基于半实物仿真的“通信理论与技术”实验

魏建军， 刘乃安， 陈付龙， 李晓辉， 韦 娟

(1. 西安电子科技大学 通信工程学院， 陕西 西安710071; 2. 安徽师范大学 数学计算机科学学院， 安徽 芜湖 241003)

0 引言

“通信理论与技术”是通信工程专业学生的专业主干课程之一。该课程理论性强，数学公式推导多，比较抽象，学生的学习难度较大。在以往的课程教学中，其知识传授只是停留在公式推导以及理论基础上，并未落实到实际的通信系统中。

实验教学是“通信理论与技术”课程教学中的一个重要的环节，学生在这一环节里加深对理论的理解和掌握，熟悉实际的通信系统的结构、组成、各模块之间的关系和连接。学生从测试端观测到各环节的信号，进一步直观地理解通信系统、原理及各环节，同时了解到实际系统是以原理为基础，但又有所不同。

高等学校的“通信理论与技术”实验课却不尽如人意，没能跟上市场前进的步伐，培养的学生不能满足用人单位的期望。总体来说，存在以下几方面问题，①实验学时不够，普遍情况是学生规模大于实验室所能提供的资源，而且开展的实验数目少，不能覆盖通信理论与技术的内容。②硬件实验通常采用实验箱来完成实验，以验证性实验为主。实验过程往往是动手多、动脑少，学生只知某个模块的功能而不知这个功能是怎样实现的，同时实验项目固定，学生只能够观察实验箱上提供的实验。模块参数很少可以设置，造成很多实验现象观察不到。③软件实验依靠仿真模拟测试通信系统模型，采用简化的信道模型来粗略地模仿现实世界的情况，然而这种模型很难准确地描绘所有的现实条件，也难以获悉采用某种模型的可行性。在仿真设计中采用的都是模型，理解仅停留在模型表面，缺乏对模型具体电路的认识和设计，而且复杂的通信系统很难准确建模[1～3]。

选修“通信理论与技术”实验课的学生通常规模大，但是实验室能提供的场地受限，所开设的硬件实验由于硬件自身的特点灵活性差，不利于培养学生的创造性能力，软件仿真与客观环境差别较大，不能反映真实工程。另外，实验时间和地点固定，学生不能根据自己的学习进度安排实验时间。这些问题极大地限制了实验课教学目标的实现，因此必须对现有的实验模式进行适应性改革。

1 基于半实物的虚拟仿真技术

虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、数字信号处理技术结合，把厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义的方式。用户可根据测试的需要，自己设计所需要的仪器系统，利用一种或多种功能的通用模块，调用不同功能的软件模块，组成不同的仪器功能。在虚拟仪器中，除了仪器的输入、输出、数据处理分析、结果显示由计算机完成外，还可组成计算机网络。计算机网络技术、总线技术的发展，乃至Internet网的发展拓展了虚拟仪器测试系统的应用范围。利用网络技术将分散在不同地理位置的计算机联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络内得以共享，减少了设备重复投资。这使数据采集、传输、处理分析成为一体，容易实现实时采集、实时监测。

目前“通信理论与技术”的课程与教材上都是以方块图的方式来表示通信系统各组成部分的功能，如振荡器、滤波器、加法器、乘法器等。在基于半实物的虚拟仿真系统里，这些方块图都是以一个个实物模块和对应的数学表达式完成。整个通信系统，就是由方块图所对应的插入式模块及数学方程式来完成。这些模块按照“通信理论与技术”教学中的原理框图完成某种信号处理功能，如乘法器、加法器、低通滤波器、放大器、压控振荡器等；另有一些则用于产生信号，如正弦波、方波、随机序列等。模块根据实验需要而插入机架的任一插槽内，系统机架对于所插入的各模块仅提供直流电源。实验系统对模块的输入输出接口设定了标准，方便组合。各模块的输入输出端均安置在模块的前面板上，用连接线连接，每一模块都可用于任何实验。模块上的控制旋钮是没有刻度记号，避免学生使用“对照”途径来建立实验，而是让学生必须依据实际的测量变量，来确认理论的计算值。每个模块都有多个旋钮和开关：学生利用这些开关改变参数，如频率、相位、振幅或时间，通过调整这些参数使实验结果与相关理论及数学计算联系起来。所有远程通信编码和调制电路都能够用模块组合模拟，基于半实物的虚拟仿真系统是一个真正的数学模型系统，能够通过真实的电信号实现具体的数学方程，而不是通过电脑程序和数值解法进行仿真模拟。与“现实世界的实验”唯一区别就是能够减少传送信号和取样频率，使学生更容易观看和理解他们正在研究的信号[4]。

基于半实物的虚拟仿真系统以远程通信方框图为依据，通过组合功能性砌块，使教科书里的方框图变得具体，让学生动手做，而获得实质的学术知识。基于半实物的虚拟仿真系统提供一个开放的教学系统，教师可以验证任何的模拟、数字调制或编码技术。在基于半实物的虚拟仿真系统的环境里，可同时做传统电子电路的特性与数字信号处理技术的比较，系统完全自给自足，唯一的额外设备是一台示波器而已[5]。基于半实物的虚拟仿真系统系统具有很强的扩充性，模块在教学上都可供教师做很多的变化和扩充，将会涵括所有最新的通信理论。另外，学生也可以在系统环境里设计自己的模块，通过实验掌握自己所要钻研的通信领域里的知识点，并以此作为研究方向。

2 网络化的半实物的虚拟仿真

基于半实物的虚拟仿真技术的网络系统以原系统为主体，能架构成一个网络化的实验室。教师可从主系统传送三组通信信号至每位学生的客户端上，系统允许学生“在一定距离内”完成真正的硬件实验。网络系统保留原方框图法，利用真正的硬件模块，实现远程通信相关原理及公式。网络实验的功能等同标准实验，实验控制操作均与标准系统相同：学生可改变参数，如频率、相位、振幅及时间，使实验结果与相关理论及数学计算关联起来。标准系统与网络关键区别在于网络每个模块上的多个旋钮及开关均可通过用户电脑荧幕上的图形显示调整。值得注意的是，使用网络时，学生实际上是操作真实的硬件和观看真实的电信号。他们可运用显示于浏览器的实验操作面板，通过局域网或互联网控制实验，可设置在实验室里的网络系统和实验器材，电脑界面同样可显示于学生家里或其他实验室的浏览器中。客户端界面不论外观或操作，都与实际的系统非常接近，尽可能使用户保留真实操控实验的感觉，系统结构如图1所示[6]。

无论何时在计算机界面上选择或改变一个控制旋钮、开关或示波器导线，实验的所有即时设置都会从用户客户端应用程序发送到服务器。然后用户实验设置会即时加载到已连接服务器的系统设备中的模块上，与用户客户端计算机界面上的设置完全一致。服务器里的数字示波器对所选信号进行处理，然后把这些数据发回用户客户端，客户端在虚拟示波器的荧幕上显示该数据。

与传统的硬件实验相比，基于半实物的虚拟实验灵活多变，能提供丰富的设备，弥补了硬件实验无法进行设备选择、参数设置和频谱分析的不足，能更好地培养学生的设计能力、分析能力和创新能力。虚拟实验受硬件设备的限制少，实验设备损坏的问题从根本上得到解决，实验项目能及时根据教学需要进行更新，使实验教学与理论教学结合得更紧密。

3 模式改革实践

我校“通信理论与技术”实验课程模式的改革经过前期调研、借鉴兄弟院校开展同类课程实验的情况和改进措施，在实验室现有资源设备和环境的基础上，利用基于半实物的虚拟仿真技术开展相关的实验工作。

采用澳大利亚依摩纳公司的net*TIMS系统按照“通信理论与技术”课程教学大纲的要求安排实验，本次实践共进行了八组实验，学生在实验室局域网内通过客户端访问服务器操作实验设备。共有58名学生参与这一项目，同时使用3台服务器时，学生随机选择服务器，独立开展实验，实践结果表明数据分析速度快，测量结果响应及时，与单独使用单机版TIMS系统几乎没有差别。经过一学期的实践后，对这批学生进行考核，58名学生中15名学生的实验结果为优秀，优秀率达到26%，这种实验模式给学生最大的灵活性，充分发挥学生能动性，调动了学生做实验的兴趣和积极性。学生不仅很好的掌握了通信知识，而且还增强了动手能力，感受到学习的乐趣。该班所有的学生都感觉到自己的动手能力大大加强，自主学习热情高涨。

4 结语

通过利用net*TIMS开展“通信理论与技术”基于半实物仿真的实验教学，可以解决实验资源紧张的情况，学生可以灵活选择实验时间，按照自己的兴趣选择实验内容，发挥了他们的主观能动性，并有助于学生创新能力的培养。实践表明：这次教学模式改革在很大程度上使学生的认识能力、实践能力和应用能力得到了全面的培养和提高，培养了学生正确的思维方法和综合设计分析能力，完全达到了实验教学改革的目的。同时，为其他课程实验的改革提供了一个良好的参考。

图1 基于半实物的虚拟仿真网络系统结构