“通信原理”虚实结合的教学方法探索

杨冠男

摘要：针对当前通信原理实验教学中硬件存在的缺陷和不足，提出一种基于LabVIEW软件仿真平台设计与硬件实验系统想结合的新型教学方法。通过多方位的实验教学模式，增强学生对理论知识的理解能力，提高学生自我探索分析解决问题的能力，提升教学水平及教学质量，节约了实验成本，可灵活的设计实验课题，扩展了现有的硬件实验设备的限制。

关键词：通信原理；LabVIEW；实验教学

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）08-0148-02

1通信原理课程现状及改革思路

《通信原理》是电子信息类专业主干基础课，更是通信工程专业的核心课程，是移动通信、光纤通信、数据通信等后继专业课程的基础。该课程理论环节主要讲述信号传输的基本理论、方法和性能，结合实际的有线与无线通信系统的工作原理，使学生系统地了解和掌握现代通信的基础理论和设计思想，课堂教学理论化较强。实验环节目前大部分学校是通过硬件实验箱完成有限的指定实验内容，知识点独立、实验内容单一、理论和实验匹配度不高，实验箱学生可控范围较小，大部分实验设备仅是简单的搭建、显示、分析，学生的自我设计和实现环节较为薄弱。

基于以上理论及实验课程出现的弊端，提出一种新型的教学方法，即将软件仿真平台与硬件实验系统相结合。将仿真设计贯穿整个教学过程，在理论课程中，应用软件Lab VIEW仿真动态显示，使抽象的理论知识更为生动形象、简单直观，丰富理论教学环节，调动学生积极性，提高理论教学质量。实验环节中，根据理论课程可先通过软件仿真平台灵活设计相关的实验内容，避免现课程中实验与理论脱节及硬件限制的弊端。在实验中学生先通过软件设计实现，验证相关的理论过程，并可自行的设计测试用例分析预测实验结果，增强学生对知识点的深入理解和运用。在此基础上付诸于硬件实现，这个过程可以基于硬件实验箱或者FPGA完成，切实提升学生理论分析、自我设计解决问题的能力，虚实有机结合在一起，充分发挥各自的优点，全方位的提高通信原理课程的教学质量。

2基于LabVIEW实现虚实结合的教学方法

2.1LabVIEW的简介

Lab VIEW（Laboratory Virtual Instrumentation EngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台，目前可支持Windows，UNIX，Linux，Mac OS等操作系统。是一种图形化的编程语言的开发环境，广泛地应用在工业界、学术界和研究实验室等。它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，其图形化的界面使得编程及使用过程更为生动有趣。

采用模块化程序设计语言，软件形式灵活，易于理解，能充分反映通信系统的每一步实现，各点波形和参数生动形象，特别适合通信系统的设计、项目开发与应用，并且具有良好的平台一致性，用于教学及实验环节中，可提升学生的实践的能力。

2.2基于LabVIEW的虚拟仿真示例

本示例通过labview实现模拟线性调制AM、DSB、SSB三种方式的调制与解调，三种调制方式对应的已调信号的频谱分别是带有载波的双边带信号、抑制载波的双边带信号以及仅有单边带信号，三种调制方法实质是改进递进的过程。三种方式相比而言，SSB具有较高的功率利用率及频带利用率。在实现的过程中三种方式的调制解调方法类似，有着通用的实现过程，所以在模拟实现时采用选择结构。

根据三种调制方法的基本原理，在AM中将调制信号m（t）通过加法器叠加上一直流分量A，利用乘法器改变载波的幅度参数，已调信号频谱有载波和两个边带信号，其时域表达式如下：

SAM（t）=（m（t）+A₀）cosω_ct （1）

其中：m（t）——调制信号；A₀——直流分量；ω_c——载波的角频率。

在DSB中，直接用调制信号m（t）通过乘法器改变载波的幅度参数，已调信号频谱是抑制载波的双边带信号，其时域表达式如下：

S_DSB（t）=m（t）cosω_ct （2）

SSB的实现在DSB的基础上加上特定的滤波器，得到相应边带信号（上或下边带），在频谱上仅有一个边带，频带利用率相对前两种较高。

LabVIEW程序由前面板程序和框图程序两部分组成。其中前面板类似于虚拟仪器的操作面板，显示输入输出等相关的实验结果；框图程序就是此虚拟仪器内部的功能电路，运用图形化的语言进行编辑，利用LabVIEW实现以上三种调制方式相应调制解调波形、频谱显示。其设计思路：为了方便使用，使用选择结构进行设计，集合三种调制方式。首先完成前面板设计，前面板中分别包括了载波、调制信号以及已调信号和解调后信号的时域和频域的显示，期中载波、调制信号分别通过旋钮控制其信号的幅度和频率，以及AM调制中直流信号大小的控制。

其次，虚拟仪器电路的设计即框图程序的设计，同时为了可以简洁方便的展示出三种不同的调制波形，选用了条件结构语句来进行设计，条件语句结构拥有单个或多个子程序，在结构执行开始时，仅有一个子程序或着分支程序在执行。选择结构边框，就可添加删除分支程序。也可以用标签工具来输入条件选择器标签的值，并分配每个分支程序处理的值。

在条件结构中设置布尔变量，0，1，2分别代表AM调制，SSB调制，DSB，调制。并通过列表选择来切换三种不同的调制方式。以期中AM的实现为例，其程序框图如下：

图5调制信号得到已调信号如下：

其频谱图如下：从频谱图上可看出，频谱中心频率100hz，带宽20hz。与理论值完全吻合，AM中心频率为载波频率100hz，带宽为调制信号带宽的两倍。

解调信号如下图，可见幅度为IV，频率为10hz，由于叠加的直流分量为2V，所以此解调的波形在原来调制信息的基础上向上搬移了2V，可通过隔直，去掉此直流分量。

以上结果完全与理论吻合，通过此设计建模和仿真实现，巩固了学生对知识透彻理解的同时，加深了对通信系统仿真和关键技术的了解，并可以创造性地开展针对性的系统实验，有利于学生创新性思维的培养，提高学生的动手实践能力。同时也便于学生从仿真和实际试验的不同角度充分理解和分析试验现象，为后续工程实际打下基础。

3总结

教学实践证明LabView仿真工具在《通信原理》课程的中应用广受好评，具有较强的实际意义和可操控性。在理论教学环节中丰富多媒体教学的同时将枯燥的理论知识直观化、形象化，更易于学生接受和理解。在实验教学环节中，结合硬件使用此仿真工具，实现虚实结合，不但使有利于学生充分深入理解课程內容，同时补充传统电路实验覆盖内容的不足和限制，将验证性实验转化为设计型实验，提高学生对实验的可控程度和范围，有益于学生设计、分析、创新等多方面能力的培养。应用虚实结合将会进一步改善教学效果和提高教学质量。