基于虛擬仿真技術的通信原理實驗教學改革研究

莫丹雷

摘? 要：《通信原理》是通信工程、電子信息等信息類專業設置的一門較抽象的主干課程，為了使學生更容易、更深刻地理解通信原理中一些重要理論和實驗現象，本文基于虛擬仿真技術搭建了通信原理實驗平臺，從實驗平臺的搭建、調試方法和效果、實驗結果等方面介紹了該實驗仿真平臺的整體構思和具體功能，將相關實驗步驟通過動畫的形式進行演示，使學生在課程與實驗的學習中獲得更直觀的教學感受，旨在在《通信原理》實驗教學中進行相應的教學改革。

關鍵詞：通信原理? 虛擬仿真? 實驗平臺? 教學改革

中圖分類號：O4-33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0200-03

Abstract： Communication Principle is an abstract main course for communication engineering， electronic information and other information majors. In order to make students understand some important theories and experimental phenomena in communication principles more easily and deeply， this paper builds a communication principle experimental platform based on virtual simulation technology， and introduces the construction of the experimental platform， debugging methods and effects， and experimental results The overall concept and specific functions of the experimental simulation platform are presented. The related experimental steps are demonstrated in the form of animation， so that students can get more intuitive teaching experience in the course and experiment learning， aiming at the corresponding teaching reform in the experimental teaching of Communication Principle.

Key Words： Communication Principle; Virtual simulation; Experiment platform; Teaching reform

通信原理相關實驗主要包括了信源編碼技術、基帶傳輸編譯碼技術、基本數字調制技術、信道編譯碼技術、同步技術等重要的內容，具有比較強的理論應用性。隨著現代通信技術的不斷發展，許多高等工科院校的通信工程、電子信息科學與技術、電子信息工程等專業已將通信原理及實驗課程列入必修專業課程，甚至一些高等院校更是將通信原理及實驗作為重點課程開展相關建設[1-4]。

通信原理主要是分析了信號在數字通信系統中的信道編碼技術、調制、解調以及信號在信道傳輸方式等關鍵技術。通信原理實驗課是將抽象的原理實際化，將信號在通信原理實驗箱中經過信道編碼、信號調制、信號解調等過程，進而直觀地感受到信號波形變化的過程，進一步地掌握通信原理中的關鍵技? ? ? ? ?術[5]。作為一項面向實際測量與通信的學科，其應用性極強，但是實際教學經驗中，一些現實問題表現十分凸出，主要集中在以下兩個方面：

（1）由于通信原理的實驗對信號質量要求比較高，故對實驗箱所用到的信號處理芯片要求高，而電路中的各種電子元器件、模數和數模轉換模塊等，這些信號處理芯片以及電子元器件不僅容易因實驗失誤造成損壞，而且更換器件也較為麻煩，更重要的是相關實驗箱價錢昂貴，無法滿足學生單獨操作實驗的需求。并且即使實驗指導老師都會一再強調實驗操作的規范性與安全性，但是學生數量眾多、實驗箱使用頻繁，終歸還是免不了有實驗系統芯片和電子元器件的損壞，造成不必要的財務損失[6]。

（2）通信原理實驗系統復雜且抽象，使實驗教學面臨困難。由于通信原理實驗需要掌握一定的理論，但其理論多且抽象，要求學生在實驗箱設備連線準確后方可上電，最后通過示波器觀測信號波形。能否觀測到正確的信號波形需要一個復雜的調試過程：一方面需要在設置正確的實驗參數下，確保在實驗箱連線的無誤;另一方面由于信號較為抽象，需要借助示波器對信號進行觀測。這就導致在調試某一個實驗時，需要花更多的時間在參數設置、設備連線及示波器調試上才能更準確觀測到實驗效果，而實驗課堂的時間又較為有限。

因此，希望建立一個通信原理實驗虛擬仿真實驗平臺，能夠對現有的通信原理實驗教學，如信源編碼技術、基帶傳輸編碼技術、基本數字調制技術、信道編碼技術等實驗教學進行一次較大的教學改革，使得相關課程實驗內容能更好更有效地開展，提高學生的實際操作和創新能力[7]。

2? 通信原理實驗仿真平臺結構及功能

通信原理實驗仿真平臺的建立將可為通信原理、移動通信、高頻電子線路、光纖通信等多門通信類實驗課程的多個實驗提供虛擬仿真的實驗平臺，如HDB3碼型變換實驗、卷積碼編譯碼實驗、ASK調制及解調實驗等。根據通信原理實驗教學的具體要求，本文初步設計的通信原理實驗仿真平臺總體界面如圖1所示。可見，界面上可以完成模擬信號源功能、數字信號源功能、通信原理實驗菜單功能、模塊設置功能、系統升級五種功能的設置。下面以模擬信號源共設置為例進行說明。

模擬信號源菜單由“信號源”按鍵進入，該菜單下按“選擇/確定”鍵可以依次設置：“輸出波形”→“ 輸出頻率”→“ 調節步進”→“音樂輸出”→“占空比”（只有在輸出方波模式下才出現）。在設置狀態下，選擇“選擇/確定”就可以設置參數了。

（1）“輸出波形”設置。

一共有6種波形可以選擇：正弦波：輸出頻率 10Hz～2MHz;方波：輸出頻率 10Hz～200kHz;三角波：輸出頻率 10Hz～200kHz;DSBFC（全載波雙邊帶調幅）：由正弦波作為載波，音樂信號作為調制信號，輸出全載波雙邊帶調幅;DSBSC（抑制載波雙邊帶調幅）：由正弦波作為載波，音樂信號作為調制信號，輸出抑制載波雙邊帶調幅;FM：載波固定為20kHz，音樂信號作為調制信號。

（2）“輸出頻率”設置。

“選擇/確定”順時針旋轉可以增大頻率，逆時針旋轉減小頻率。頻率增大或減小的步進值根據“調節步進”參數來。在“輸出波形”DSBFC和DSBSC時，設置的是調幅信號載波的頻率;在“輸出波形”FM時，設置頻率對輸出信號無影響。

（3）“調節步進”設置。

“選擇/確定”順時針旋轉可以增大步進，逆時針旋轉減小步進。步進分為：10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz五檔。

（4）“音樂輸出”設置。

設置“MUSIC”端口輸出信號的類型。有三種信號輸出“音樂1”、“音樂2”、“3K+1K正弦波”三種。

（5）占空比”設置。

“選擇/確定”順時針旋轉可以增大占空比，逆時針旋轉減小占空比。占空比調節范圍10%～90%，以10%為步進調節。

以信道編譯碼技術中的卷積碼編譯碼實驗為例進行介紹，首先，根據實驗步驟啟動通信原理實驗仿真平臺總體界面;其次，設置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【卷積碼編譯碼及交織】;接著在信道編譯碼模塊中調節編碼類型為：卷積碼編碼，編碼模式為：無差錯模式，使得系統的初始狀態為：編碼輸入8K數據的無差錯卷積編碼模式;最后添加示波器用于觀測信道編譯碼模塊中的編碼輸入數據，卷積編碼輸出，卷積譯碼輸出等數據。

當以正確的方法設置好參數，以及正確地將信號源模塊跟信道編譯碼模塊連接后，最終可以觀測到正確的實驗結果，由此來虛擬仿真整個實驗過程。學生經過了虛擬仿真平臺的操作后，更好地理解和掌握了實驗原理、操作方法后，再到實際操作平臺中選擇實際的實驗模塊，完成卷積碼編譯碼實驗步驟并調試出實驗結果。

此虛擬平臺的建立，能很好地解決在這個實驗中的2個問題：（1）避免了設計方法、方案抽象。因通信原理實驗原理抽象，教師在實驗課堂上對相關實驗內容進行講解時，學生對復雜的理論過程難以快速接受，造成實驗進展速度緩慢。而虛擬仿真平臺的搭建，給學生自主實驗設計提供了條件，動畫式的實驗步驟和相應結果令學生更容易理解知識點;（2）避免不必要的材料損耗。因設計信道編碼技術的步驟抽象且復雜，一旦出現步驟出錯，連線錯誤，輕則不能調試出實驗結果，重則燒毀通信原理實驗箱，造成財務損失。

3? 結語

本文搭建的通信原理實驗仿真平臺功能雖還未十分完善，但其使用靈活、調試簡單、調試結果穩定性好，整體上具有較好的魯棒性，具有較大的發展和開發潛力。該實驗仿真平臺的搭建對通信原理實驗教學及相關的課程實驗教學具有一定的推動性，在實際教學應用中，該平臺的使用不僅可以激發學生學習的主動性、創新性，提高學生的思考和實際操作能力，還能在一定程度上減輕教師的工作量，對通信原理實驗的教學改革有一定的促進及參考作用。

參考文獻

[1] 楊小鳳.通信原理課程教學改革與實踐[J].高師理科學刊，2017，37（1）：95-97.

[2] 展慧，李志敏.基于LabVIEW虛實結合的通信原理實驗仿真系統的設計[J].科學技術創新，2020（8）：78-79.

[3] 王冬梅，王秀芳，闞玲玲.基于虛擬仿真平臺的通信原理實驗教學改革研究[J].科技經濟導刊，2019，27（31）：133-134.

[4] 楊正.基于LabVIEW的通信原理實驗仿真軟件設計[D].北京：北京化工大學，2015.

[5] 劉毓，鄒星.應用型人才培養模式下通信原理實驗教學改革研究[J].科技資訊，2016，14（33）：100-101.

[6] 甘永進.虛擬仿真技術在光電測量實驗教學中的應用[J].廣西物理，2017，38（Z1）：48-50.

[7] 蔣曲博，秦祖軍，張麗娟，等.基于虛擬仿真技術的光電測量實驗教學改革研究[J].科技創新導報，2017，14（15）：98-100.