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        軟件仿真在通信原理實驗中的應(yīng)用

        2014-12-23 08:23:26邸金紅閆利超
        科技視界 2014年30期
        關(guān)鍵詞:原理實驗教學(xué)軟件

        邸金紅 閆利超

        (鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系,河南 鄭州 450015)

        0 引言

        《通信原理》是電子信息工程、通信工程等專業(yè)學(xué)生的一門重要的專業(yè)課,該課程內(nèi)容豐富,概念抽象,理論性強,難度大。因此,在教學(xué)時單純依靠課堂上的理論教學(xué),有關(guān)知識是不容易被掌握理解的。而通信原理實驗課程是理論教學(xué)必要的補充,也是掌握相關(guān)通信基礎(chǔ)原理和技術(shù)的重要的教學(xué)手段和途徑。

        傳統(tǒng)的通信原理實驗教學(xué)中,往往是采用教儀設(shè)備廠商提供的實驗箱。廠商為了適應(yīng)各種需要,往往生產(chǎn)眾多的實驗?zāi)K。廠商提供的內(nèi)容更多的往往是介紹實驗設(shè)備的電路及操作說明,而忽略了實驗本身和理論知識對實驗的指導(dǎo)[1-2]。經(jīng)過近幾年的實驗教學(xué)發(fā)現(xiàn),這種實驗課程有一定缺陷:1)實驗大都是驗證性實驗。學(xué)生只知道按照實驗步驟進行實驗,而對為什么得出這樣的實驗結(jié)果及如何分析實驗數(shù)據(jù)不能找到依據(jù)。學(xué)生處于被動地位,積極性不高,實驗效果不好;2)這類驗證性的實驗在培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力、創(chuàng)新能力和動手能力方面所起的意義不大。因此,結(jié)合我校學(xué)生培養(yǎng)與理論教學(xué)的需要,考慮將軟件仿真實驗和硬件驗證性實驗相結(jié)合,使實驗內(nèi)容既配合理論課程的教學(xué),又與現(xiàn)代通信技術(shù)同步發(fā)展,使實驗課程的教學(xué)從內(nèi)容到形式上都有較大改觀。針對現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的特點,結(jié)合通信仿真軟件,開設(shè)了基于MATLAB 和System View 的仿真實驗。將軟件仿真應(yīng)用于通信原理實驗教學(xué)中,為學(xué)生提供統(tǒng)一良好的系統(tǒng)開發(fā)平臺。計算機仿真實驗的內(nèi)容和步驟靈活,可極大的激發(fā)學(xué)生的主觀能動性,在實驗中能及時發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,提高學(xué)生的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。

        1 MATLAB 在通信原理實驗中的實例

        MATLAB[3]是一種交互式的、以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學(xué)和工程的計算與可視化。MATLAB 的編程功能簡單,并且很容易擴展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。MATLAB 具有強大的Simulink 動態(tài)仿真環(huán)境,可以實現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。另外,MATLAB 的圖形界面功能GUI(Graphical User Interface)能為仿真系統(tǒng)生成一個人機交互界面,便于仿真系統(tǒng)的操作。因此,MATLAB 在通信系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用。

        圖1 2-MSK 調(diào)制系統(tǒng)模型

        基于Matlab 平臺開發(fā)的仿真實驗?zāi)芎芎玫膹浹a實驗箱的驗證性實驗的不足,在通信原理實驗箱的硬件實驗中,主要實驗?zāi)康氖桥浜侠碚摻虒W(xué),通過驗證掌握通信系統(tǒng)的基本原理和基本技術(shù)。而在Matlab 仿真平臺上可以靈活設(shè)計通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),完成系統(tǒng)搭建,仿真系統(tǒng)性能等問題,這些方面往往是通信原理實驗箱的硬件實驗達不到的,同時也是學(xué)生知識的掌握必不可少的。例如,在MATLAB 仿真平臺上實現(xiàn)MSK 調(diào)制,如圖1 和圖2,可以靈活設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu),完成系統(tǒng)搭建,仿真系統(tǒng)性能,觀察仿真波形和頻譜特點。在實驗過程中可以通過對重要參數(shù)的改變,讓學(xué)生完成實驗單元的搭建、仿真實現(xiàn)和對結(jié)果的討論以及對實驗中出現(xiàn)問題的探討。

        圖2 2-MSK 頻域波形

        2 System View 在通信原理實驗中的實例

        圖3 DQPSK 信號調(diào)制仿真電路

        圖4 DQPSK 已調(diào)信號的功率譜

        System View[4]是ELANIX 公司推出的一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、分析和仿真的可視化環(huán)境。它是信號級的系統(tǒng)仿真軟件,主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真,是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具,能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設(shè)計、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計、仿真要求。基于System View 的實驗?zāi)芎芎玫膸椭鷮W(xué)生加深對理論知識的掌握,如DQPSK 調(diào)制,圖3 所示,用System View 仿真,可以直接看到調(diào)制后輸出波形。要對系統(tǒng)模型進行分析,在SystemView 中必不可少的工具就是接收計算器,這個工具也是SystemView 中的一個獨特的區(qū)別于其它仿真軟件的功能之一。利用接收計算器可以繪制信號的功率譜、覆蓋圖、星座圖等。圖4 為已調(diào)DQPSK 信號的功率譜。

        綜上,軟件仿真用于通信原理實驗教學(xué)方便靈活,既可以在實驗室也可以在學(xué)生宿舍進行,且在仿真器上可以任意作參數(shù)調(diào)整,體現(xiàn)了仿真實驗的靈活性;拓展了學(xué)生的思維,有利于引導(dǎo)學(xué)生進行更復(fù)雜的系統(tǒng)分析,使以往不敢觸及的問題得到擴展和深入,提高了學(xué)生實際解決問題的能力。

        3 結(jié)束語

        軟件仿真為《通信原理》實驗課程開辟了一個更加直觀、易操作的空間,使學(xué)生提高了實驗的自主性,提高了學(xué)生解決問題的能力和獨立的思考問題能力,而且節(jié)省了大量的教學(xué)資源和經(jīng)費資源。因此,將軟件仿真實驗與硬件實驗相結(jié)合進行實驗教學(xué),有利于提高學(xué)生理論設(shè)計、計算機仿真及相應(yīng)的硬件制作與系統(tǒng)調(diào)試的綜合能力。

        [1]馬冬梅,朱正偉.通信原理實驗教學(xué)的改革與探索[J].實驗室科學(xué),2010(4):17-19.

        [2]趙金憲,江曉林.電氣信息類專業(yè)“通信原理”實驗與實踐教學(xué)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2010(1):111-112.

        [3]邵玉斌,等.Matlab/Simulink 通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

        [4]青松,程岱松,武劍花.數(shù)字通信系統(tǒng)的SystemView 仿真分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

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