仿真實驗教學體系的構建研究

“通信原理”是通信工程、信息工程、信息安全等信息類專業的專業課，涉及《模擬電路》、《數字電路》、《高頻電子線路》等多門先修課程。在課程實驗中構建仿真實驗環節，通過不同的參數設置和方案模型，加深學生對本課程基本理論知識及基本概念的理解，建立起完整的通信系統的概念。是實現提高學生理論聯系實際的能力，培養學生的工程應用能力、綜合設計能力和實踐創新能力等課程教學目標的重要載體。

一、傳統課程實驗的教學特點

通信原理課程實驗主要是圍繞現有的通信原理實驗箱開設模塊化的驗證型或綜合型實驗，硬件線路已經固定。實驗時，學員通常只是對實驗箱進行簡單的設置以及波形測試，動手動腦范圍受到限制。同時，由于實驗箱自身存在的不穩定性，實驗時影響了預期結果。而在實驗過程中又往往需要對模塊的性能進行檢測，以保證實驗的順利進行，這樣繁瑣的工作難免使得學員對理論知識的學習興趣有所減少，阻礙了對學員創新性思維的訓練。將軟件設計仿真與硬件實現驗證相結合，根據實驗內容，循序漸進，從基礎到綜合，再到設計與創新，符合普遍認識規律和實驗教學規律。

二、仿真實驗教學手段的優勢

各高校用于通信原理仿真實驗的軟件主要有兩款：Systemview和Matlab/Simulink。這兩款軟件都可進行通信系統的仿真設計與分析，有助于學員構建系統的整體概念，可讓學生對常用的模塊自己編寫文件，從具體模塊的實現到整體系統的架構。將仿真軟件應用在通信原理課程實驗的教學中，充分利用了學校現有的教學環境，在現有的條件下為學員提供了更多的實驗機會，而且增強了實驗的多樣性，擴大了實驗范圍。不但將通信原理課程中較難理解的內容，通過軟件仿真形象生動的展現出來，使學員對知識的理解更加透徹，而且有效地提高了學員的學習興趣，以及分析問題、解決實際問題的能力。

三、以Systemview為例的實驗教學內容構建

1、 Systemview簡介

SystemView是美國ELANIX公司的一個完整的動態系統設計、仿真和分析的可視化設計環境，是一個功能強大、用途多樣的工具平臺，提供開發各種系統的模擬和數字工具，包括數字信號處理、通信、控制以及構造通用數學模型。

2、仿真實驗教學的基本步驟

2.1明確實驗目的。

在進行系統設計之前，必須清楚、準確地提出仿真實驗所要解決的問題，需要用到的基本模塊，以及參數設置的主要指標。

2.2分析系統方案。

明確實驗中的系統構成、模塊之間的相互關系，系統的輸入輸出、邊界條件以及系統的約束條件，并確定仿真所要達到的目標。

2.3構建仿真模型。

建模是系統仿真中最關鍵的一步，所建立的模型要盡可能準確地反映真實系統的特性，又不能過于復雜，以免降低模型效率。

2.4設置仿真參數。

利用功能元件庫中的Token來代表某一處理過程，根據實驗內容設置每一個Token參數，控制系統的起始時間、終止時間、采樣頻率等。

2.5分析仿真結果。

在完成系統搭建的基礎上，根據系統的性能指標，調整各模塊的仿真參數，在分析窗中觀察信號的波形、功率譜、眼圖等信息，進行分析對比，得到滿意結果。

3、仿真實例與結果分析

采樣定理在通信系統、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。采樣過程是模擬信號數字化的第一步，采樣性能的優劣關系到通信設備整個系統的性能指標。下面以低通信號的采樣與恢復為例，利用Systemview軟件實現系統仿真，并給出仿真參數和實驗結果。

3.1實驗目的與系統方案

均勻采樣定理指出：對一個帶限在內的時間連續信號，如果以的時間間隔對其進行等間隔采樣，則將被所得到的采樣值完全確定。即抽樣速率大于等于信號帶寬的兩倍就可保證不失真的恢復出原始信號。是采樣間隔，也稱為奈奎斯特間隔。本文對一幅度為1V，頻率為50Hz的正弦波進行抽樣與恢復，進而驗證采樣定理，觀察不同抽樣頻率對恢復波形的影響。

如圖3-1所示，是低通信號采樣與恢復的原理圖。其中的抽樣電路通過設計乘法器來實現，抽樣脈沖的頻率應滿足采樣定理的要求，抽樣信號再通過低通濾波器來恢復出原始的正弦信號。通過改變抽樣脈沖的頻率就可以觀察到不同的響應波形。

3.2仿真模型與參數設置

仿真分析系統如圖3-2所示，系統中各圖符塊的參數設置如下：

Token6： Source， Sinusoid， Amplitud=1V， Frequency=50Hz， Phase=0

Token2： Pulse Train， Amplitud=1V， Frequency=80，100，200，400Hz，

Pulse Width=0.000001sec， Offset=0V， Phase=0

Token9： Multipliers

Token10： Butterworth Filter， Low Cuttoff=50V， No.of Poles=3，

Filter input sample rate=1000Hz

Token0、3、4、11： SystemView Sink

分別用不同的采樣頻率80、400Hz對連續信號進行抽樣，再通過設置巴特沃茲濾波器來恢復原始信號。

3.3波形與結果分析

由實驗結果可以觀察到，當采樣頻率小于奈奎斯特頻率時，在接收端恢復的信號失真比較大，這是因為產生了信號混迭；當采樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時，恢復信號與原信號基本一致。理論上，理想的抽樣頻率為2倍的奈奎斯特帶寬，但實際工程應用中，帶限信號絕不會嚴格限帶，且實際濾波器特性并不理想，通常抽樣頻率為5～7倍的以避免失真。

四、結束語

《通信原理》作為一門專業基礎課程，其課程特點是理論性強，通過多種實驗教學方法可以使學員更好地掌握通信的基礎理論，并增強實際動手能力。本文從仿真實驗教學內容的構建闡述了對“通信原理”課程實驗課教學改革的一些研究和探索，突出強調軟件仿真技術在信息化條件下對學員能力素質培養的重要性，提高學員的工程應用能力、創新能力和部隊崗位任職能力。

（作者單位：火箭軍工程大學）