信息通信虛擬仿真軟件在教學中的應用

郭杰榮++黎小琴

摘 要：針對高等院校數字信號處理和通信原理等課程的特點，探討了開發信息通信虛擬教學平臺的目的，以及信息通信虛擬教學平臺的簡介，并結合實例說明了信息通信虛擬教學平臺的使用情況和效果。教學實踐表明，在通信原理等課程的實驗教學階段引入該自主開發的軟件平臺，有利于加強學生對技術的深入理解，提高學生的實踐能力，收到了良好的實驗教學效果。

關鍵詞：通信原理 實驗教學 虛擬仿真

中圖分類號：T31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（b）-0166-04

Abstract： In this paper， an information communication platform is designed to enhance the teaching effect in theory and experimental teaching. Firstly， the information communication software is introduced. Then the usage and the used effect of the software are analyzed combined with practical examples. Practice shows that using the platform in the theory and experimental teaching of principle of communication， can enhance students practical application of quality， meet the combination of theory and practice of teaching objectives， and improve the practical ability of students.

Key Words： Principle of Communication； Experimental teaching； Virtual simulation

高等院校開設的通信原理、信號與系統和數字信號處理課程中的概念和分析方法廣泛應用于電子、通信、信息、機電和計算機領域，這些課程的特點是理論性強，實踐要求也高。應用轉型背景下的高校教師在教學中要重視實踐教學和實踐教學手段，以培養學生動手能力和創新能力，適應應用轉型背景下的高校人才培養需求。因此，改革理論教學和實踐教學的教學模式有著極其重要的意義。本文將結合教學實踐，對現行教學模式下的《通信原理》課程教學過程中存在的主要問題進行分析，然后就如何改進教學方式和手段進行了有效的嘗試，主要就本課程組開發的一套虛擬信息通信軟件應用于教學中促進教學質量的效果進行了探討，最后結合實例說明其在教學中的應用。

1 《通信原理》教學主要問題探討

由于《通信原理》課程主要介紹數字通信的基本原理，應用及性能分析的基本方法，以及通信系統的設計。在教學中包含大量的原理講解、公式推導及例題練習，容易造成傳統教學模式中普遍存在的課堂填鴨式教學，缺少教師和學生的互動和交流，缺乏學生的主動思考和解決問題的熱情。因此，本課題組針對以上教學中容易出現的問題，進行了解決方案的探討。我們發現，在教學過程中，一方面要在課堂教學中引入形象生動的教學案例，完善學生對理論知識的理解，比如通過Matlab數值計算模擬，在課堂教學中使用一些可視化的所見即所得的實例結果演示，將系統的輸入和輸出直觀地展現在學生面前，顯示某些用語言和粉筆難以描述的處理過程，這樣就可以提高學生對理論的直覺感受；另一方面要滿足學生課后實踐的要求，通過Matlab GUI設計，針對一些典型的處理方法開設虛擬仿真實驗，讓學生在理論學習的基礎上，通過修改程序，運行程序以及觀察處理之后的效果，更進一步開拓學生思路，提高解決問題的興趣和能力。

因此，開發通信信息處理教學軟件不但可以滿足課堂教學演示理論的需要，還可以提高學生的動手能力。下面介紹本課程小組開發的信息通信教學軟件。

2 虛擬信息通信實驗平臺簡介

本課程小組開發的虛擬信息通信實驗平臺的開發工具為Matlab和其GUI工具，也可以直接編寫M文件的方式來實現。在軟件開發上，本研究充分考慮到學生的可接受性、軟件的可擴充性和教學的實用性，將通信原理的理論與實際應用相結合，使抽象內容變為可視內容，形象直觀，圖文并茂，運行速度快，用戶界面友好。本平臺涵蓋了信息通信的大部分內容。利用該平臺，可以讓課堂教學講授理論知識的同時，結合案例的講解，使學生在掌握理論的同時熟悉實踐過程，進而培養學生的編程實踐能力，也可以讓學生對案例進行分析，找到解決辦法，并進行編程驗證。

信息通信虛擬仿真軟件運行界面如圖1所示。

3 實驗教學實例

在通信原理等課程的理論教學中，我們的教學目的是讓學生掌握數字通信的基本原理，應用及性能分析的基本方法等理論知識，在通信原理等課程的實驗教學階段，我們更要培養學生的算法編程能力和系統設計能力。下面以數字基帶接收為例來介紹信息通信軟件在實驗教學中的應用。

數字基帶信號的接收可以用如圖2表示。

因此，是一個均值為0、方差為的高斯隨機變量。

由式1，得

因此，基帶信號的接收可以等效成離散模型進行分析，正如式4所示，接收新號在時刻的抽樣值取決于當前輸入碼元值、前后碼元對其的干擾和加性高斯白噪聲。

在仿真軟件界面，選擇基帶信號接收菜單，設置抽樣間隔Ts為1，碼元個數為100，每碼元抽樣點數為8。

關鍵代碼如下：

gt=ones（1，N_sample）；endprint

d=sign（randn（1，N））；

a=sigexpand（d，N_sample）；

st=conv（a，gt）；

ht1=gt；

rt1=conv（st，ht1）；

ht2=5*sinc（5*（t-5）/Ts）；

rt2=conv（st，ht2）；

……

axes（handles.a1）；

plot（t，st（1：length（t）））；

……

axes（handles.a2）；

stem（t，a）；

于是，可以畫出輸入的數字基帶信號波形和數字序列，如圖3所示。

那么，教師可以給學生設置問題：若接收濾波器的沖激響應函數，濾波后的波形圖如何得到呢？經過修改程序，可以畫出經過濾波器器后的波形圖。

關鍵代碼如下：

axes（handles.a3）；

plot（t，[0 rt1（1：length（t）-1）]/8）；

……

axes（handles.a4）；

dd=rt1（N_sample：N_sample：end）；

ddd=sigexpand（dd，N_sample）；

stem（t，ddd（1：length（t））/8）；

……

圖4為得到的方波濾波后輸出和方波濾波后抽樣輸出。

還可以進一步設置問題：若，濾波后的波形圖如何得到呢？經過修改程序，可以畫出經過濾波器器后的波形圖。

關鍵代碼如下：

axes（handles.a5）；

plot（t-5，[0 rt2（1：length（t）-1）/8]）；

……

axes（handles.a6）；

dd=rt2（N_sample-1：N_sample：end）；

ddd=sigexpand（dd，N_sample）；

stem（t-5，ddd（1：length（t））/8）；

……

經過修改程序，可以畫出經過濾波器后的波形圖，如圖5所示，分別為得到的理想低通濾波后輸出和理想低通濾波后抽樣輸出。

4 結語

在教改思想指導下，我們探討了傳統通信原理教學容易存在的問題，并找到一種有效的解決方法，通過Matlab強大的數值計算能力和GUI圖形用戶接口，能夠把枯燥復雜的通信原理概念和公式以更加直觀的繪圖形式展現出來，從而大大激發了學生在課堂上的學習興趣和主動思維積極性。同時，利用課程小組開發的通信原理虛擬實驗軟件能讓學生快速、準確、直觀的鞏固所學知識，提高學生用科學手段解決實際通信原理和系統設計的興趣和能力。

參考文獻

[1] 周炯.通信原理[M].北京：北京郵電大學出版社，2002.

[2] 程衛國.MATLAB精要、編程及高級應用[M].北京：機械工業出版社，2000（4）.

[3] 蘇金明，阮沈勇.MATLAB實用指南[M].北京：電子工業出版社，2002（1）.endprint