“虚实结合”的“通信原理与实践”实验教学研究
2019-03-06戴桂平
戴桂平
(苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)
1 “虚实结合”的课程实验教学思路
在通信技术迅猛发展的信息时代，人才竞争更加激烈，“通信原理与实践”成为高职院校通信技术与电子信息类专业的一门至关重要的职业技能课程。该课程以当前广泛应用的通信系统和不断发展的新技术为背景，以各种调制技术的分析作为主线[1]，深入阐述现代通信系统基本原理、技术以及系统性能分析方法，起着承前启后的作用，具有概念抽象、理论性强、知识体系繁杂与实践紧密结合等特点。高职学生数学功底和理论基础普遍比较薄弱、主动学习能力较差、喜动手不擅长理论，因而实验教学在该课程的教学实践中显得尤为重要。
目前，各大院校的通信原理实验大多以硬件实验箱结合示波器来实现的，苏州市职业大学通信技术专业通过校企共建，与湖北众友科技有限公司联合开发了“ZY11801G型现代通信技术创新实验系统”，该系统采用“DSP+FPGA”开发平台以及嵌入式模块化设计，可实现数字基带/频带传输、数字程控交换以及CDMA移动通信等技术的实验教学，学生根据通信系统原理积木式选配所需的模块，并借助示波器可以直观地观测到各测试点的时域波形。由于实验箱的硬件电路是固化在内部的，所以学生只能通过简单的硬件连线和示波器调试观测到有限的波形和数据，并不了解系统内部的具体电路构成和参数设置，导致学生“知其然，而不知其所以然”。另外，基于硬件平台的实验教学资源难以做到全天候地面向学生开放，且实验设备的升级、扩展以及后续的维护成本较高。
基于Matlab/Simulink、System View以及Labview等软件的仿真技术在“通信原理与实践”课程的教学中得到了广泛的应用。其中，由美国ELANIX公司开发的用于动态系统设计、仿真和分析的可视化软件System View以其良好的交互界面、强大的信号分析和计算窗口、形式多样的库文件而广受欢迎[2]。学生可以利用System View仿真软件对典型的通信系统进行建模，并依据系统的工作原理对搭建的仿真模型合理地设置参数[3]，通过仿真后分析窗的波形展示各模块的工作原理、设计思路以及具体运行过程，并能根据仿真结果进行理论分析以及对系统的性能进行评价。因此，在实验教学和课堂演示过程中合理地引入System View仿真平台，有利于巩固和加深学生对通信系统原理的理解，促进理论和应用的紧密结合，弥补硬件实验箱电路固定、参数无法设置、观测点单一等不足。利用System View软件学生可以不受硬件设备损坏等限制，独立自主地构建通信系统，通过观测系统中任意各点的波形和频谱，更好地激发学生独立思考和自主学习的热情。System View虚拟仿真不受时间和空间的限制，学生只需在计算机上安装System View软件，便可以随时随地、自主地开展实验，拓展了教学时空，创设了直观生动的教学情境，从而增强学生的系统设计、分析、编程以及调试能力。
鉴于虚拟仿真和ZY11801G硬件平台各自的特点，结合苏州市职业大学通信技术专业的实际情况，合理应用校内现有的实践教学资源包括：ZY11801G型现代通信技术创新实验系统以及配套的实验指导书、通信系统仿真软件(Matlab/Simulink、System View)以及自编配套的“通信系统建模与仿真实例教程”教材，提出“虚实结合”的多层次“通信技术与实践”课程实验教学体系，构建一套以ZY11801G创新实验系统、Matlab/Simulink、System View仿真软件为媒体的覆盖基础验证性、综合设计性以及创新性实验的开放式教学平台，从而培养学生的基本、综合、创新实践能力。
2 “虚实结合”的课程实验项目设计
实验项目设计是苏州市职业大学“通信原理与实践”课程改革的核心之一，依据学校通信技术专业的人才培养需求和本课程的教学目标，在“ZY11801G型现代通信技术创新实验系统”硬件平台的基础上，引入Matlab/Simulink以及System View仿真软件[4]，并结合自编开发的“通信系统建模与仿真实例教程”教材，构建虚拟仿真与ZY11801G硬件平台有机结合的从验证性→综合设计→创新性层层递进的实验教学项目。
其中，验证性项目仅以ZY11801G创新实验系统和示波器为平台，进行简单的硬件电路连线和示波器调测，主要包括信号源、信道与眼图、码型变换、抽样定理与脉冲幅度调制、同步载波提取、位同上步信号提取等实验，通过对示波器输出波形的观察和分析，对“通信技术与实践”课程中相关理论的正确性进行验证，从而巩固和加深学生对相关理论知识的理解。
综合设计项目是将Matlab/Simulink、System View虚拟仿真与ZY11801G硬件平台相结合。主要包括模拟通信系统中AM、DSB、SSB调幅与解调，数字频带传输系统中2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK调制与解调，模拟信号数字化传输中脉冲编码调制与解调(PCM)，连续可变斜率增量调制与解调，同步与差错控制编码中汉明码、循环码以及卷积、码编译码等实验[4]。学生可以利用Matlab/Simulink、System View等软件搭建通信系统的仿真模型并进行合理的参数设置，通过仿真后的时域波形以及频谱图展示各模块的基本原理、传输流程等，并与ZY11801G硬件平台中示波器输出的波形作比较，检验仿真模型以及参数设置是否合理、硬件电路连线是否出错等，从而虚拟仿真和硬件测试相辅相成、并行开展，加强了学生系统思维方法和综合集成能力的培养。
创新性项目是学生通过查阅资料、设计方案，并利用Matlab/Simulink、System View虚拟仿真以及ZY11801G型创新实验箱、EDA、DSP等开发系统进行课题的系统选型、设计、仿真和硬件测试，主要包括GPRS短信收发、CDMA移动通信、无线多信道传输、无线跳频传输等实验，从而加强了高职学生的实践创新、团队协作以及系统构建、调控的能力。
3 基于Matlab/Simulink以及System View的虚拟仿真流程
基于Matlab/Simulink以及System View软件进行通信系统虚拟仿真流程如图1所示，学生根据实验的目的和要求，在教师的引导和启发下，独立自主地设计和论证通信系统的实验方案和系统模型，并利用Matlab/Simulink以及System View构建该系统的电路原理图，合理设置各模块的参数，通过仿真形象地展示各模块输出的时域波形、功率谱或眼图，使抽象的理论知识讲解与直观的实验现象展示紧密结合。随后学生利用理论知识对仿真结果进行分析与归纳，并通过不断地调整模块参数，修改、调试和完善电路原理图，直至达到设计要求，从而完成对知识的主动构建。利用Matlab/Simulink以及System View动态仿真的优势在于课堂教学中可以边讲解理论知识，边进行仿真实例演示，有针对性地展示各系统模块的基本功能，做到理论与实践并行开展，从而激发了学生的求知欲望，促进了学生对理论知识的理解。
图1 基于Matlab/Simulink以及System View软件进行通信系统虚拟仿真流程
4 “虚实结合”的“通信原理与实践”实验示例实践
以综合设计项目中典型的数字频带传输系统2FSK(二进制频移键控)调制与解调为例，说明苏州市职业大学在“通信技术与实践”实验教学改革中采用基于虚拟仿真与ZY11801G型创新实验系统相结合的实践流程，通过虚拟仿真和硬件测试相辅相成、并行开展，在近两年的课程教学中取得了较好的实验教学效果。
4.1 基于System View的2FSK调制与解调虚拟仿真
4.1.1 设计实验方案，建立系统原理图
依据以上虚拟仿真流程，首先分析2FSK调制与解调系统的工作原理，设计实验方案和系统电路原理图。由于System View具有丰富的仿真图符块，学生可以自行选择不同的调制与解调方法建立系统模型。调制端可以采用模拟调频法或数字键控法，解调端可以采用相干解调、包络检波、过零检测法等[5-6]。图2为2FSK数字键控法调制与相干解调系统原理图，其中调制端输入载频分别为f1和f2的正弦载波，单刀双掷开关受输入二进制数字基带信号的控制，若输入为“0”码元，则选通载频为f1的载波；若输入为“1”码元，则选通载频为f2的载波。解调端2FSK已调信号，首先，通过两个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器(BPF)，将2FSK分离成上下两路2ASK；其次，采用相干解调法提取各自的基带信号v1和v2；最后，通过抽样判决器恢复数字基带信号。
4.1.2 建立System View仿真模型，设置模块参数与仿真
如图2所示，在System View模块库中选择对应的图符块并设置合理的参数，通过连线构建如图3所示的System View仿真模型，其中token0为码速率Rate=10 Hz的单极性二进制基带信源；token1、token14产生载频f1=100 Hz的载波及相干载波；token2、token15产生载频f2=150 Hz的载波及相干载波；token24为单刀双掷开关(SPDT)，依据“0”或“1”码元对应选通载频f1=100 Hz或f2=150 Hz的正弦载波；token5为中心频率f1=100 Hz、Low Cuttoff=80 Hz、Hi Cuttoff=120 Hz的BPF1，token6为中心频率f2=150 Hz、Low Cuttoff=130 Hz、Hi Cuttoff=170 Hz的BPF2，用于提取载频为f1和f2的两路2ASK，BPF中心频率与带宽参数的设置与图4所示的仿真后2FSK已调信号频谱图相一致；token9、token10为Low Cuttoff=50 Hz的模拟低通滤波器(LPF)，滤除二倍频提取2ASK的基带信号v1和v2；token18为抽样判决器，当v1
图2 2FSK数字键控法调制与相干解调系统原理图
图3 基于System View的2FSK数字键控法调制与相干解调仿真模型
图4 2FSK已调信号频谱图
图5 基于System View的2FSK数字键控法调制与相干解调仿真波形
4.1.3 仿真结果分析
图5中Sink8为单极性二进制数字基带信源s(t)；Sink16、17分别为上下支路相干解调中低通滤波器的输出波形；Sink7为抽样判决器判决后的恢复码元。由于调制时Sink8中“1”代码对应载频为f2＝150 Hz的下支路，所以“1”代码的码元宽度内，下支路相干解调低通滤波器的输出波形Sink17对应高电平。反之，由于“0”代码对应载频为f1＝100 Hz的上支路，所以Sink8中“0”的码元宽度内，上支路Sink16输出为高电平，仿真结果与2FSK调制与解调工作原理相吻合。另外，分析信源Sink8与2FSK相干解调后恢复的码元Sink7之间传输的失真情况，由图4 Sink7与Sink8比较可知，除了起始时刻因为延时造成的码元失真外，后面码元传输无失真，从而实现了数字通信的可靠性传输。
4.2 基于ZY11801G型创新实验系统的2FSK调制与解调硬件测试
“ZY11801G型现代通信技术创新实验系统”是由湖北众友科技有限公司专为“通信技术与实践”课程研制开发的，实验箱采用“DSP+FPGA”开发平台以及嵌入式模块化设计，不仅可以完成大量验证性实验，还可以进行诸如C8051F系列单片机、MAX3000A系列CPLD、TMS54XX系列DSP以及LPC2000系列ARM7等二次开发和创新性实验。
2FSK调制与解调实验选用信号源模块和数字调制与数字解调模块，其中信号源模块提供码速率为96 kbit/s的NRZ二进制数字基带信号和载频f1=192 kHz、f2=384 kHz正弦载波，对应数字调制模块中“NRZ输入”“载波2输入”“载波1输入”插孔相连；数字调制模块中“键控调制类型选择”拨码开关设置成“1010”，调制方式选择“数字键控法调制”，采用模拟开关作为正弦载波f1、f2的输出通/断控制门，以“NRZ输入”为内触发源，示波器双踪观测“NRZ输入”和“调制输出”测试点波形。如图6(a)所示，NRZ码为“1”的一个码元对应正弦载波的4个周期，而“0”的一个码元对应正弦载波的2个周期。
图6 基于ZY11801G型实验箱的2FSK调制与过零检测解调各测试点示波器显示波形
数字解调模块采用过零检测法，其原理框图如图6(b)所示，2FSK调制输出从“调制输入”测试点送入可重触发单稳态触发器中，“单稳1”和“单稳2”触发器分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，即单稳态触发器分别检测出“调制输出”的0相位和π相位。图6(c)中“单稳输出1”对应2FSK“调制输出”中所有0相位处有一个正的尖脉冲。图6(d)中“单稳输出2”对应“调制输出”中所有π相位处有一个负的尖脉冲。“单稳1”和“单稳2”两波形相加，得到如图6(e)所示的“过零检测”，即2FSK“调制输出”中全部的过零点处对应有一个尖脉冲。“过零检测”信号经二阶低通滤波器滤除高频分量，得到如图6(f)所示的“滤波输出”。“滤波输出”再经电压比较器判决，得到如图6(g)所示的“判压输出”，其中判决电压电平可通过“FSK判决电压调节”旋转电位器来调节。最后，“判压输出”信号经位同步抽样判决，得到“解调输出”信号，由图6(h)可知，信源输入的NRZ码元经过2FSK数字键控法调制和过零检测法解调后，除了起始时刻因为延时造成的码元失真外，后面码元一致，传输无失真。由此可知，基于ZY11801G型创新实验系统的硬件实验可以借助示波器直观地观测到各测试点的时域波形。
5 结论
随着苏州区域通信产业的转型升级以及产业规模的急剧扩大，传统的基于硬件实验箱的“通信原理与实践”实验教学模式难以适应当今通信行业对高素质技能型人才的需求。本研究依据苏州市职业大学通信技术专业的人才培养需求和本课程的教学目标，在“ZY11801G型现代通信技术创新实验系统”硬件平台的基础上，引入Matlab/Simulink以及System View通信系统仿真软件，并结合自编开发配套的“通信系统建模与仿真实例教程”教材，提出了“虚实结合”的多层次“通信原理与实践”课程实验教学体系，构建一套以ZY11801G创新实验系统、Matlab/Simulink、System View仿真软件为媒体的覆盖基础验证性、综合设计性以及创新性实验的开放式教学平台，并以综合设计项目中典型的数字频带传输系统2FSK调制与解调为例，说明苏州市职业大学在“通信原理与实践”实验教学改革中采用基于虚拟仿真与ZY11801G型创新实验系统相结合的实践流程。该流程在课程教学中的应用，激发了学生的求知欲望，巩固和加深了学生对通信系统原理的理解，促进了理论和应用的紧密结合，取得了很好的教学效果，从而培养了学生的基本、综合以及创新实践能力。
