基于硬件系统仿真的通信原理实践

文/张炎生 谭艳春 廖珊

1 通信原理实践的背景

当今社会，通信技术的迅猛发展，推动着社会经济的高速增长，高等教育的教学内容必需要紧密结合当前的科技发展。《通信原理》作为通信工程、电子信息工程等专业的核心课程，又是移动通信、光纤通信等后续专业课程的基础，该课程具有理论性强、内容抽象、涉及面宽等特点。开设通信原理实践教学就是为了让学生能理论与实践结合，从而来激发学生的学习兴趣，增强理论知识的掌握，提高学生的动手能力。但是，目前大多数通信原理实践教学并没有达到预期的效果，还存在实验内容局限性大、实验过程缺少创新性、实验方法缺少综合性等问题。主要表现为：实验教学内容主要是围绕各厂家提供的实验设备来开设相应的实验项目，局限性大，学生缺少创造思维的空间；实验过程是通过实验前教师对实验内容进行讲解，然后学生通过实验电路的连接、实验数据的测量或用示波器观察实验结果等，将理论教学的相关内容联系起来，因而学生缺少自主创新的培养；实验方法主要以课程单元内容进行验证性实验为主，学生对通信系统没有一个整体的概念，对实验内容的实际用途没有直观的认识，学生缺少综合能力的培养。

综上所述，为了培养学生的自主创新能力，提高学生对通信原理课程学习的效果。对通信原理实践教学模式进行改革势在必行，具有十分重要的意义。

图1：通信原理实践教学改革技术路线

2 基于硬件系统仿真的通信原理实践

（1）以学校的实验中心现有实践条件为基础，适当增加或补充实践教学设备和仪器。

（2）以现有通信原理实验设备中各实验模块为主，以学生利用电子元件自制实验单元为辅，完善各单元实验内容需要的硬件条件。

（3）以单元实验内容为基础，以通信系统仿真实验贯穿通信原理课程各知识点为目标。

（4）以学生自行设计模拟通信系统和数字通信系统为主，老师给予适当的辅导为辅，开展系统仿真综合性实践教学。

（5）学生自行对设计的通信系统按各知识点的要求进行数据测量和分析，然后以小组或班级为单位，由学生进行讲解和演示通信系统的工作过程，达到探讨式教学效果的目的。

3 基于硬件系统仿真的通信原理实践

3.1 通信原理各知识点单元实验电路的设计

单元实验电路或模块结构的实验箱是通信原理课程知识点验证性实验必备实践条件，也是进行通信系统仿真实验为基础，通过实验箱平台或单元实验电路，学生可以自主设计一个完整的模拟通信系统或数字通信系统。因此，制作出一些性能稳定、结构合理、接口标准、连接与测量方便的单元实验电路是非常重要的。

3.2 用单元实验电路构建各类通信系统

在已有的单元实验电路的基础上，如何利用它们来组建出一个完整的通信系统，是检验学生通信原理课程各知识点掌握的程度和动手能力强弱的充分体现。它不仅要对每一个单元实验电路非常了解，同时还要考虑各单元电路连接后的相互融合及接口通信协议的相互兼容性等。锻炼和培养学生的综合应用能力和自主创新能力。

3.3 探讨式通信原理实践教学模式的实施

学生在完成通信系统仿真实践教学电路后，要对电路的各部分进行相关知识点层面的数据测量，并对测到的数量进行分析。为了展示学生的自主设计通信系统的效果和成就，学生在一定的范围内进行演示和宣讲，可以很好地锻炼和培养学生的综合应用能力、自主创新能力和语言表达能力。

3.4 硬件仿真通信系统的通信原理实践教学条件的保障

实验中心为硬件仿真通信系统的通信原理实践教学提供优质的条件是完成系统仿真实验的前提条件。因此，团队成员和实验中心老师要根据硬件仿真通信系统的通信原理实践教学改革总体方案要求，估计到学生自主设计通信系统过程有可能需要的硬件条件，作好相关准备并留有充分的余地，保证该项目实践教学的顺利完成。

图2：数字基带通信系统原理框图

图3：数字基带通信系统实验连接图

3.5 硬件仿真通信系统的通信原理实践教学内容的拓展——利用电子器件设计制作进行创新性实践改革

这部分实践教学是需要学生在掌握了足够的前续课程的相关知识，并具备了一定的实践技能后，对实践教学的一种开拓与创新。创新性实践内容可结合大学生电子从事的设计大赛和其它科技创新活动来进行，来培养学生的设计能力和创新能力。创新性实验的内容可因人而异，对动手能力比较强的学生，可多开发一些创新性实验项目，老师重点进行指导。而对于动手能力一般的学生，可适当进行引导，开拓他们的视野。

4 基于硬件系统仿真的通信原理实践路线

目前，基于系统仿真的实验方法主要有基于硬件的系统仿真实验和基于软件的系统仿真实验二种。基于软件的系统仿真实验是利用Matlab等软件平台进行综合性实验，但没有直观性和亲身体验感。基于硬件的系统仿真实践教学，是在验证性实验的基础上，将课程所涉及到的所有知识点关联起来组成与现实本一致的模拟通信系统和数字通信系统，通过实验箱和电子器件等硬件设备，采取按知识点为单元的硬件模块结构，学生自主设计一个完整的模拟通信系统或数字通信系统。其改革技术路线如图1所示。

5 数字基带通信系统

数字基带通信系统，需要提供的单元电路有：信号源单元、PAM抽样单元、A/D编码单元、信道单元、信宿单元。其原理框图如图2所示。根据奈奎斯特抽样定理，对最高频率为fH的信号，需要采用大于等于2fH的脉冲序列对其抽样，然后通过量化将抽样值取值无限变为取值归入不同等级，经过对量化后的等级值进行编码，将模拟信号变成0、1组合的二进制代码，即数字信号。抽样频率取的越高，等级划分的级别越多，编码出来的二进制数字信号码率相应就越高，对信号的描述也就越细腻；但相应的信号传输码元速率也越大，传输在带宽也就越宽。

数字基带通信系统的实验连接如图3所示。根据连接图可以对通信系统的各个知识点进行测量和分析，主要测量点有：

（1）对信号源产生的模拟信号、抽样脉冲及各种同步信号进行测量，并可任意改变模拟信号和抽样脉冲的频率，观察在满足和不满足抽样定理情况下信号传输后的失真变化。

（2）对模拟信号进行编码的结果进行测量，模拟信号数字化编码的方式可以选择脉冲幅度调制、脉冲编码调制、增量调制等不同的方式，分析它们编码的结果。

（3）对信号经过信道传输后的结果进行测量，在信道单元中，可以选择加入或不加入噪声来观察和体会数字信号在信道中传输过程中加入不同大小的噪声时对信号传输的影响以及对接收信号恢复的影响。

（4）对接收端译码单元恢复的模拟信号进行测量，充分理解到数字化后的数字信号传输系统具有抗干扰能力强、能通过中继再生消除噪声的干扰等优点。

（5）对各种同步信号进行测量，通过改变同步信号的频率，分析同步信号的作用以及对数字通信系统工作的影响。

6 结束语

在实践教学中引入利用硬件进行通信系统的仿真，增强了实践教学的多样性，扩大实验涉及的范围，改善了原有围绕狭义地进行单一知识点验证型实验的局面，将课程中多个知识点串通起来，形成一个完整的通信系统，利用硬件仿真形象生动地展现出来，对通信系统的理解更加透彻，而且使学生掌握利用硬件进行辅助设计的方法，开阔学生的思路、视野，提高学生学习的兴趣和热情，达到学生自主学习、主动学习、创造性学习的目的。