虚实结合的通信原理实验教学方法研究

杨扬　程楠楠

【摘 要】本文介绍了一种虚实结合的通信原理实验教学方法，使用xilinx公司的system generator工具，在simulink环境中搭建虚拟的通信模型，完成仿真后生成可下载文件，在FPGA中运行，在实际的硬件电路上进行实验，为通信原理的实验方法提供了一条新的思路。

【关键词】虚拟实验 真实实验 通信原理

1.引言

通信原理课程是通信工程专业一门重要的专业课程，由于课程内容理论要求高，知识背景广，同时又具有很强的工程背景，需要大量的实验环节对其知识体系进行补充。良好的实验设置不仅仅需要帮助学生巩固课堂上的理论知识，培养学生的实际动手能力，同时还需要引入工程的思想引导学生解决实际通信电路的设计、分析、调试等种种问题。

本文提出了一种新的实验思路，利用xilinx公司提供的system generator工具，可以在simulink的库中搭建开发好的模块，组成通信模型，进行仿真并可以使用虚拟器进行观测。同时，可以生成HDL文件，编译后下载到FPGA中执行，运行在实际的硬件电路上。

2.虚拟实验仿真

实验的第一步是在虚拟的环境中进行，其设计是在simulink的环境下完成的，实现的方式完全和在simulink中一样，通过拖拽模块和连线，就能完成系统的搭建。学生可以自己构建多种通信系统，完成系统的设计和调试工作，通过虚拟仪器分析信号的波形和频谱，理解通信原理中的理论知识。图1是在simulink环境下搭建的一个基本的QPSK调制系统，调用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模块，整个设计过程和通用的虚拟环境基本一致，通过simulink中提供的示波器，频谱仪等模块，可以观测到整个调制的过程。

可以看出使用system generator工具所搭建的通信系统完全可以基于虚拟环境使用，丰富的虚拟设备可以让学生清晰而直观地观察信号，不受硬件设备的限制，不需担心设备损坏的问题，降低学生对实验的畏难情绪，激发学生的学习热情。

3.硬件平台设计

在学生通过自己动手完成虚拟系统的搭建，掌握了基本系统原理，观测了相关信号的波形，调试成功后，就可以直接在simulink环境中生成NGC或HDL文件，生成可下载文件，在硬件中运行。硬件平台的设计需要考虑以下几个因素：（1）必须要满足通信原理课程的要求，巩固学生的理论知识。（2）能够进行综合性及设计性实验，满足二次开发的要求。（3）便于故障排除和维护，减轻日常实验室工作强度。

基于以上的考虑，系统的硬件采用了模块化的设计方法，使用了母板+子板的设计方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA，子板设计了AD、DA、音频、放大器等常用的模块。两者通过digilent公司的PMOD接口连接。母板可以通过板子周边的PMOD接口连接DA子板，将调制好的信号转为模拟信号，由子板接口输出，通过示波器进行观测。

结论

采用虚实结合的实验方式可以结合虚拟实验和实际硬件实验的优势，虚拟实验的方式实验形式灵活，虚拟模块和设备齐全，实验成本低，效率高，便于学生理解通信系统的基本原理。而实际硬件上的实验能让学生切实地感受真实的电路、元件、测量仪器，真正地提高学生的实际动手能力。因此，让学生首先在虚拟环境中自己动手搭建系统，掌握了基本的原理之后，在通过system generator提供的工具直接生成可下载文件在硬件电路中运行，在真实的电路板上调试，使用真实的仪器进行观测，给予学生直观的认识。通过这样既加强了学生对基本原理的理解，有培养了学生的实际动手能力，使之成为既具有扎实的理论基础，又有很强动手能力的创新型人才。

【参考文献】

[1]李升源，刘宏，周克良等. 电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[J]. 实验技术与管理，2010，27 （4）.

[2]梁仕文， 邓洪波，梁志明等. 基于FPGA的通信原理实验平台研制与应用[J].2013，16（3）.

[3]卢敏. “无线通信原理”课程实验环节设计[J]. 电气电子教学学报，2011，33 （5）.endprint