通信理論與技術實驗模式改革研究與探索

魏建軍， 劉乃安， 陳付龍， 李曉輝， 韋 娟

(1. 西安電子科技大學 通信工程學院， 陜西 西安 710071; 2. 安徽師范大學 數學計算機科學學院， 安徽 蕪湖 241003)

隨著通信技術的發展，新技術層出不窮，而傳統技術也出現了更新換代，通信技術的設計、開發都從根本上發生了變化。但是，高等學校的通信理論與技術實驗卻不能跟上市場前進的步伐，培養的學生不能滿足用人單位的期望。總體來說，存在以下幾方面問題：第一，實驗學時不夠，普遍情況是學生規模大于實驗室所能提供的資源，而且開展的實驗數目少，不能覆蓋通信理論與技術的內容；第二，硬件實驗通常采用實驗箱來完成實驗，以驗證性實驗為主，實驗過程往往是動手多、動腦少，學生只知某個模塊的功能而不知這個功能是怎樣實現的，同時實驗項目固定，學生只能夠觀察實驗箱上提供的實驗，模塊參數很少可以設置，造成很多實驗現象觀察不到；第三，軟件實驗依靠仿真模擬測試通信系統模型，采用簡化的信道模型來粗略地模仿現實世界的情況，這種模型很難準確地描繪所有的現實條件，也難以獲悉采用某種模型的可行性，而且在仿真設計中采用的都是模型，理解僅停留在模型表面，缺乏對模型具體電路的認識和設計，而且復雜的通信系統很難準確建模[1-3]。

選修“通信理論與技術實驗”課程的學生很多，但是實驗室能提供的場地受限，而且所開設的硬件實驗由于硬件自身的特點靈活性差，不利于培養學生的創造性，軟件仿真與客觀環境差別較大，不能反映真實工程。另外，實驗時間和地點固定，學生不能根據自己的學習進度安排實驗時間。這些問題極大地限制了實驗課程教學目標的實現。

1 基于半實物的虛擬仿真技術

虛擬儀器將計算機資源與儀器硬件、數字信號處理技術結合，把廠家定義儀器功能的方式轉變為由用戶自己定義儀器功能。用戶可根據測試的需要，自己設計所需要的儀器系統，利用一種或多種功能的通用模塊，調用不同功能的軟件模塊，組成不同的儀器功能。在虛擬儀器中，除了儀器的輸入、輸出、數據處理分析、結果顯示由計算機完成外，還可組成計算機網絡。計算機網絡技術、總線技術的發展，乃至Internet網的發展拓展了虛擬儀器測試系統的應用范圍。利用網絡技術將分散在不同地理位置的計算機聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡內得以共享，減少了設備重復投資，使數據采集、傳輸、處理分析成為一體，容易實現實時采集、實時監測。

目前“通信理論與技術”的課程與教材，都是以方塊圖做標準的方法來表示調制和解調技術。每一個方塊圖都代表著一個基本電子電路功能，如振蕩器、濾波器、加法器、乘法器等。在基于半實物的虛擬仿真系統里，這些方塊圖都是以模塊執行，整個通信系統就是由方塊圖所對應的插入式模塊及數學方程式來完成。這些模塊按照“通信理論與技術”教學中的原理框圖進行功能設計，多數用于完成某種信號處理功能，如乘法器、加法器、低通濾波器、放大器、壓控振蕩器等；另有一些則用于產生信號，如正弦波、方波、隨機序列等。模塊根據實驗需要而插入于機架的任一插槽內，系統機架對于所插入的各模塊僅提供直流電源。

實驗系統對模塊的輸入輸出接口設定了標準，方便組合。各模塊的輸入輸出端均安置在模塊的前面板上，各模塊之間的信號連接在前面板之間用連接線連接，每一模塊都可用于任何實驗。模塊上的控制旋鈕沒有刻度記號，避免學生使用“對照”途徑來建立實驗，必須依據實際的測量變量來確認理論的計算值。每個模塊都有多個旋鈕和開關，學生利用這些開關改變參數，如頻率、相位、振幅或時間，通過調整這些參數使實驗結果與相關理論及數學計算聯系起來。所有遠程通信編碼和調制電路都能夠用模塊組合模擬，基于半實物的虛擬仿真系統是一個真正的數學模型系統，能夠通過真實的電信號實現具體的數學方程，而不是通過計算機程序和數值解法進行仿真模擬。與“現實世界的實驗”的唯一區別就是能夠減少傳送信號和取樣頻率，使學生更容易觀看和理解正在研究的信號[4]。

基于半實物的虛擬仿真系統以遠程通信方框圖為依據，通過組合功能性砌塊使教科書里的方框圖變得具體，讓學生通過動手做而獲得實質的學術知識。基于半實物的虛擬仿真系統提供一個開放的教學系統，教師可以驗證任何的模擬、數字調制或編碼技術。在基于半實物的虛擬仿真系統的環境里，可同時做傳統電子電路的特性與數字信號處理技術的比較，系統完全自給自足，唯一的額外設備是一臺示波器。基于半實物的虛擬仿真系統具有很強的擴充性，模塊在教學上都可供教師做很多的變化和擴充，將會涵括所有最新的通信理論。教師可利用系統的開放特性，自己制定增加的模塊，驗證自己在通信里所最擅長的領域。另外，學生也可以在系統環境里設計自己的模塊，測試自己所要鉆研的通信領域或信號處理，并以此作為研究方向。

基于半實物的虛擬仿真技術的網絡系統以原系統為主體，能架構成一個網絡化的實驗室。教師可從主系統傳送3組通信信號至每位學生的客戶端上，系統允許學生“在一定距離內”完成真正的硬件實驗。網絡系統保留原方框圖法，利用真正的硬件砌塊、模塊，實現遠程通信相關原理及公式。網絡實驗的功能等同標準實驗，實驗控制操作均與標準系統相同，學生可改變參數，如頻率、相位、振幅及時間，使實驗結果與相關理論及數學計算關聯起來。標準系統與網絡的關鍵區別在于網絡每個模塊上的多個旋鈕及開關均可通過用戶計算機熒幕上的圖形顯示調整。值得注意的是，使用網絡時，學生實際上是操作真實的硬件和觀看真實的電信號，他們可運用顯示于瀏覽器的實驗操作面板，通過局域網或互聯網控制實驗。計算機界面同樣可顯示于學生家里或其他實驗室的瀏覽器中。客戶端界面不論外觀或操作，都與實際的系統非常接近，盡可能使用戶保留真實操控實驗的感覺，系統結構如圖1所示[5]。

無論何時在計算機界面上選擇或改變一個控制旋鈕、開關或示波器導線，實驗的所有即時設置都會從用戶客戶端應用程序發送到服務器。然后用戶實驗設置會即時加載到已連接服務器的系統設備中的模塊上，與用戶客戶端計算機界面上的設置完全一致。服務器里的數字示波器對所選信號進行處理，然后把這些數據發回用戶客戶端，客戶端在虛擬示波器的熒幕上顯示該數據。

與傳統的硬件實驗相比，基于半實物的虛擬實驗靈活多變，能提供豐富的設備，彌補了硬件實驗無法進行設備選擇、參數設置和頻譜分析的不足，能更好地培養學生的設計能力、分析能力和創新能力。虛擬實驗受硬件設備的限制少，實驗設備損壞的問題從根本上得到解決，實驗項目能及時根據教學需要進行更新，使實驗教學與理論教學結合得更緊密。

圖1 基于半實物的虛擬仿真網絡系統結構

2 基于軟件無線電的實驗模式

軟件無線電技術，是用現代化軟件來操縱、控制傳統的“純硬件電路”的無線通信。其以現代通信理論為基礎，以數字信號處理為核心，以電子技術為支撐，突破了傳統的通信系統以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設計局限，強調以可編程的硬件作為通用平臺，盡量用可升級、可配置的軟件來實現各種通信功能的設計，其重要價值在于傳統的硬件通信設備只是作為通信的基本平臺，而許多通信功能則由軟件實現，打破了設備的通信功能的實現僅僅依賴于硬件發展的格局[6-7]。軟件無線電具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，各種功能用軟件來完成。

開放性的軟件無線電實驗教學平臺，使得學生能夠在實驗室的環境下快速構建驗證自行設計的通信系統，而且通過軟件的交互性界面幫助學生更形象地理解概念，并能夠從零散知識點的灌輸發展到建立系統的概念。軟件無線電將軟件仿真系統無縫地融合到硬件平臺上，構建真實的通信系統，而且具有更靈活的操作方式，尺寸小巧、成本較低，可用以太網連接主機，即可兼容基于真實信號的課堂實驗。在軟件無線電教學平臺上可以用虛擬儀表測量時域、頻域、誤碼等性能，可以驗證文本信息及音視頻的實時通信效果，或為當前及未來通信系統構建仿真測試平臺。使用軟件無線電教學平臺，學生可以專注于算法本身，但同時也能接觸到系統的工程實踐，而不必擔心復雜的模擬前端以及射頻電路設計問題。當硬件電路中出現了靈活的射頻上變頻器和下變頻器以及相匹配的DAC和ADC后，能夠以高品質和可重復性創建和處理波形[8]。軟件無線電可以很好地應用于通信理論與技術的實踐教學，將通信理論與工程實踐緊密結合，讓學生不僅加深了對基本概念的理解，而且在實驗室的環境中能夠快速構建完整真實的通信系統。

基于軟件無線電的實驗模式結合硬件和軟件的優勢，在通用硬件平臺上運行軟件模塊，用于實現通信功能。提供了滿足多功能需求且靈活性強的快速通信原型平臺，適用于物理層設計、信號存儲與回放、通信情報、算法驗證等應用。通信理論與技術課程注重理論研究，旨在介紹通信系統的基本算法，通信理論與技術實驗課程則在基于軟件無線電的教學平臺上進行物理層系統設計和算法的驗證。通信的一些物理層功能由軟件定義，使得學生不必過多考慮模擬前端和射頻電路設計問題就能夠接觸到實際的通信系統，有效地進行通信系統的物理層實現。

3 模式改革實踐

通信理論與技術實驗課程模式的改革經過前期調研，借鑒兄弟院校開展“通信理論與技術實驗”課程的情況和改進措施，在實驗室現有資源設備和環境的基礎上，對通信理論與技術實驗課程模式改革進行了實踐。通信理論與技術實驗課程模式改革實踐包括2部分，一部分是利用基于軟件無線電的實驗模式開展通信系統課程設計，另一部分是利用基于半實物的虛擬仿真技術開展通信理論與技術的實驗工作。

采用易思達公司的ES2711C XSRP軟件無線電創新開發平臺開展通信系統課程設計，表明軟件無線電系統符合實際通信環境，并且具有非常好的靈活性和強大的可擴展性，可以在其上驗證所開發的通信系統，加快新的通信系統的開發進程。從實踐效果來看，基于軟件無線電的實驗模式培養了學生整體思考問題、分析問題和解決問題的能力，提高了學生的創新能力，為學生今后科研工作打下良好的基礎。

采用澳大利亞依摩納公司的net*TIMS系統，按

照通信理論與技術大綱的要求安排實驗。本次實踐共進行了8組實驗，學生在實驗室局域網內通過客戶端訪問服務器操作實驗設備。共有學生58名參與這一項目，同時使用3臺服務器。學生通過隨機選擇服務器，獨立開展實驗。實踐結果表明數據分析速度快、測量結果響應及時，與單獨使用單機版TIMS系統幾乎沒有差別。經過1學期的實踐后，對這批學生進行考核，58名學生中15名學生的實驗結果為優秀，優秀率達到26%。這種實驗模式給學生最大的靈活性，充分發揮學生能動性，調動了學生做實驗的興趣和積極性。學生不僅很好地掌握了通信知識，而且還增強了動手能力，感受到學習的樂趣。該班所有的學生都感覺到自己的動手能力大大加強，自主學習熱情高漲。

4 結語

通過利用軟件無線電創新開發平臺開展通信系統課程設計，結果表明，基于軟件無線電貼近實際的通信系統，可以進行新的通信系統的開發和驗證，加快研發流程。利用net*TIMS開展通信理論與技術實驗教學，可以解決實驗資源緊張的情況，學生可以靈活選擇實驗時間，按照自己的興趣選擇實驗內容，發揮了他們的主觀能動性，并有助于學生創新能力的培養。實踐表明，這次教學模式改革在很大程度上使學生的認識能力、實踐能力和應用能力得到了全面的培養和提高，培養了學生正確的思維方法和綜合設計分析能力，完全達到了實驗教學改革的目的，同時為其他課程的實驗改革提供了一個良好的參考。

References)

[1] 李莉，趙蓉，項東.通信原理綜合實驗教學改革的實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34(8):179-181.

[2] 韋娟，劉乃安，李曉輝.面向專業認證的實踐教學體系構建與評估[J].電氣電子教學學報，2016，38(5):110-112.

[3] 許正榮，賈賢龍，李陽，等.通信原理實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30(4):171-174.

[4] 陳麗霞，范士勇，劉鑫.虛擬仿真技術在現代通信網實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015，32(4):132-135.

[5] Tim Hooper.Instructor’s Manual[M].澳大利亞: Emona Instruments Pty Ltd， 2016.

[6] 楊宇紅，袁焱，田礫.通信原理實驗教程:基于NI軟件無線電教學平臺[M].北京 : 清華大學出版社， 2015.

[7] 邢鑫，趙慧.基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，2016，33(5):160-164.

[8] 李欣，謝宏.虛擬儀器技術在通信原理教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2014，33(5):155-159.