虚拟仿真技术在通信工程专业核心课程群中的实践应用研究

刘婉妮

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

0 引 言

在新工科时代背景下，对通信工程专业人才培养模式、课程体系、学生的综合实践能力等方面提出了全新的要求。“信号与系统”“数字信号处理”“通信原理”“移动通信”“移动通信网络规划和优化”等课程是通信工程专业课程体系的核心组成部分，这五门课程在知识的继承和衔接上遵循严格的逻辑关系，在课程设置中多将它们作为课程群进行建设，该课程群不仅涉及到信号与系统分析和处理的整套理论，而且更注重运用课程的相关理论解决工程领域中的实际问题[1]。但该课程群的一个共同特点是理论性、系统性较强，理论结果往往来源于复杂的数学运算和推导，且课程中大量信号分析的结果缺乏可视化的直观表现，学生在学习该类课程中普遍存在对物理概念理解不清晰、畏难情绪严重、缺乏工程实践应用价值的探索兴趣等现象，使该课程群一直处于教难、学更难的境况[2]。

教育部在《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》文件中要求：深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平[3-4]。虚拟仿真技术具有成本低、自由度高、交互性强、可循环利用等优点，在学生工程实践能力和创新能力培养方面具有明显优势，在通信工程专业的理论和实验课程教学中已经获得了广泛应用。本文以西安欧亚学院通信工程专业核心课程改革为例，探讨虚拟仿真技术在专业核心课程群教学中的应用情况。

1 虚拟仿真技术应用于教学的必要性和先进性

（1）有效延伸和扩展传统的教学内容

虚拟仿真技术在“信号与系统”“数字信号处理”等课程中的应用：利用MATLAB强大的信号处理能力及可视化的图形用户GUIDE工具，以交互的方式对“信号与系统”中的重要内容进行动态仿真[5]，并将枯燥的理论知识与有趣的工程实践相结合，让学生在直观的演示中理解问题的本质和意义，提高学生的学习兴趣和积极性。

虚拟仿真技术在“通信原理”“移动通信”等课程中的应用：该类课程以完整的通信系统为对象，以研究系统拓扑结构和参数值为目标，使其同时满足系统性能指标和设计约束；课程主要应用MATLAB Simulink、LabView、SystemView等软件快速搭建通信系统并进行约束条件下的系统仿真，对仿真结果进行分析，从而预测系统在实际环境中的运行情况。

“移动通信网络规划和优化”课程内容是以移动通信网络项目建设的全流程为主线，将移动通信网络规划建设期、测试优化发展期、专题运维成熟期的实际工程项目借鉴迁移到课程教学中来，但由于知识体系较庞大、实验条件受限，在传统的教学中很难兼顾完整的项目过程，通过虚拟仿真技术实现虚实结合、相互补充，从网络的接入到传输，从业务接口到信令接口，从网络规划、设备安装、配置调测到网络优化，真正实现了移动通信网络全程覆盖。

（2）打破实验时间、空间受限的障碍

由于通信专业核心课所涉及的实验设备较昂贵，实验室不能随意开放，学生只能在规定的时间内进行实验操作，所有学生只能“齐步走”；同时由于设备数量有限，一般以小组为单位进行协作完成，难免部分学生有“搭车”之嫌，另外移动通信设备的网管系统支持的在线用户数有限，使得实验资源利用率和实验效率均较低。同时，为了避免学生由于知识掌握不透彻引起各种突发事件，在教学中老师会详细介绍操作步骤和注意事项，这一教学模式尽管降低了仪器损毁的概率，但同时也降低了学生的学习兴趣[6]。而虚拟仿真实验不受场地、器件等因素的影响，实验时有临场感和沉浸感，学生可根据自己的学习进度实现个性化的学习需求，并可以根据实验结果反复测试与调整，避免千人一面的实验结果，给予学生较好的创新探究的发挥空间[6]。

（3）缓解通信实验设备更新压力

信息通信技术具有技术高度密集、实践性要求高和更新换代迅速等特点，对于很多民办院校而言，在信息通信技术更新速度快、实体设备费用高、不同厂家设备差异大和使用周期短的实验和实训条件下，要投入大量资金阻力较大。同时在实际的实验过程中，设备损坏、系统瘫痪、仪器烧毁情况时有发生，学校每年需要花费大量的财力进行通信设备的维修、仪器的重复引进和消耗材料的购置。而通过虚拟仿真技术不仅可以模拟真实的“现网”场景[7]，让学生获得与操作真实设备所需的同样的知识和技能成为可能，并且通过软件升级就可将课程无缝切换到未来网络的规划和设计中，在有效解决以上诸多问题方面有显著优势。

2 虚拟仿真技术应用于课程群的典型案例

2.1 MATLAB在信号处理类课程中的应用

MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面向科学计算、可视化及交互式程序设计的计算软件[8]，以其强大的科学计算和图形绘制功能，被广泛地应用于信号处理类课程的教学中，能够将晦涩的理论知识具体化、形象化，达到既掌握理论知识又拓展工程实践能力的目的。下面以语音信号去噪为例，介绍MATLAB在信号处理课程中的应用。

在信号处理类课程中，如何选择合适的数字滤波器解决实际工程问题是教学的重点和难点，在教学中常以语音信号去噪案例展开教学，借助MATLAB工具，实现语音信号采集与去噪系统的仿真，通过设计Butterworth、Chebyshev的I2R数字滤波器，分别实现基于巴特沃斯和切比雪夫低通、高通、带通和带阻滤波器的除噪功能，恢复原始语音信号，分析不同滤波器处理前后语音信号的时域、频域特性，并从理论推导、仿真结果分析和听觉感受三个方面进行效果对比。具体仿真流程和仿真结果如图1、图2所示。

图1 语音信号去噪仿真流程

图2 语音信号去噪仿真波形

2.2 LabVIEW在通信原理课程中的应用

LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司开发的一种图形化的编程环境，其最大的特点是程序框图化，通过前面板的输入控件和显示控件可观察输入条件及输出结果，通过后面板的框图化程序可看到前面板运行结果是如何具体实现的[9-10]。利用LabVIEW的窗函数、滤波器、频谱分析、功率谱分析等控件，可以方便地搭建、观察和分析通信系统。下面以AM调制解调系统的仿真为例，介绍LabVIEW在通信原理课程中的应用。

幅度调制（AM）是模拟通信系统中一种最常见的线性调制方式[11]，借助LabVIEW可以方便地搭建AM调制系统。系统前面板如图3所示，通过前面板参数的设置，可得到所需频率和幅值的AM信号，并能够实现对该信号的调制和解调，最后用簇将信号的波形和频谱分别打包后通过示波器将波形和频谱显示出来。

图3 AM调制系统仿真前面板

图4为AM调制解调系统的后面板，从后面板程序中可以清楚地看出AM系统的构成和前面板功能是如何实现的，发送端的基带信号经AM调制模块后产生AM已调信号，基带信号和AM信号经FFT运算得到基带信号和AM信号的频谱。AM信号加入噪声后到达接收端，将AM信号先与载波相乘，然后再通过一个低通滤波器（即相干解调），接收滤波器的截止频率要略高于基带信号频率，从而得到AM解调信号。程序框图中的AM控件是自定义的一个子程序，在主程序中被调用，其设计如图5和图6所示。用多谐波发生器产生一个仿真基带信号，将它和直流偏移相加，再和一个多谐波发生器产生的余弦波相乘，便可以得到AM调制信号。

图4 AM调制系统仿真后面板

图5 AM子程序前面板

图6 AM子程序后面板

2.3 基于VR的虚拟仿真技术在“移动通信网络规划和优化”课程中的应用

“移动通信网络规划和优化”课程内容以移动通信网络项目建设的全流程为主线，将移动通信网络的实际工程项目借鉴迁移到课程教学中来，但由于知识体系较庞大、实验条件受限，在传统的实验教学中多以设备安装调测及网络优化为主，很难兼顾完整的项目过程，致使实验的系统性不足。而借助虚拟仿真技术，搭建覆盖通信系统全过程的虚拟仿真实验，实验中所用的部署标准、4G/5G设备、分析方法都与现网同步且一致，实现实验条件和真实工作环境的“无缝对接”，全方位、多层次地培养学生工程实践能力[12]。

以5G网络基站安装为例，通过虚拟技术实现一个通信机房从无到有的搭建过程，模拟站点工程师依照安装规范进行基站设备安装，形象地仿真了基站BBU、AAU、GPS、馈线、光纤等设备线缆安装连接全过程。学生可根据要求建立一个空置的机房内景和机房外景模型，在此基础上，根据实验提示分别选择器材库中的设备和辅材，将通信主设备和相关辅材模型逐个安置在机房内外指定的区域和位置，所有设备和辅材均可360°全方位地展示，在实验过程中学生需结合所学知识及原理，对器材库实验步骤和实验结果做出分析、判断、决策与“试误”。图7、图8分别为5G基站搭建及5G网络机房搭建模型。实验过程采用“闯关式”设计，通过“虚实结合”的教学手段[13]，有效培养了学生工程实践能力和解决通信工程中复杂工程问题的能力。

图7 5G基站器材库搭建

图8 虚拟5G基站室内环境搭建

3 结 语

实践证明，虚拟仿真技术在教育领域的生命力在于很大程度上提升了学生的学习质量，解决实际教学中课程难度大、课堂教学枯燥乏味、学生实践技能薄弱等问题，缓解传统实验教学的压力，节省时间、空间和硬件成本资源，实现对传统教学的扩展和延伸。尽管虚拟仿真教学有诸如上述优势，但虚拟仿真与实际实验相比，仍存在不能很好地识别学习者在真实工程环境中所呈现的个性差异等不足[14]，因此在实际应用中应把握好虚拟仿真与实际实验的关系，虚实结合，以虚补实，解锁教育教学新技能。