基于虚拟仿真技术的通信原理实验教学改革研究

摘 要：针对通信原理硬件实验箱的不足，文章以一个完整的AM调制解调系统的虚拟实验为例，指出在通信原理实验教学中引入虚拟实验，不但能有效弥补硬件实验的不足，有助于学生理解和掌握各种通信系统的组成原理;同时，更能加强学生的综合分析设计能力和自主创新学习能力。另一方面，利用虚拟实验辅助理论教学，使得理论课程讲解更直观生动，极大地提高了教学效果。

关键词：通信原理;实验教学;虚拟仿真;AM调制解调系统;SystemView

中图分类号：G434       文献标志码：A          文章编号：1673-8454（2019）08-0094-03

一、引言

《通信原理》课程是通信工程、电子信息工程专业重要的专业基础课程，课程的主要内容是讲解各种通信系统的组成原理，分析信号和噪声通过通信系统的波形和频谱，以及评估通信系统的性能。其中，实验和课程设计通过构建通信系统，观察信号和噪声通过通信系统各个组成部分的波形和頻谱，使学生对各个通信系统的组成原理，以及信号和噪声在系统中的传输有最直观的感受，是帮助学生更好地掌握专业理论基础课程，提高学生的动手能力、综合分析能力的有效手段。目前，我校以及大部分高校的通信原理实验课程以硬件实验为主。这类实验在通信原理实验箱上通过连线搭建通信系统，再通过示波器观测信号通过系统的各点波形。这类实验一般为验证性的实验，对于仅需观测简单波形的实验能够得到较好的效果（如AM、ASK、PAM等），但不能用于观测高频复杂波形的实验（如PCM 编码）或信号频谱的实验（如AM实验中频谱搬移的验证）。另外，这类实验元器件已固化在实验箱上，因此无法进行系统设计分析类实验。同时，硬件实验受到实验箱的限制，实验项目的更新比较困难。而随着实验箱使用时间的增加，实验设备出现问题的频率加大，这些都限制了硬件实验在通信原理实验课程中的使用[1，2]。

通信原理虚拟实验通过利用各种电子电路仿真软件，如SytemView、Matlab等，构建一个仿真通信系统，并利用软件提供的各种分析工具，对信号在通信系统中的传输进行分析。与传统的硬件实验相比，虚拟实验具有以下优点：①不受硬件设备的限制，从而使实验项目能及时根据教学需要进行更新，并且不存在设备损坏的问题;②提供强大的分析工具，使学生能方便地进行各种波形和频谱的分析比较;③完全由学生自主构建通信仿真系统，包括设备的选择和参数的设定，能更好地培养学生的系统分析设计能力[1，2]。

本着“技术设计为教学设计服务”的原则，我们对通信原理实验课程进行改革，在硬件实验项目的基础上增加对应的虚拟实验项目。本文介绍了一个完整的基于SystemView的虚拟实验项目的设计。教学结果表明，这种虚拟实验能帮助学生更深刻地理解通信系统的构成和信号传输过程中的变化，同时能更好地提高学生系统分析设计能力。

二、基于SystemView的通信系统仿真

SystemView主要用于电路与通信系统的设计、仿真和分析，在它的图标库中提供了大量的信号源、接收端、功能块、算子图符和函数库，学生只需用鼠标从SystemView 库中选择需要的图符（元件）并将其拖到设计窗口中连接起来，就能构成各种系统;而SystemView强大的分析工具能够方便地进行各种波形和频谱分析[3，4]。这些都使得学生只要知道系统的组成原理，就能快速上手完成相关的实验设计和分析。

与另一种常用的通信仿真软件Matlab 相比，SystemView 的最大特点是软件仿真与硬件实现的对应关系非常密切，系统的构建和分析非常直观、简单[5-7]。Matlab 仿真则需要编程，从程序上很难看出系统的原理，如果采用Simulink 的模块化仿真，其参数设置比较复杂，而且模块的S函数不可见，很难理解具体参数的含义[5-7]。因此，在《通信原理》课程中，我们选择SystemView仿真软件进行通信原理虚拟实验，完成通信仿真系统的构建与分析。

三、基于SystemView的通信原理虚拟实验项目设计

基于SystemView的虚拟实验以学生为主体，由学生自主设计和分析，教师只进行简单的实验说明，并在实验过程中进行必要的引导。我们以AM调制解调系统的虚拟实验项目的设计为例，给出一个完整的虚拟实验教学过程。虚拟实验过程分为设计、构建和分析三个阶段。

1.AM调制解调系统的设计与构建

由实验教师进行实验说明，引导学生根据教材画出AM调制解调系统的组成原理框图，其中解调方法可以由学生自主选择相干解调或包络解调。对于能力较强的学生，可以鼓励他们完成两种解调方法。图1给出了包含两种解调方法的AM系统组成原理框图[1]。

学生从图标库中选择相应模块的图符组建通信系统，并设置观察点，然后设置系统定时参数以及各设备模块的参数。在这个过程中，要注意引导学生的自主学习能力和综合设计能力，参数的设计只讲解设置原则，而具体设置由学生自主完成。最终形成图2的AM调制解调仿真系统。

2.信号分析

引导学生使用分析窗口，对通过观察点的信号的波形和频谱进行比较分析。例如，图3给出了AM信号的波形，其波形与在硬件实验中测得的波形相同，但更加清晰。图4比较了观察点3、5、6的频谱，即基带信号、AM信号和载波信号的频谱。图4表明通过Systemview的分析窗口，学生能观察到硬件实验中所不能观察到的信号频谱。同时学生可以使用该工具方便地将信号在各个观察点的频谱或波形叠加在一个图中显示，使得信号在通过通信系统各个模块后的频谱变化更直观，从而有助于加深对通信系统组成和信号在通信系统中的传输的理解。例如，图4给出了基带信号、AM信号和载波信号的频谱比较，它让学生直观地看到在理论课程中反复强调的AM信号的特点：“AM信号的频谱是将基带信号的频谱搬移到载波频率处”“AM信号存在直流分量，其频率为载波频率”[8]。

通过对AM调制解调系统的虚拟实验完整的介绍，我们可以看到基于Systemview的虚拟实验不但能完整、准确、快速地达到相应硬件实验的实验要求和实验目的，同时还能完成硬件实验所不能完成的频谱分析。

四、虚拟实验在教学中的应用

1.实验课程中运用虚拟实验弥补硬件实验的不足

信号在通信系统传输过程中的波形和频谱变化都是《通信原理》课程教学的重点和难点。但本科教学实验室中所配置的低端示波器一般很难进行有效的频谱分析。使用SystemView的分析工具，学生在虚拟实验中能方便有效地进行各种频谱分析。同时，虚拟实验不受实验室硬件设备固定的限制，因此更具有灵活性，能实现某些硬件实验不能做到的事情。例如，在上述AM虚拟实验中，虚拟实验能做到：①学生能够随意改变信号源的输入信号，通过改变基带信号的直流和交流分量的大小，能方便地观察到AM信号的“过调现象”，而实验箱只能使用自带的单频率的正余弦信号，这使得硬件实验很难调出AM信号的“过调现象”;②利用SystemView构建AM仿真系统，学生能自由选择使用相干解调或者包络解调方法，而在我们的硬件实验中只提供了包络解调方法;③利用SystemView构建AM仿真系统，学生能方便地加入各种类型的噪声，并分析它们对信号在系统中传输的影响，而在硬件实验中，只能加入高斯白噪声，并且加入噪声后，示波器很难观察到稳定的波形。这些都说明，实验课程中运用虚拟实验可以弥补硬件实验的不足。

2.培养学生的综合设计分析能力

教育的目的在于提高学生的综合素质，包括设计分析能力、主动学习能力及创新能力等[8]。在硬件实验中，受硬件设备固定的限制，学生无法自由选择设备构建通信系统，这使得大部分构建通信系统的硬件实验仅仅是让学生在实验箱上通过连线来构建系统。而在使用SystemView构建仿真系统时，需要由学生选择系统所需虚拟设备，并且对各个虚拟设备的参数进行设置。相比硬件实验，虚拟实验更能完整地体现通信系统的构建，因此能更好地加深学生对通信系统的组成和原理的理解，提高他们的综合设计能力。同时，SystemView 提供了强大的分析工具，方便学生自由进行各种波形和频谱的比较分析，有助于培养学生的分析能力。另一方面，虚拟实验更具有灵活性和主动性，能更好地激发学生的自主学习热情，培养他们的主动学习能力和创新能力[1]。

3.辅助理论课程教学

在传统的通信原理理论教学中，教师通过图片、PPT、板书等形式显示通信系统的组成，并分析信号在传输过程中的波形和频谱变化。这种授课方式较为枯燥难懂，学生听得吃力，很难对有关理论留下深刻的印象。而通过虚拟實验，教师可以很方便地在课堂上完成一个通信系统的构建，并且通过分析窗口让学生直观地看到信号在传输过程中的波形和频谱变化，让抽象的理论即时得到检验，从而对通信系统各组成模块的功能以及有关通信原理形成直观、深刻的印象。这种授课方式直观生动，极大地提高了教学效果。

在通信原理硬件实验中，受硬件实验箱的限定，学生很难完整地实现通信系统的构建。同时，缺少频谱分析工具，难以分析信号的频谱变化。另外，还存在实验设备损坏、实验项目难以更新等缺点。基于此，我们改革通信原理实验课程，加入基于SystemView的虚拟实验。教学实践表明，虚拟实验不但能达到硬件实验的实验要求和实验目的，同时还能弥补硬件实验的种种不足。此外，采用虚拟实验有助于培养学生的综合设计分析能力。将虚拟实验进一步引入理论教学中，使得课程讲解更直观生动，极大地提高了教学效果。

参考文献：

[1]任峻，张红燕.运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学[J].实验技术与管理，2014，31（3）：95-97+104.

[2]薛琴.基于SystemView的“通信原理”课程教学改革研究[J].计算机教育，2010（4）：47-49+55.

[3]陈木生，林顺达，朱志攀.SystemView在《通信原理》实验课程中的应用[J].实验科学与技术，2011，9（6）：40-42.

[4]谢慧，张志刚，聂峰.基于SystemView的通信原理实验教学体系[J].实验技术与管理，2012，29（2）：134-137.

[5]王雅宁.基于System View的“通信系统仿真”教学改革研究[J].科技信息，2011（3）：22-23.

[6]付国兰，刘晓山，刘清.SystemView 和MATLAB 在通信原理课程中的应用比较[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2009（7）：151-153.

[7]孙爱晶，刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：135-137.

[8]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第七版）[M].北京：国防工业出版社，2012.

（编辑：鲁利瑞）