李 安，周南潤(rùn)，王玉皞

(南昌大學(xué) 電子信息工程系，江西 南昌330031)

0 引 言

當(dāng)前通信技術(shù)發(fā)展迅猛，仿真技術(shù)逐漸成為了通信工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的主要手段［1-3］。雖然國(guó)內(nèi)高校已經(jīng)開(kāi)始了仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)工作，但比較零散，只局限于某一門(mén)課程、某幾個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)［4-6］，缺乏對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)研究，難以充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。為克服以上不足，本文研究了通信工程專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)，總結(jié)了南昌大學(xué)通信工程國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和成果，并針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中顯現(xiàn)的部分問(wèn)題，提出了最佳的解決方案。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)模式

虛擬實(shí)驗(yàn)室(Virtual Lab)是現(xiàn)實(shí)科學(xué)理論的計(jì)算機(jī)虛擬鏡像，是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、科研創(chuàng)新等活動(dòng)，使用分布式通信技術(shù)和仿真技術(shù)構(gòu)建的電子實(shí)驗(yàn)室［7-8］。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室能大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，提高設(shè)備利用率，不受時(shí)間、空間、設(shè)備和師資等條件限制，建設(shè)和維護(hù)成本低，具有損耗小，可重復(fù)使用，多媒體性和交互性好、開(kāi)放性與共享性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于學(xué)生預(yù)習(xí)和自習(xí)，便于教學(xué)內(nèi)容合理更新，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性還是實(shí)用性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究處于起步階段，還缺少成熟的理論，其架構(gòu)理論與實(shí)現(xiàn)模式都不完善，因此，首先需要提出通信工程專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)模型，再對(duì)實(shí)現(xiàn)模式進(jìn)行細(xì)致分析。

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)模型

因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)的本質(zhì)是對(duì)現(xiàn)實(shí)科學(xué)研究過(guò)程實(shí)施計(jì)算機(jī)模擬，所以虛擬實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)必須對(duì)現(xiàn)實(shí)科學(xué)研究對(duì)象進(jìn)行抽象，抽象的模型既要反映研究對(duì)象的科學(xué)(物理、化學(xué)等)過(guò)程，又要在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。

通常虛擬實(shí)驗(yàn)室是由一個(gè)或多個(gè)具體的仿真實(shí)驗(yàn)(Simulation Experiment)組成，其模型可表達(dá)為:

其中，M 是組成虛擬實(shí)驗(yàn)室的仿真實(shí)驗(yàn)總數(shù)，隨著科技的發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)量可以不斷地增補(bǔ)和升級(jí)。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，每個(gè)實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)都由一個(gè)或多個(gè)模型(Model)構(gòu)成，每個(gè)模型既包含實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)(material)和實(shí)驗(yàn)理論規(guī)則(rules)，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)曲線分析與繪制等人機(jī)交互(Human Computer Interaction，HCI)功能。所以，每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的模型表示為:

其中，N 是組成仿真實(shí)驗(yàn)的仿真模型個(gè)數(shù)。將式(2)代入式(1)，則可得出虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)模型:

其中:r 是仿真模型使用實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)內(nèi)素材元素的個(gè)數(shù);s 是仿真模型使用理論規(guī)則的個(gè)數(shù);t 是仿真模型選擇人機(jī)交互方式的種類(lèi)數(shù)。

圖1 顯示了虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)圖，虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)包含多個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)都由多個(gè)仿真模型組成，每個(gè)模型使用特定的實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)，依照特定的理論規(guī)則運(yùn)行實(shí)驗(yàn)階段(Phase)及步驟(Stage)，并同時(shí)完成人機(jī)交互(HCI)，比如數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)曲線分析與繪制等。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)素材、人機(jī)交互、理論規(guī)則等都是采用函數(shù)的形式存儲(chǔ)在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，不同的仿真實(shí)驗(yàn)可使用控件或腳本語(yǔ)言調(diào)用所需的庫(kù)函數(shù)完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，具有較好的共享性和開(kāi)放性。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)模式

虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)模型結(jié)合通信工程專(zhuān)業(yè)的特色，依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)在客戶(hù)端的不同表現(xiàn)形式，可將虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)模式分成以下三類(lèi):

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)圖

(1)課堂集中演示模式。課堂集中演示模式采用簡(jiǎn)單的播放-觀看形式，比如把通信原理課程中的基帶信號(hào)、載波振蕩器、載波同步器、濾波器等組織成圖形和動(dòng)畫(huà)素材，依照調(diào)幅通信的理論規(guī)則，結(jié)合Flash、PPT、多媒體動(dòng)畫(huà)等形式展現(xiàn)調(diào)幅通信的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論。這種模式將課程和實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)進(jìn)行多媒體演示，利于Web 遠(yuǎn)程教學(xué)［9-10］，有助于學(xué)生預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)通信專(zhuān)業(yè)基本理論，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，適用于基礎(chǔ)理論介紹和學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。

(2)學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式。學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式采用實(shí)驗(yàn)的多場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)形式，比如將數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)按照過(guò)程分成數(shù)字調(diào)制過(guò)程、傳輸過(guò)程和數(shù)字解調(diào)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都有若干個(gè)場(chǎng)景，數(shù)字調(diào)制過(guò)程可分為ASK、FSK、PSK 多種調(diào)制場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景就是一個(gè)單元的實(shí)驗(yàn)，場(chǎng)景內(nèi)部依照對(duì)應(yīng)的通信理論規(guī)則，學(xué)生可以選擇不同的場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多媒體形式描述最終的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。這種模式對(duì)教學(xué)能起到引領(lǐng)作用，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的路線，讓學(xué)生跟著做一遍，比課堂集中演示模式更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，仿真實(shí)驗(yàn)效果更加突出。

(3)過(guò)程探索訓(xùn)練模式。過(guò)程探索訓(xùn)練模式比前兩種模式的交互性大大增強(qiáng)，學(xué)生可按照自己的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自由度也增加了很多，比如Matlab 軟件中的Simulink 仿真器封裝了Communications Block Set，學(xué)生既可以直接調(diào)用內(nèi)部函數(shù)完成數(shù)字基帶通信等實(shí)驗(yàn)過(guò)程，又可以編寫(xiě)自己的函數(shù)和腳本進(jìn)行探索訓(xùn)練和開(kāi)展科研。過(guò)程探索訓(xùn)練模式適于在教學(xué)和研究領(lǐng)域進(jìn)行探索式教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，它能夠極大地激發(fā)學(xué)生搞科研的積極性，提高學(xué)生的科研能力。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)成效

在教育部、省教育廳和學(xué)校政策的指引下，2011年通信實(shí)驗(yàn)中心協(xié)調(diào)50 名教師和實(shí)驗(yàn)員，開(kāi)設(shè)和開(kāi)放了信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室、通信實(shí)驗(yàn)室、微波實(shí)驗(yàn)室和中興通訊實(shí)驗(yàn)室等9 個(gè)實(shí)驗(yàn)室資源，對(duì)2009 級(jí)通信專(zhuān)業(yè)班級(jí)實(shí)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)，在通信工程國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中取得了顯著的成績(jī)。

(1)“生動(dòng)教學(xué)”，提高教學(xué)質(zhì)量。在2009 級(jí)通信專(zhuān)業(yè)班級(jí)的信號(hào)與系統(tǒng)、通信原理、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)等課程中推行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把傳統(tǒng)單一的硬件實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮仿真技術(shù)的特長(zhǎng)，生動(dòng)教學(xué)，直觀學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)通信專(zhuān)業(yè)基本理論的理解。仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練測(cè)評(píng)結(jié)果表明，超過(guò)98%的學(xué)生對(duì)通信專(zhuān)業(yè)的基本概念理解清晰，完全掌握所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)學(xué)生們充分認(rèn)識(shí)本專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，激發(fā)起積極的敬業(yè)精神。

(2)“層次教學(xué)”，提高教學(xué)效率。在仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，采用層次教學(xué)方法，第一層次由實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員指導(dǎo)學(xué)生掌握基本的仿真實(shí)驗(yàn)技能和Multisim［11］、Protues［12］等仿真軟件使用方法，第二層次由若干教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)、數(shù)字信號(hào)處理等理論課程的同時(shí)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，第三層次由學(xué)生自愿參與設(shè)計(jì)性仿真實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)。學(xué)期末仿真實(shí)驗(yàn)考評(píng)結(jié)果表明，此次仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)充分整合了教學(xué)資源，量體裁衣，大大提高了教學(xué)效率，2009 級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)覆蓋面達(dá)到100%，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐素質(zhì)，增強(qiáng)部分學(xué)生的科研能力，得到師生們的一致好評(píng)。

(3)“求知教學(xué)”，帶動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的不斷更新。通信實(shí)驗(yàn)中心十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的求知教學(xué)，積極倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教師把最新的實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試技術(shù)和仿真系統(tǒng)引進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，讓學(xué)生在低年級(jí)就開(kāi)始接觸先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。今年，在通信實(shí)驗(yàn)中心的號(hào)召之下，部分教師主動(dòng)將近期的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，把自己研究和接觸的最新方法、技術(shù)手段和成果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，幫助學(xué)生及時(shí)了解、接觸和掌握新事物，深深體會(huì)到通信專(zhuān)業(yè)的進(jìn)步與競(jìng)爭(zhēng)，主動(dòng)參與教師的科研活動(dòng)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來(lái)的科學(xué)研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，很多師生都切身感覺(jué)到，“學(xué)生能力變強(qiáng)了，科研離學(xué)生更近了”。

3 仿真實(shí)驗(yàn)課程舉例

3.1 實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容

FSK 是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息的調(diào)制方式，是數(shù)字通信的一個(gè)基礎(chǔ)理論［13-14］。在授課過(guò)程中發(fā)現(xiàn)通信模型解釋過(guò)于抽象，學(xué)生對(duì)nFSK 調(diào)制、相干解調(diào)、加性高斯噪聲等概念難以理解，所以，選擇4FSK 基帶調(diào)制解調(diào)與誤碼率分析的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

首先在Matlab［15-16］的Simulink 庫(kù)中，找到仿真電路所需要的各模塊，將各個(gè)模塊按4FSK 調(diào)制解調(diào)原理連接，如圖2 所示，然后對(duì)輸入信號(hào)、基帶調(diào)制參數(shù)、高斯信道、基帶解調(diào)參數(shù)、眼圖、根軌跡圖、基帶頻譜等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖2 4FSK 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)模塊

運(yùn)行Simulink 程序，即可觀察到4FSK 基帶調(diào)制的頻譜圖如圖3 所示，4FSK 基帶調(diào)制與解調(diào)前后信號(hào)如圖4 所示，所得到的波形與輸入信號(hào)波形完全一樣，誤碼率為0，這是理想的情況，學(xué)生可以自行修改系統(tǒng)模塊的參數(shù)，比如信噪比，采樣率等觀測(cè)輸入輸出碼元波形等的變化，更好地理解系統(tǒng)參數(shù)與性能的關(guān)系。

編寫(xiě)誤碼率分析的.m 源代碼，得到誤碼率與信噪比的關(guān)系如圖5 所示

可以看出，在相干解調(diào)方式中，隨著信噪比的增大，誤碼率逐漸降低，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際信道是相吻合的。

圖4 4FSK 基帶調(diào)制與解調(diào)前后碼元波形

圖5 信噪比與誤碼率關(guān)系

3.3 學(xué)生對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)課程的體會(huì)

通信工程專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室作為理論教學(xué)配套的手段，利用仿真技術(shù)將通信學(xué)科的典型實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地展現(xiàn)在課堂上，2009 級(jí)通信專(zhuān)業(yè)班級(jí)的仿真實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)報(bào)告中，近95%學(xué)生提到仿真實(shí)驗(yàn)課程增強(qiáng)了對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用和再提高，是對(duì)知識(shí)融會(huì)貫通很好的途徑;經(jīng)過(guò)試點(diǎn)教學(xué)，超過(guò)99%的學(xué)生感受到科學(xué)視野變得開(kāi)闊，學(xué)習(xí)興趣變得濃厚，并順利完成所選的仿真實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。

4 問(wèn)題及解決方案

(1)減弱學(xué)生對(duì)通信設(shè)備真實(shí)感受和技能訓(xùn)練。虛擬實(shí)驗(yàn)室注重計(jì)算機(jī)模擬，與真實(shí)的程控交換機(jī)等通信設(shè)備仍然存在著差異，仿真與真實(shí)通信實(shí)驗(yàn)仍有距離，過(guò)多依賴(lài)仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)減少學(xué)生對(duì)通信設(shè)備操作機(jī)會(huì)，缺乏單獨(dú)應(yīng)對(duì)通信設(shè)備故障等突發(fā)事件的鍛煉。

(2)使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和維護(hù)成本低、損耗小，可以經(jīng)過(guò)再開(kāi)發(fā)重復(fù)使用，這使得傳統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)的設(shè)備采購(gòu)經(jīng)費(fèi)下?lián)軈T乏，導(dǎo)致傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢，甚至導(dǎo)致學(xué)生大學(xué)4 年都沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸真實(shí)的通信設(shè)備。

(3)影響師生科研互動(dòng)，交流機(jī)會(huì)減少。虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性與共享性強(qiáng)，雖然有利于學(xué)生預(yù)習(xí)和自學(xué)，但也造成師生之間的學(xué)習(xí)交流機(jī)會(huì)減少，學(xué)生更愿意自己埋頭學(xué)習(xí)，而不是主動(dòng)和老師一起探討最新的研究動(dòng)態(tài)和方向，這使得學(xué)生的科研缺少前瞻性指導(dǎo)，科研效率降低。

(4)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)還涉及一些其他問(wèn)題。通信實(shí)驗(yàn)中心虛擬實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)中還遇到仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)、軟件版權(quán)、實(shí)驗(yàn)庫(kù)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反饋與有效評(píng)價(jià)等種種問(wèn)題，這些問(wèn)題都亟待解決。

針對(duì)以上問(wèn)題，可以采取以下措施解決:

(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)有效地結(jié)合起來(lái)，兩個(gè)方面都要抓。

(2)學(xué)校和教師要從思想上認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仍然具有仿真實(shí)驗(yàn)不可替代的方面，更新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要量力而行，可采用去公司參觀學(xué)習(xí)的方式來(lái)彌補(bǔ)。

(3)教師要主動(dòng)和學(xué)生去交流，學(xué)校鼓勵(lì)學(xué)生團(tuán)體開(kāi)展科研講座和研討等多種形式的科研活動(dòng)。

(4)參考國(guó)外本科生教育的課程實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，讓研究生或者高年級(jí)本科生帶低年級(jí)本科生的仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練，讓學(xué)生參與仿真實(shí)驗(yàn)庫(kù)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了通信工程專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)模型和實(shí)現(xiàn)模式，舉例介紹了通信工程國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，實(shí)踐證明，仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的補(bǔ)充，在研究、教學(xué)、培訓(xùn)中起著不可替代的作用，大力發(fā)展仿真技術(shù)，梳理虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方法，對(duì)當(dāng)前高校教學(xué)和科研的發(fā)展有著非常深遠(yuǎn)的影響。通信工程國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)工科專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

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