基于虛擬仿真的“通信原理”實驗體系構建

孫如英　韓榮蒼

摘 要：文章提出了基于Multisim和Simulink虛擬仿真的“通信原理”實驗體系。傳統的“通信原理”硬件電路實驗內容固化，不利于實踐能力的培養。Multisim和Simulink相結合的“通信原理”實驗內容靈活多變，有利于開展研究性學習和綜合性實驗；實現了抽象的通信理論的可視化，提高了學生學習興趣和創新實踐能力。

關鍵詞：通信原理；虛擬仿真；實驗體系

“通信原理”是通信工程、電子信息工程、電子科學與技術等電子信息類專業的重要核心課程。從知識結構角度講，“通信原理”是“高頻電子線路”和信息論類課程的橋梁；從能力培養角度講，它是專業能力培養向職業能力培養的過渡課程；同時也是眾多知名高校的信息與通信工程一級學科研究生入學考試的必考課程[1]。所以，“通信原理”在專業人才培養過程中占有重要地位。然而，“通信原理”的先修課程有“高等數學”“概率論與數理統計”“數字邏輯電路”“信號與系統”“低頻&高頻電子線路”等多門課，其物理概念繁多，理論難度大。

作為一門課程的一體兩翼，“通信原理”實驗是理論部分的重要補充，是能力培養環節的核心載體，在物理概念和通信理論的理解方面起著不可替代的作用[2]。然而，傳統的“通信原理”硬件電路實驗內容固化，操作性趨于“傻瓜化”，不利于實踐能力的培養。本文將Multisim和Simulink仿真工具引入課程實驗，將通信電路與信息理論的一體化仿真項目作為實驗課程的重要組成部分，輔助以操作性實驗，構建了新的“通信原理”實驗課程體系。

1 通信原理實驗箱的作用和不足

通信原理實驗箱在各大高校“通信原理”實驗課中用的非常普遍，廠家、型號不同，基本上都是針對通信原理的主要知識點設計的模塊，模塊之間的組合可以構成簡單的通信系統，在關鍵信號處留有測試點，可以用示波器觀測波形。這種實驗箱形式的硬件實驗可以直觀地讓學生通過測試不同點的波形，建立起通信系統的基本概念，幫助學生鞏固和加強相關的知識點，培養學生常用儀器的實驗操作能力[3-4]。但是這種以驗證型實驗為主的試驗箱，學生動手操作的范圍有限，學生僅需要根據實驗指導書連線、調節電阻、電容，即可在觀測點觀測到所需的波形。

在實驗教學實踐中發現，學生參與此類實驗的程度很低，做完兩個實驗以后學生往往就失去興趣。因此，實驗箱驗證型實驗給學生獨立思考和自主設計的機會較少，更是很難引入新的研究性實驗。在學生實踐創新能力的培養方面大打折扣。

2 “通信原理”實驗課程的構建

虛擬仿真實驗的教學內容不再局限于實驗箱的固有模塊，為學生的創造力的發揮可以提供更廣闊的空間[5]。

我們在“通信原理”實驗中引入Simulink和Multisim兩個仿真工具，輔助以現有的實驗箱，構建了基于虛擬仿真的“通信原理”實驗新體系，如表1所示。實際教學安排：采用3+2+1的模式，即要求學生課上完成3個驗證型實驗，選做2個綜合型實驗和1個設計型實驗，共計16學時。實驗相關的資料和準備工作則在課下完成，最大化地利用課堂實驗學時，充分調動學生課下學習的積極性，鍛煉學生的實際動手能力及其創新意識。其中，實驗項目1、2、4、5、6、7、8、12采用操作性實驗和仿真實驗相結合兩種方式；實驗項目1、4、8、9、13可采用Multisim建模仿真；實驗項目3、5、6、10、11、12、14可采用simulink建模仿真。本實驗教學內容有如下特點：（1）Multisim仿真系統可以直觀地看到系統內部電路的構成，以及各部分電路的輸出結果。（2）從Simulink模塊庫中選擇合適的虛擬器件和設備，可以靈活地搭建各種通信系統，查看更多的實驗現象，比如可以在傳輸中引入噪聲，研究系統的抗噪聲性能（見下一節圖3）。（3）通過以上兩種虛擬仿真工具，學生既可以學習到通信電路的內部結構知識，也可以方便地進行系統研究。讓學生不但知其然，而且知其所以然。

3 實驗教學案例

我們以ASK調制解調實驗為例，分別介紹實驗箱操作、Multisim仿真和Simulink仿真的特點。數字信號對載波信號的振幅調制稱為振幅鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）。2ASK就是調制信號為二進制數字基帶信號時的振幅鍵控。簡單地說，振幅鍵控就是利用載波的幅度變化來傳遞數字信息，而其頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態，分別對應二進制信息的“0”或“1”。ASK調制可以采用鍵控法和相乘法兩種途徑實現，其解調也有兩種方法，分別為包絡檢波法和同步檢波法。

圖1為通信原理實驗箱的接線原理框圖。從中我們可以看出，ASK調制是將基帶信號和載波直接相乘。解調采用的包絡檢波法，已調信號經過半波整流、低通濾波后，通過門限判決電路解調出原始基帶信號。在本實驗中可以通過調節輸入PN序列頻率或者載波頻率，對比觀測基帶信號波形與調制輸出波形，觀測每個碼元對應的載波波形，驗證ASK調制原理。通過對比觀測調制輸入與解調輸出，觀察波形是否有延時現象，驗證ASK解調原理。觀測解調輸出的中間觀測點，如：整流輸出、LPF-ASK，深入理解ASK解調過程。然而這種以驗證型實驗為主的實驗箱，學生僅需要根據實驗指導書連線，即可在觀測點觀測到所需的波形，學生動手操作的范圍有限，并且學生沒有辦法看到系統的內部電路實現。

ASK調制解調的Multisim仿真電路圖及各部分輸出結果如圖2所示。其中（a）為ASK調制實現，首先產生一個隨機的二進制基帶信號然后和128 kHz載波相乘得到調制信號輸出；（b）為包絡檢波電路，包含整流電路和低通濾波電路；（c）為門限判決電路；（d）為示波器顯示的各部分輸出波形圖，從上到下4條曲線分別為二進制基帶信號、ASK調制輸出、低通濾波器輸出、解調輸出。利用Multisim對實際電路進行仿真分析，可以直觀地看到系統內部電路的構成及各部分輸出結果，形象生動，有利于培養學生的創新意識和設計能力。

圖3給出了ASK調制與解調的Simulink仿真模型及結果圖。ASK調制采用的是相乘法實現，解調采用同步檢波法實現，為了更好地恢復出信源信號，在解調時直接使用原載波信號作為同步載波信號。實驗過程中可以調節輸入信號的值，觀察示波器波形對比調制前后信號的幅度、相位和頻率發生了哪些變化，以及解調后輸出信號相對于原基帶信號的變化。另外，學生可以自由地從模塊庫中選擇新的器件，自主設計新的實驗內容，提高學生的學習興趣，更好地發揮學生的創造力。如圖3所示，引入Gaussian Noise Generator模塊，通過Error Rate Calculation（誤碼率計算）模塊和Display（顯示）模塊，可以求解不同噪聲強度下系統的誤碼率，進而分析系統的抗噪聲性能。

4 結語

在操作實驗的基礎上引入虛擬仿真實驗，增加了實驗的多樣性，提高了研究性實驗的可操作性。將課程中較難掌握和理解的重點理論，通過軟件仿真形象生動地展現出來，對知識的理解更加透徹，而且使學生掌握計算機輔助分析和設計的方法，開闊學生的思路、視野，提高學生學習的興趣。基于虛擬仿真的通信原理實驗體系已在臨沂大學電子信息工程專業使用兩屆，深受學生歡迎，教學效果良好。

[參考文獻]

[1]萬莉莉，周妮.“三位一體”人才培養模式《通信原理》教學內容改革探索[J].教育教學論壇，2018（38）：154-155.

[2]樊昌信.通信原理及系統實驗[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]包永強.“通信原理”課程實踐教學探討[J].電氣電子教學學報，2013（4）：114-116.

[4]顧朝志，蔡麗萍，盧曉軒.“通信原理”精品實驗項目的建設[J].電氣電子教學學報，2015（5）：103-105.

[5]孫云山，張立毅，耿艷香，等.“通信原理”虛擬實驗仿真系統研究[J].實驗室科學，2010（6）：101-103.