應(yīng)用型高校通信原理仿真教學(xué)探索與實(shí)踐

劉振

摘 要 文章結(jié)合應(yīng)用型高校教學(xué)實(shí)際，探索在通信原理課程中開展仿真教學(xué)的方法。在理論教學(xué)中，利用仿真技術(shù)分析關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)，解釋抽象的教學(xué)內(nèi)容，說明電路工作的原理。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將仿真平臺(tái)和硬件設(shè)備結(jié)合使用，通過增加電路仿真環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件設(shè)計(jì)綜合性、研究性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力。在通信原理課程中進(jìn)行仿真教學(xué)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果，為學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中使用仿真工具奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 通信原理；仿真教學(xué)；應(yīng)用型高校

中圖分類號(hào)：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.018

Exploration and Practice of Simulation Teaching of Communication Principles

in Applied Universities

LIU Zhen

（School of Electronics and Information Engineering， West Anhui University， Lu'an， Anhui 237012）

Abstract Exploring the methods of conducting simulation teaching in the course of communication principles based on the practical teaching of applied universities. In theoretical teaching， simulation technology is used to analyze related knowledge points， explain abstract teaching content， and explain the working principles of circuits. In experimental teaching， simulation platforms and hardware devices are combined to enhance students' learning of experimental circuit structures by adding circuit simulation links. Simulation software is used to design comprehensive and research-oriented experimental projects， and to cultivate students' knowledge application abilities. Conducting simulation teaching in the course of communication principles enriches teaching content， improves teaching effectiveness， and establishes a knowledge foundation for using simulation tools in subsequent learning.

Keywords communication principles; simulation teaching; applied universities

在新工科建設(shè)背景下，應(yīng)用型高校開展工科教學(xué)更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性和綜合性。當(dāng)前通信原理課程教材大多注重課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和嚴(yán)密性，偏重模型原理介紹，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，缺少具體實(shí)物分析，部分概念較抽象。應(yīng)用型高校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱，在理解這類課程內(nèi)容時(shí)有一定難度。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受到硬件設(shè)備的制約，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少。實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠商提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書往往對(duì)實(shí)驗(yàn)基本原理和操作步驟介紹得較為詳細(xì)，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)解釋較少，造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理的理解不夠深入。因此，在教學(xué)過程中引入虛擬仿真技術(shù)來改善教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，一直是研究熱點(diǎn)[1-3]。Matlab軟件由于其在數(shù)學(xué)分析和系統(tǒng)仿真方面的優(yōu)勢(shì)，在通信領(lǐng)域的教學(xué)中應(yīng)用廣泛。通過Matlab可以將復(fù)雜抽象的數(shù)學(xué)定義轉(zhuǎn)換為圖形描述方式，利用軟件中的通信仿真模塊還可以搭建系統(tǒng)模型解釋信號(hào)傳輸過程[4-5]。電路仿真軟件Multisim中包含大量的元器件模型，在介紹調(diào)制和解調(diào)方法時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真電路，通過分析電路運(yùn)行效果解釋調(diào)制解調(diào)工作原理，能夠使教學(xué)內(nèi)容更具體[6]。然而，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用關(guān)注較多，從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程以及專業(yè)培養(yǎng)體系多方面探討仿真技術(shù)應(yīng)用的較少。此外，為了更好地展示教學(xué)內(nèi)容，可能需要多種仿真工具配合使用，而研究仿真技術(shù)綜合應(yīng)用的文獻(xiàn)也不多。本文探索在通信原理課程中進(jìn)行仿真教學(xué)的方法，通過仿真軟件將復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形象化，幫助學(xué)生從系統(tǒng)到電路多層次理解教學(xué)內(nèi)容。

1? 理論教學(xué)中仿真方案的研究

1.1? 分析關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)

課程教學(xué)中的很多知識(shí)點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)，對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行綜合分析，有利于幫助學(xué)生建立知識(shí)體系，但這些內(nèi)容可能處于多個(gè)章節(jié)中，教材對(duì)跨章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行綜合分析的較少。例如，模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制之間有很多相似之處，在模擬調(diào)制中，若調(diào)制信號(hào)為加入直流分量的余弦信號(hào)，與載波相乘可以得到AM信號(hào)；在數(shù)字調(diào)制中，二進(jìn)制單極性基帶與載波相乘可以產(chǎn)生2ASK信號(hào)。由此可知，模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制都可以采用相乘法來實(shí)現(xiàn)對(duì)載波幅度的控制。在解調(diào)方面也存在類似情況，AM信號(hào)和2ASK信號(hào)解調(diào)方式中都有相干解調(diào)，不同點(diǎn)在于AM信號(hào)經(jīng)過與載波相乘和低通濾波后，可以恢復(fù)模擬調(diào)制信號(hào)，而2ASK信號(hào)還需要通過抽樣判決才能恢復(fù)數(shù)字基帶信號(hào)。可見，數(shù)字解調(diào)和模擬解調(diào)既聯(lián)系緊密又存在一定區(qū)別。教師在講授2ASK相關(guān)內(nèi)容時(shí)，將2ASK信號(hào)和AM信號(hào)的調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)行對(duì)比，利用仿真軟件演示電路工作效果，可以幫助學(xué)生理解兩種調(diào)制方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。

由于直流分量取值對(duì)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方式有很大影響，教師在介紹調(diào)幅相關(guān)原理時(shí)，需要進(jìn)行分析說明。當(dāng)直流分量幅度大于等于調(diào)制信號(hào)幅度最大值時(shí)，已調(diào)信號(hào)包絡(luò)按照調(diào)制信號(hào)進(jìn)行變化，解調(diào)可以采用包絡(luò)檢波法。如果不滿足上述條件，已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，此時(shí)解調(diào)只能采用相干解調(diào)法。當(dāng)直流分量幅度為零時(shí)，已調(diào)信號(hào)就轉(zhuǎn)變?yōu)橐种戚d波的雙邊帶信號(hào)。教師在介紹調(diào)幅原理時(shí)，利用仿真軟件建立調(diào)幅系統(tǒng)仿真模型，通過調(diào)節(jié)模型中直流分量的幅度，演示已調(diào)波形的變化情況，與使用傳統(tǒng)的課件講解方式相比，仿真軟件能夠?qū)⒉ㄐ巫兓瘎?dòng)態(tài)展示出來，幫助學(xué)生理解直流分量對(duì)調(diào)幅的作用。

1.2? 解釋抽象的教學(xué)內(nèi)容

課程部分知識(shí)點(diǎn)采用數(shù)學(xué)公式描述不易理解，利用仿真軟件可以繪制出知識(shí)點(diǎn)的波形，將教學(xué)內(nèi)容形象化。例如，在講解單邊帶調(diào)制內(nèi)容時(shí)，設(shè)調(diào)制信號(hào)為，則調(diào)制后的單邊帶信號(hào)可以表示為，如果僅從數(shù)學(xué)表達(dá)式講解，學(xué)生難以體會(huì)單邊帶信號(hào)的具體形式。教師可以利用仿真軟件的圖形繪制功能，編寫程序繪制出單邊帶信號(hào)的波形，通過信號(hào)波形來解釋單邊帶信號(hào)的概念相比數(shù)學(xué)表達(dá)式學(xué)生會(huì)更容易理解。

在介紹通信系統(tǒng)工作原理時(shí)，教材通常使用原理框圖說明各部分的功能[7]，但原理框圖相對(duì)抽象，如果利用仿真軟件構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)模型，能夠使講解內(nèi)容更形象。Matlab軟件的圖形化建模工具Simulink中包含大量的專業(yè)模塊，可以搭建多種類型的通信系統(tǒng)模型。教師在介紹通信系統(tǒng)時(shí)，可以在原理圖的基礎(chǔ)上建立仿真模型，結(jié)合仿真效果說明系統(tǒng)功能。

1.3? 說明電路工作原理

在介紹調(diào)制解調(diào)內(nèi)容時(shí)，如果利用仿真軟件將調(diào)制解調(diào)電路工作效果展示出來，可以使講解更加具體。例如，在介紹幅度調(diào)制原理時(shí)，可以利用Multisim軟件設(shè)計(jì)AM調(diào)制電路和包絡(luò)檢波電路，通過仿真軟件演示調(diào)制和解調(diào)過程中的波形。利用仿真軟件還可以向?qū)W生解釋包絡(luò)檢波器的適用范圍，例如，設(shè)計(jì)雙邊帶信號(hào)的調(diào)制電路，觀察雙邊帶信號(hào)經(jīng)過包絡(luò)檢波后的波形，可以發(fā)現(xiàn)雙邊帶信號(hào)經(jīng)過包絡(luò)檢波輸出的波形與調(diào)制信號(hào)并不相同。圍繞仿真結(jié)果，教師可以開展課堂討論，探討雙邊帶信號(hào)不能直接使用包絡(luò)檢波器解調(diào)的原因。通過分析仿真波形可知，雙邊帶信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律不同，不能簡(jiǎn)單使用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，但采用相干解調(diào)方式可以獲得調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而引出相干解調(diào)方法。在軟件中設(shè)計(jì)相干解調(diào)仿真電路，觀察雙邊帶信號(hào)經(jīng)過相干解調(diào)后的波形，可以發(fā)現(xiàn)相干解調(diào)輸出的波形與調(diào)制信號(hào)形式一致。

2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1? 軟件仿真和硬件設(shè)備相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)課程通常采用硬件設(shè)備完成，學(xué)生按照指導(dǎo)書上的操作步驟連接實(shí)驗(yàn)?zāi)K、觀察信號(hào)波形，對(duì)系統(tǒng)電路的具體結(jié)構(gòu)關(guān)注不多。如果在教學(xué)中引入仿真設(shè)計(jì)內(nèi)容，將硬件設(shè)備和仿真軟件配合使用，可以起到較好的教學(xué)效果。教師可以將原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為兩個(gè)階段進(jìn)行，先要求學(xué)生在仿真軟件中搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，然后再動(dòng)手連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的硬件電路，測(cè)量輸出結(jié)果。通過仿真系統(tǒng)和實(shí)際電路之間的相互印證，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有更深入的理解。例如，二進(jìn)制差分相移鍵控調(diào)制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路主要包括基帶序列、差分編碼、數(shù)字鍵控幾個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，首先要求學(xué)生在Multisim軟件中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，利用仿真示波器觀察各功能模塊輸出的信號(hào)形式，然后連接硬件電路觀測(cè)實(shí)際波形。相比僅采用硬件設(shè)備的教學(xué)方案，融入仿真驗(yàn)證階段后，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容更加豐富，提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣。

2.2? 設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，綜合性實(shí)驗(yàn)較少。例如，在基帶編碼實(shí)驗(yàn)中，通過硬件設(shè)備只能觀察輸出結(jié)果，對(duì)學(xué)生理解編碼規(guī)則的理解幫助較少。若利用仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師可以將幾種基帶編碼內(nèi)容進(jìn)行綜合，要求學(xué)生在理解編碼規(guī)則的基礎(chǔ)上，使用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)AMI碼、HDB3碼、雙向碼等多種編碼。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中，需要對(duì)相關(guān)編碼的規(guī)則有清晰的理解，同時(shí)還要具備一定的編程能力，將基帶編碼過程用代碼實(shí)現(xiàn)。軟件平臺(tái)的引入使原來驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)變?yōu)槎嘀R(shí)點(diǎn)融合的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高了編碼實(shí)驗(yàn)的綜合性。

角度調(diào)制中調(diào)頻和調(diào)相聯(lián)系緊密，對(duì)調(diào)制信號(hào)先積分再調(diào)相可以產(chǎn)生調(diào)頻波，對(duì)調(diào)制信號(hào)先微分再調(diào)頻可以產(chǎn)生調(diào)相波。圍繞調(diào)頻和調(diào)相設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)較少，為了幫助學(xué)生體會(huì)調(diào)頻和調(diào)相之間的關(guān)系，教師可以利用仿真軟件開展角度調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生編寫代碼實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)相的過程，分析比較兩種調(diào)制的區(qū)別。由于Matlab包含豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)，學(xué)生可以依據(jù)兩種調(diào)制的數(shù)學(xué)定義調(diào)用軟件中的相關(guān)函數(shù)，將數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為程序代碼，最后繪制相應(yīng)波形進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3? 開展研究性實(shí)驗(yàn)

由于硬件實(shí)驗(yàn)受到設(shè)備功能的限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展性不強(qiáng)。在仿真平臺(tái)中修改信號(hào)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為容易，為開展研究性實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。例如，2FSK信號(hào)可以分解為兩路2ASK信號(hào)，基于兩種數(shù)字調(diào)制方式之間的聯(lián)系，2FSK調(diào)制電路可以在2ASK調(diào)制電路的基礎(chǔ)上修改得到。實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師提供2ASK調(diào)制電路的設(shè)計(jì)資料，提示學(xué)生根據(jù)理論教學(xué)中介紹的2ASK和2FSK之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制電路。幅度調(diào)制也可以設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，幅度調(diào)制有濾波法和相移法兩種調(diào)制模型，其中，濾波法是通過選取不同特性的濾波器來產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，因此，如何設(shè)計(jì)濾波器是值得研究的問題。教師在實(shí)驗(yàn)中提供雙邊帶信號(hào)調(diào)制電路圖，講解使用仿真軟件設(shè)計(jì)濾波器的方法，要求學(xué)生在分析雙邊帶信號(hào)頻譜特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器電路實(shí)現(xiàn)單邊帶、殘留邊帶調(diào)制。與直接提供實(shí)驗(yàn)電路的方案相比，學(xué)生需要經(jīng)過一定研究和思考才能完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，更有利于提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力。

3? 專業(yè)培養(yǎng)體系中仿真教學(xué)的作用

3.1? 為后續(xù)課程奠定知識(shí)基礎(chǔ)

在通信原理課程中應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，為數(shù)字信號(hào)處理、移動(dòng)通信、通信電子線路等后續(xù)課程建立了良好的知識(shí)基礎(chǔ)。在數(shù)字信號(hào)處理課程中，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是教學(xué)重點(diǎn)， Matlab軟件中包含了多種濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，學(xué)生利用在通信原理課程中學(xué)習(xí)的Matlab軟件知識(shí)，能夠較容易地掌握濾波器設(shè)計(jì)方法。在移動(dòng)通信課程中，仿真軟件可以用于分析信號(hào)特性、解釋系統(tǒng)功能，使教學(xué)內(nèi)容更容易理解。通信電子線路課程涉及電路分析的內(nèi)容較多，教師可以借助通信原理課程中介紹的Multisim軟件演示電路工作效果，還可以將Multisim軟件用作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]。因此，通信原理課程對(duì)仿真軟件的介紹，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)提供了有力支撐。

3.2? 提高學(xué)生的專業(yè)能力

課程中介紹的仿真軟件在通信技術(shù)、信號(hào)處理、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，學(xué)生可以結(jié)合自身興趣和專業(yè)知識(shí)利用仿真軟件開展研究，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。例如，學(xué)生在參與學(xué)科競(jìng)賽、進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，仿真軟件可以對(duì)其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路和算法模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善，從而加快研究進(jìn)度。因此，仿真軟件已經(jīng)成為未來學(xué)生開展學(xué)習(xí)和研究的重要工具，熟悉仿真軟件的使用方法，有助于提升學(xué)生的專業(yè)綜合能力。

4? 結(jié)語

在通信原理課程中引入仿真技術(shù)，對(duì)理論教學(xué)中的關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行綜合分析，建立的仿真模型能夠幫助學(xué)生理解通信系統(tǒng)各部分的作用，設(shè)計(jì)的仿真電路有利于說明電路工作的原理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)電路，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用仿真軟件還可以減少硬件設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的制約，提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性和研究性。仿真技術(shù)教學(xué)為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)建立了知識(shí)基礎(chǔ)，為提高學(xué)生的專業(yè)能力提供了支持。

基金項(xiàng)目：安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目（2019JXTD092）；皖西學(xué)院教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（WXXY2020038）。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱艷萍，卞方軍，金聰偉，等.新工科背景下通信原理課程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的探索研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2021，40（12）：126-131.

[2] 程春霞，宮錦文，高建寧.通信原理設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2019，17（3）：55-58.

[3] 田敏，鄧紅濤，鐘福如，等.《通信原理》課程實(shí)踐體系的改革與實(shí)踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012，58（S2）：191-193.

[4] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2008.

[5] 王海華.Matlab/Simulink仿真在“通信原理”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，31（3）：67-70.

[6] 唐玲.ASK調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子科學(xué)技術(shù)，2015，2（4）：486-489.

[7] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[8] 唐路，苗澎，田玲.Multisim在“通信電子線路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（5）：64-66.