信號波形如圖2右上示波器中藍色曲線所示，解調輸出波形如圖2右下示波器藍色曲線所示。仿真中基帶信號采用32kHz的PN碼產生，載波頻率128kHz對應碼元“0”，載波頻率256kHz對應碼元“1”，從示波器的波形中可以清楚地看到基帶信號隨已調信號的頻率變化規律。經解調后輸出信號波形與基帶信號波形一致，但略有延遲。進一步地對2FSK的眼圖進行觀測，測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出，眼圖端正，跡線清楚，清晰地反映了基帶信號碼元的變化規律。

3? 結語

通過將通信原理課程教學與e-Labsim平臺相結合，進一步增強學生對抽象概念及理論的理解，學生對本課程的學習興趣有了明顯的提高。采用e-Labsim平臺，彌補了傳統課堂理論講授與硬件實驗脫節的不足，而且不受時間和空間限制，可做到隨教隨練。此外，學生在課下可對教學內容進行拓展，可自行設計實驗及搭建仿真實驗平臺，并且可以根據需求自行調整參數，做到理論知識與實踐的融會貫通，進一步提高自身的實踐能力及創新能力。

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