通信工程國家級特色專業(yè)虛擬實驗室建設(shè)與實踐

李 安，周南潤，王玉皞

(南昌大學(xué) 電子信息工程系，江西 南昌330031)

0 引 言

當(dāng)前通信技術(shù)發(fā)展迅猛，仿真技術(shù)逐漸成為了通信工程專業(yè)教學(xué)和實驗的主要手段［1-3］。雖然國內(nèi)高校已經(jīng)開始了仿真實驗的建設(shè)工作，但比較零散，只局限于某一門課程、某幾個仿真實驗開設(shè)［4-6］，缺乏對仿真實驗教學(xué)的系統(tǒng)研究，難以充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢。為克服以上不足，本文研究了通信工程專業(yè)虛擬實驗室體系架構(gòu)，總結(jié)了南昌大學(xué)通信工程國家級特色專業(yè)虛擬實驗室建設(shè)的教學(xué)經(jīng)驗和成果，并針對虛擬實驗室建設(shè)中顯現(xiàn)的部分問題，提出了最佳的解決方案。

1 虛擬實驗室體系架構(gòu)與實現(xiàn)模式

虛擬實驗室(Virtual Lab)是現(xiàn)實科學(xué)理論的計算機(jī)虛擬鏡像，是為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)、實驗驗證、科研創(chuàng)新等活動，使用分布式通信技術(shù)和仿真技術(shù)構(gòu)建的電子實驗室［7-8］。與傳統(tǒng)實驗室相比，虛擬實驗室能大大節(jié)約實驗成本，提高設(shè)備利用率，不受時間、空間、設(shè)備和師資等條件限制，建設(shè)和維護(hù)成本低，具有損耗小，可重復(fù)使用，多媒體性和交互性好、開放性與共享性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于學(xué)生預(yù)習(xí)和自習(xí)，便于教學(xué)內(nèi)容合理更新，無論在經(jīng)濟(jì)性還是實用性上具有明顯優(yōu)勢。

目前國內(nèi)外虛擬實驗室的研究處于起步階段，還缺少成熟的理論，其架構(gòu)理論與實現(xiàn)模式都不完善，因此，首先需要提出通信工程專業(yè)的虛擬實驗室體系架構(gòu)模型，再對實現(xiàn)模式進(jìn)行細(xì)致分析。

1.1 虛擬實驗室體系架構(gòu)模型

因為仿真實驗的本質(zhì)是對現(xiàn)實科學(xué)研究過程實施計算機(jī)模擬，所以虛擬實驗室體系架構(gòu)必須對現(xiàn)實科學(xué)研究對象進(jìn)行抽象，抽象的模型既要反映研究對象的科學(xué)(物理、化學(xué)等)過程，又要在現(xiàn)有的計算機(jī)平臺與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境下實現(xiàn)。

通常虛擬實驗室是由一個或多個具體的仿真實驗(Simulation Experiment)組成，其模型可表達(dá)為:

其中，M 是組成虛擬實驗室的仿真實驗總數(shù)，隨著科技的發(fā)展，仿真實驗數(shù)量可以不斷地增補(bǔ)和升級。

在虛擬實驗室中，每個實際的仿真實驗都由一個或多個模型(Model)構(gòu)成，每個模型既包含實驗素材庫(material)和實驗理論規(guī)則(rules)，又能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)曲線分析與繪制等人機(jī)交互(Human Computer Interaction，HCI)功能。所以，每個仿真實驗的模型表示為:

其中，N 是組成仿真實驗的仿真模型個數(shù)。將式(2)代入式(1)，則可得出虛擬實驗室的體系架構(gòu)模型:

其中:r 是仿真模型使用實驗素材庫內(nèi)素材元素的個數(shù);s 是仿真模型使用理論規(guī)則的個數(shù);t 是仿真模型選擇人機(jī)交互方式的種類數(shù)。

圖1 顯示了虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)圖，虛擬實驗室內(nèi)包含多個仿真實驗，每個仿真實驗都由多個仿真模型組成，每個模型使用特定的實驗素材庫，依照特定的理論規(guī)則運(yùn)行實驗階段(Phase)及步驟(Stage)，并同時完成人機(jī)交互(HCI)，比如數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)曲線分析與繪制等。值得注意的是，實驗素材、人機(jī)交互、理論規(guī)則等都是采用函數(shù)的形式存儲在虛擬實驗室中，不同的仿真實驗可使用控件或腳本語言調(diào)用所需的庫函數(shù)完成實驗過程，具有較好的共享性和開放性。

1.2 虛擬實驗室的實現(xiàn)模式

虛擬實驗室的體系架構(gòu)模型結(jié)合通信工程專業(yè)的特色，依據(jù)仿真實驗在客戶端的不同表現(xiàn)形式，可將虛擬實驗室的實現(xiàn)模式分成以下三類:

圖1 虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)圖

(1)課堂集中演示模式。課堂集中演示模式采用簡單的播放-觀看形式，比如把通信原理課程中的基帶信號、載波振蕩器、載波同步器、濾波器等組織成圖形和動畫素材，依照調(diào)幅通信的理論規(guī)則，結(jié)合Flash、PPT、多媒體動畫等形式展現(xiàn)調(diào)幅通信的實驗過程和結(jié)論。這種模式將課程和實驗難點(diǎn)進(jìn)行多媒體演示，利于Web 遠(yuǎn)程教學(xué)［9-10］，有助于學(xué)生預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)通信專業(yè)基本理論，加深對知識點(diǎn)的理解，適用于基礎(chǔ)理論介紹和學(xué)習(xí)實驗操作過程。

(2)學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式。學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式采用實驗的多場景跳轉(zhuǎn)形式，比如將數(shù)字通信實驗按照過程分成數(shù)字調(diào)制過程、傳輸過程和數(shù)字解調(diào)過程，每個過程都有若干個場景，數(shù)字調(diào)制過程可分為ASK、FSK、PSK 多種調(diào)制場景，每個場景就是一個單元的實驗，場景內(nèi)部依照對應(yīng)的通信理論規(guī)則，學(xué)生可以選擇不同的場景進(jìn)行實驗，通過多媒體形式描述最終的實驗現(xiàn)象和結(jié)果。這種模式對教學(xué)能起到引領(lǐng)作用，通過預(yù)先設(shè)定的路線，讓學(xué)生跟著做一遍，比課堂集中演示模式更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，仿真實驗效果更加突出。

(3)過程探索訓(xùn)練模式。過程探索訓(xùn)練模式比前兩種模式的交互性大大增強(qiáng)，學(xué)生可按照自己的方式進(jìn)行實驗，自由度也增加了很多，比如Matlab 軟件中的Simulink 仿真器封裝了Communications Block Set，學(xué)生既可以直接調(diào)用內(nèi)部函數(shù)完成數(shù)字基帶通信等實驗過程，又可以編寫自己的函數(shù)和腳本進(jìn)行探索訓(xùn)練和開展科研。過程探索訓(xùn)練模式適于在教學(xué)和研究領(lǐng)域進(jìn)行探索式教學(xué)和實驗?zāi)M，它能夠極大地激發(fā)學(xué)生搞科研的積極性，提高學(xué)生的科研能力。

2 虛擬實驗室教學(xué)成效

在教育部、省教育廳和學(xué)校政策的指引下，2011年通信實驗中心協(xié)調(diào)50 名教師和實驗員，開設(shè)和開放了信號處理實驗室、通信實驗室、微波實驗室和中興通訊實驗室等9 個實驗室資源，對2009 級通信專業(yè)班級實行虛擬實驗教學(xué)試點(diǎn)，在通信工程國家級特色專業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)中取得了顯著的成績。

(1)“生動教學(xué)”，提高教學(xué)質(zhì)量。在2009 級通信專業(yè)班級的信號與系統(tǒng)、通信原理、計算機(jī)通信網(wǎng)等課程中推行仿真實驗教學(xué)，把傳統(tǒng)單一的硬件實驗箱教學(xué)和仿真實驗結(jié)合起來，發(fā)揮仿真技術(shù)的特長，生動教學(xué)，直觀學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對通信專業(yè)基本理論的理解。仿真實驗訓(xùn)練測評結(jié)果表明，超過98%的學(xué)生對通信專業(yè)的基本概念理解清晰，完全掌握所學(xué)的知識，同時學(xué)生們充分認(rèn)識本專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，激發(fā)起積極的敬業(yè)精神。

(2)“層次教學(xué)”，提高教學(xué)效率。在仿真實驗教學(xué)實踐過程中，采用層次教學(xué)方法，第一層次由實驗技術(shù)人員指導(dǎo)學(xué)生掌握基本的仿真實驗技能和Multisim［11］、Protues［12］等仿真軟件使用方法，第二層次由若干教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場、數(shù)字信號處理等理論課程的同時開展仿真實驗，第三層次由學(xué)生自愿參與設(shè)計性仿真實驗和研究型實驗。學(xué)期末仿真實驗考評結(jié)果表明，此次仿真實驗教學(xué)試點(diǎn)充分整合了教學(xué)資源，量體裁衣，大大提高了教學(xué)效率，2009 級仿真實驗教學(xué)覆蓋面達(dá)到100%，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和工程實踐素質(zhì)，增強(qiáng)部分學(xué)生的科研能力，得到師生們的一致好評。

(3)“求知教學(xué)”，帶動教學(xué)內(nèi)容的不斷更新。通信實驗中心十分重視虛擬實驗室的求知教學(xué)，積極倡導(dǎo)實驗教師把最新的實驗方法、測試技術(shù)和仿真系統(tǒng)引進(jìn)實驗教學(xué)中來，讓學(xué)生在低年級就開始接觸先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。今年，在通信實驗中心的號召之下，部分教師主動將近期的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，把自己研究和接觸的最新方法、技術(shù)手段和成果與實驗教學(xué)結(jié)合，幫助學(xué)生及時了解、接觸和掌握新事物，深深體會到通信專業(yè)的進(jìn)步與競爭，主動參與教師的科研活動，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來的科學(xué)研究奠定堅實的基礎(chǔ)，很多師生都切身感覺到，“學(xué)生能力變強(qiáng)了，科研離學(xué)生更近了”。

3 仿真實驗課程舉例

3.1 實驗原理和內(nèi)容

FSK 是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的調(diào)制方式，是數(shù)字通信的一個基礎(chǔ)理論［13-14］。在授課過程中發(fā)現(xiàn)通信模型解釋過于抽象，學(xué)生對nFSK 調(diào)制、相干解調(diào)、加性高斯噪聲等概念難以理解，所以，選擇4FSK 基帶調(diào)制解調(diào)與誤碼率分析的設(shè)計實驗。

3.2 實驗過程和結(jié)果

首先在Matlab［15-16］的Simulink 庫中，找到仿真電路所需要的各模塊，將各個模塊按4FSK 調(diào)制解調(diào)原理連接，如圖2 所示，然后對輸入信號、基帶調(diào)制參數(shù)、高斯信道、基帶解調(diào)參數(shù)、眼圖、根軌跡圖、基帶頻譜等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖2 4FSK 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)模塊

運(yùn)行Simulink 程序，即可觀察到4FSK 基帶調(diào)制的頻譜圖如圖3 所示，4FSK 基帶調(diào)制與解調(diào)前后信號如圖4 所示，所得到的波形與輸入信號波形完全一樣，誤碼率為0，這是理想的情況，學(xué)生可以自行修改系統(tǒng)模塊的參數(shù)，比如信噪比，采樣率等觀測輸入輸出碼元波形等的變化，更好地理解系統(tǒng)參數(shù)與性能的關(guān)系。

編寫誤碼率分析的.m 源代碼，得到誤碼率與信噪比的關(guān)系如圖5 所示

可以看出，在相干解調(diào)方式中，隨著信噪比的增大，誤碼率逐漸降低，仿真實驗結(jié)果與實際信道是相吻合的。

圖4 4FSK 基帶調(diào)制與解調(diào)前后碼元波形

圖5 信噪比與誤碼率關(guān)系

3.3 學(xué)生對仿真實驗課程的體會

通信工程專業(yè)虛擬實驗室作為理論教學(xué)配套的手段，利用仿真技術(shù)將通信學(xué)科的典型實驗生動地展現(xiàn)在課堂上，2009 級通信專業(yè)班級的仿真實驗課程設(shè)計報告中，近95%學(xué)生提到仿真實驗課程增強(qiáng)了對以前所學(xué)知識的綜合運(yùn)用和再提高，是對知識融會貫通很好的途徑;經(jīng)過試點(diǎn)教學(xué)，超過99%的學(xué)生感受到科學(xué)視野變得開闊，學(xué)習(xí)興趣變得濃厚，并順利完成所選的仿真實驗課程設(shè)計。

4 問題及解決方案

(1)減弱學(xué)生對通信設(shè)備真實感受和技能訓(xùn)練。虛擬實驗室注重計算機(jī)模擬，與真實的程控交換機(jī)等通信設(shè)備仍然存在著差異，仿真與真實通信實驗仍有距離，過多依賴仿真實驗會減少學(xué)生對通信設(shè)備操作機(jī)會，缺乏單獨(dú)應(yīng)對通信設(shè)備故障等突發(fā)事件的鍛煉。

(2)使得傳統(tǒng)實驗設(shè)備更新緩慢。虛擬實驗室的建設(shè)和維護(hù)成本低、損耗小，可以經(jīng)過再開發(fā)重復(fù)使用，這使得傳統(tǒng)通信實驗的設(shè)備采購經(jīng)費(fèi)下?lián)軈T乏，導(dǎo)致傳統(tǒng)實驗設(shè)備更新緩慢，甚至導(dǎo)致學(xué)生大學(xué)4 年都沒有機(jī)會接觸真實的通信設(shè)備。

(3)影響師生科研互動，交流機(jī)會減少。虛擬實驗室的開放性與共享性強(qiáng)，雖然有利于學(xué)生預(yù)習(xí)和自學(xué)，但也造成師生之間的學(xué)習(xí)交流機(jī)會減少，學(xué)生更愿意自己埋頭學(xué)習(xí)，而不是主動和老師一起探討最新的研究動態(tài)和方向，這使得學(xué)生的科研缺少前瞻性指導(dǎo)，科研效率降低。

(4)仿真實驗教學(xué)還涉及一些其他問題。通信實驗中心虛擬實驗室在建設(shè)中還遇到仿真實驗開發(fā)、軟件版權(quán)、實驗庫建設(shè)、實驗教學(xué)效果反饋與有效評價等種種問題，這些問題都亟待解決。

針對以上問題，可以采取以下措施解決:

(1)實驗教學(xué)應(yīng)將傳統(tǒng)實驗和仿真實驗有效地結(jié)合起來，兩個方面都要抓。

(2)學(xué)校和教師要從思想上認(rèn)識到傳統(tǒng)實驗仍然具有仿真實驗不可替代的方面，更新傳統(tǒng)實驗設(shè)備要量力而行，可采用去公司參觀學(xué)習(xí)的方式來彌補(bǔ)。

(3)教師要主動和學(xué)生去交流，學(xué)校鼓勵學(xué)生團(tuán)體開展科研講座和研討等多種形式的科研活動。

(4)參考國外本科生教育的課程實驗經(jīng)驗，讓研究生或者高年級本科生帶低年級本科生的仿真實驗基礎(chǔ)訓(xùn)練，讓學(xué)生參與仿真實驗庫的開發(fā)與建設(shè)。

5 結(jié) 語

本文研究了通信工程專業(yè)虛擬實驗室的體系架構(gòu)模型和實現(xiàn)模式，舉例介紹了通信工程國家級特色專業(yè)虛擬實驗室仿真實驗教學(xué)取得的經(jīng)驗和成果，實踐證明，仿真實驗作為傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的補(bǔ)充，在研究、教學(xué)、培訓(xùn)中起著不可替代的作用，大力發(fā)展仿真技術(shù)，梳理虛擬實驗室的建設(shè)方法，對當(dāng)前高校教學(xué)和科研的發(fā)展有著非常深遠(yuǎn)的影響。通信工程國家級特色專業(yè)虛擬實驗室建設(shè)的成功經(jīng)驗對工科專業(yè)的實驗教學(xué)研究有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

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