魏建軍， 劉乃安， 陳付龍， 李曉輝， 韋 娟

(1. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院， 陜西 西安 710071; 2. 安徽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院， 安徽 蕪湖 241003)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)層出不窮，而傳統(tǒng)技術(shù)也出現(xiàn)了更新?lián)Q代，通信技術(shù)的設(shè)計、開發(fā)都從根本上發(fā)生了變化。但是，高等學(xué)校的通信理論與技術(shù)實驗卻不能跟上市場前進的步伐，培養(yǎng)的學(xué)生不能滿足用人單位的期望?？傮w來說，存在以下幾方面問題：第一，實驗學(xué)時不夠，普遍情況是學(xué)生規(guī)模大于實驗室所能提供的資源，而且開展的實驗數(shù)目少，不能覆蓋通信理論與技術(shù)的內(nèi)容；第二，硬件實驗通常采用實驗箱來完成實驗，以驗證性實驗為主，實驗過程往往是動手多、動腦少，學(xué)生只知某個模塊的功能而不知這個功能是怎樣實現(xiàn)的，同時實驗項目固定，學(xué)生只能夠觀察實驗箱上提供的實驗，模塊參數(shù)很少可以設(shè)置，造成很多實驗現(xiàn)象觀察不到；第三，軟件實驗依靠仿真模擬測試通信系統(tǒng)模型，采用簡化的信道模型來粗略地模仿現(xiàn)實世界的情況，這種模型很難準(zhǔn)確地描繪所有的現(xiàn)實條件，也難以獲悉采用某種模型的可行性，而且在仿真設(shè)計中采用的都是模型，理解僅停留在模型表面，缺乏對模型具體電路的認(rèn)識和設(shè)計，而且復(fù)雜的通信系統(tǒng)很難準(zhǔn)確建模[1-3]。

選修“通信理論與技術(shù)實驗”課程的學(xué)生很多，但是實驗室能提供的場地受限，而且所開設(shè)的硬件實驗由于硬件自身的特點靈活性差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，軟件仿真與客觀環(huán)境差別較大，不能反映真實工程。另外，實驗時間和地點固定，學(xué)生不能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進度安排實驗時間。這些問題極大地限制了實驗課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

1 基于半實物的虛擬仿真技術(shù)

虛擬儀器將計算機資源與儀器硬件、數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合，把廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能。用戶可根據(jù)測試的需要，自己設(shè)計所需要的儀器系統(tǒng)，利用一種或多種功能的通用模塊，調(diào)用不同功能的軟件模塊，組成不同的儀器功能。在虛擬儀器中，除了儀器的輸入、輸出、數(shù)據(jù)處理分析、結(jié)果顯示由計算機完成外，還可組成計算機網(wǎng)絡(luò)。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)的發(fā)展，乃至Internet網(wǎng)的發(fā)展拓展了虛擬儀器測試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置的計算機聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資，使數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理分析成為一體，容易實現(xiàn)實時采集、實時監(jiān)測。

目前“通信理論與技術(shù)”的課程與教材，都是以方塊圖做標(biāo)準(zhǔn)的方法來表示調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。每一個方塊圖都代表著一個基本電子電路功能，如振蕩器、濾波器、加法器、乘法器等。在基于半實物的虛擬仿真系統(tǒng)里，這些方塊圖都是以模塊執(zhí)行，整個通信系統(tǒng)就是由方塊圖所對應(yīng)的插入式模塊及數(shù)學(xué)方程式來完成。這些模塊按照“通信理論與技術(shù)”教學(xué)中的原理框圖進行功能設(shè)計，多數(shù)用于完成某種信號處理功能，如乘法器、加法器、低通濾波器、放大器、壓控振蕩器等；另有一些則用于產(chǎn)生信號，如正弦波、方波、隨機序列等。模塊根據(jù)實驗需要而插入于機架的任一插槽內(nèi)，系統(tǒng)機架對于所插入的各模塊僅提供直流電源。

實驗系統(tǒng)對模塊的輸入輸出接口設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)，方便組合。各模塊的輸入輸出端均安置在模塊的前面板上，各模塊之間的信號連接在前面板之間用連接線連接，每一模塊都可用于任何實驗。模塊上的控制旋鈕沒有刻度記號，避免學(xué)生使用“對照”途徑來建立實驗，必須依據(jù)實際的測量變量來確認(rèn)理論的計算值。每個模塊都有多個旋鈕和開關(guān)，學(xué)生利用這些開關(guān)改變參數(shù)，如頻率、相位、振幅或時間，通過調(diào)整這些參數(shù)使實驗結(jié)果與相關(guān)理論及數(shù)學(xué)計算聯(lián)系起來。所有遠(yuǎn)程通信編碼和調(diào)制電路都能夠用模塊組合模擬，基于半實物的虛擬仿真系統(tǒng)是一個真正的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，能夠通過真實的電信號實現(xiàn)具體的數(shù)學(xué)方程，而不是通過計算機程序和數(shù)值解法進行仿真模擬。與“現(xiàn)實世界的實驗”的唯一區(qū)別就是能夠減少傳送信號和取樣頻率，使學(xué)生更容易觀看和理解正在研究的信號[4]。

基于半實物的虛擬仿真系統(tǒng)以遠(yuǎn)程通信方框圖為依據(jù)，通過組合功能性砌塊使教科書里的方框圖變得具體，讓學(xué)生通過動手做而獲得實質(zhì)的學(xué)術(shù)知識?；诎雽嵨锏奶摂M仿真系統(tǒng)提供一個開放的教學(xué)系統(tǒng)，教師可以驗證任何的模擬、數(shù)字調(diào)制或編碼技術(shù)。在基于半實物的虛擬仿真系統(tǒng)的環(huán)境里，可同時做傳統(tǒng)電子電路的特性與數(shù)字信號處理技術(shù)的比較，系統(tǒng)完全自給自足，唯一的額外設(shè)備是一臺示波器?；诎雽嵨锏奶摂M仿真系統(tǒng)具有很強的擴充性，模塊在教學(xué)上都可供教師做很多的變化和擴充，將會涵括所有最新的通信理論。教師可利用系統(tǒng)的開放特性，自己制定增加的模塊，驗證自己在通信里所最擅長的領(lǐng)域。另外，學(xué)生也可以在系統(tǒng)環(huán)境里設(shè)計自己的模塊，測試自己所要鉆研的通信領(lǐng)域或信號處理，并以此作為研究方向。

基于半實物的虛擬仿真技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以原系統(tǒng)為主體，能架構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)化的實驗室。教師可從主系統(tǒng)傳送3組通信信號至每位學(xué)生的客戶端上，系統(tǒng)允許學(xué)生“在一定距離內(nèi)”完成真正的硬件實驗。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)保留原方框圖法，利用真正的硬件砌塊、模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信相關(guān)原理及公式。網(wǎng)絡(luò)實驗的功能等同標(biāo)準(zhǔn)實驗，實驗控制操作均與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)相同，學(xué)生可改變參數(shù)，如頻率、相位、振幅及時間，使實驗結(jié)果與相關(guān)理論及數(shù)學(xué)計算關(guān)聯(lián)起來。標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)每個模塊上的多個旋鈕及開關(guān)均可通過用戶計算機熒幕上的圖形顯示調(diào)整。值得注意的是，使用網(wǎng)絡(luò)時，學(xué)生實際上是操作真實的硬件和觀看真實的電信號，他們可運用顯示于瀏覽器的實驗操作面板，通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)控制實驗。計算機界面同樣可顯示于學(xué)生家里或其他實驗室的瀏覽器中。客戶端界面不論外觀或操作，都與實際的系統(tǒng)非常接近，盡可能使用戶保留真實操控實驗的感覺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

無論何時在計算機界面上選擇或改變一個控制旋鈕、開關(guān)或示波器導(dǎo)線，實驗的所有即時設(shè)置都會從用戶客戶端應(yīng)用程序發(fā)送到服務(wù)器。然后用戶實驗設(shè)置會即時加載到已連接服務(wù)器的系統(tǒng)設(shè)備中的模塊上，與用戶客戶端計算機界面上的設(shè)置完全一致。服務(wù)器里的數(shù)字示波器對所選信號進行處理，然后把這些數(shù)據(jù)發(fā)回用戶客戶端，客戶端在虛擬示波器的熒幕上顯示該數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的硬件實驗相比，基于半實物的虛擬實驗靈活多變，能提供豐富的設(shè)備，彌補了硬件實驗無法進行設(shè)備選擇、參數(shù)設(shè)置和頻譜分析的不足，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、分析能力和創(chuàng)新能力。虛擬實驗受硬件設(shè)備的限制少，實驗設(shè)備損壞的問題從根本上得到解決，實驗項目能及時根據(jù)教學(xué)需要進行更新，使實驗教學(xué)與理論教學(xué)結(jié)合得更緊密。

圖1 基于半實物的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于軟件無線電的實驗?zāi)Ｊ?/h2>

軟件無線電技術(shù)，是用現(xiàn)代化軟件來操縱、控制傳統(tǒng)的“純硬件電路”的無線通信。其以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以電子技術(shù)為支撐，突破了傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設(shè)計局限，強調(diào)以可編程的硬件作為通用平臺，盡量用可升級、可配置的軟件來實現(xiàn)各種通信功能的設(shè)計，其重要價值在于傳統(tǒng)的硬件通信設(shè)備只是作為通信的基本平臺，而許多通信功能則由軟件實現(xiàn)，打破了設(shè)備的通信功能的實現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局[6-7]。軟件無線電具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，各種功能用軟件來完成。

開放性的軟件無線電實驗教學(xué)平臺，使得學(xué)生能夠在實驗室的環(huán)境下快速構(gòu)建驗證自行設(shè)計的通信系統(tǒng)，而且通過軟件的交互性界面幫助學(xué)生更形象地理解概念，并能夠從零散知識點的灌輸發(fā)展到建立系統(tǒng)的概念。軟件無線電將軟件仿真系統(tǒng)無縫地融合到硬件平臺上，構(gòu)建真實的通信系統(tǒng)，而且具有更靈活的操作方式，尺寸小巧、成本較低，可用以太網(wǎng)連接主機，即可兼容基于真實信號的課堂實驗。在軟件無線電教學(xué)平臺上可以用虛擬儀表測量時域、頻域、誤碼等性能，可以驗證文本信息及音視頻的實時通信效果，或為當(dāng)前及未來通信系統(tǒng)構(gòu)建仿真測試平臺。使用軟件無線電教學(xué)平臺，學(xué)生可以專注于算法本身，但同時也能接觸到系統(tǒng)的工程實踐，而不必?fù)?dān)心復(fù)雜的模擬前端以及射頻電路設(shè)計問題。當(dāng)硬件電路中出現(xiàn)了靈活的射頻上變頻器和下變頻器以及相匹配的DAC和ADC后，能夠以高品質(zhì)和可重復(fù)性創(chuàng)建和處理波形[8]。軟件無線電可以很好地應(yīng)用于通信理論與技術(shù)的實踐教學(xué)，將通信理論與工程實踐緊密結(jié)合，讓學(xué)生不僅加深了對基本概念的理解，而且在實驗室的環(huán)境中能夠快速構(gòu)建完整真實的通信系統(tǒng)。

基于軟件無線電的實驗?zāi)Ｊ浇Y(jié)合硬件和軟件的優(yōu)勢，在通用硬件平臺上運行軟件模塊，用于實現(xiàn)通信功能。提供了滿足多功能需求且靈活性強的快速通信原型平臺，適用于物理層設(shè)計、信號存儲與回放、通信情報、算法驗證等應(yīng)用。通信理論與技術(shù)課程注重理論研究，旨在介紹通信系統(tǒng)的基本算法，通信理論與技術(shù)實驗課程則在基于軟件無線電的教學(xué)平臺上進行物理層系統(tǒng)設(shè)計和算法的驗證。通信的一些物理層功能由軟件定義，使得學(xué)生不必過多考慮模擬前端和射頻電路設(shè)計問題就能夠接觸到實際的通信系統(tǒng)，有效地進行通信系統(tǒng)的物理層實現(xiàn)。

3 模式改革實踐

通信理論與技術(shù)實驗課程模式的改革經(jīng)過前期調(diào)研，借鑒兄弟院校開展“通信理論與技術(shù)實驗”課程的情況和改進措施，在實驗室現(xiàn)有資源設(shè)備和環(huán)境的基礎(chǔ)上，對通信理論與技術(shù)實驗課程模式改革進行了實踐。通信理論與技術(shù)實驗課程模式改革實踐包括2部分，一部分是利用基于軟件無線電的實驗?zāi)Ｊ介_展通信系統(tǒng)課程設(shè)計，另一部分是利用基于半實物的虛擬仿真技術(shù)開展通信理論與技術(shù)的實驗工作。

采用易思達公司的ES2711C XSRP軟件無線電創(chuàng)新開發(fā)平臺開展通信系統(tǒng)課程設(shè)計，表明軟件無線電系統(tǒng)符合實際通信環(huán)境，并且具有非常好的靈活性和強大的可擴展性，可以在其上驗證所開發(fā)的通信系統(tǒng)，加快新的通信系統(tǒng)的開發(fā)進程。從實踐效果來看，基于軟件無線電的實驗?zāi)Ｊ脚囵B(yǎng)了學(xué)生整體思考問題、分析問題和解決問題的能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，為學(xué)生今后科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

采用澳大利亞依摩納公司的net*TIMS系統(tǒng)，按

照通信理論與技術(shù)大綱的要求安排實驗。本次實踐共進行了8組實驗，學(xué)生在實驗室局域網(wǎng)內(nèi)通過客戶端訪問服務(wù)器操作實驗設(shè)備。共有學(xué)生58名參與這一項目，同時使用3臺服務(wù)器。學(xué)生通過隨機選擇服務(wù)器，獨立開展實驗。實踐結(jié)果表明數(shù)據(jù)分析速度快、測量結(jié)果響應(yīng)及時，與單獨使用單機版TIMS系統(tǒng)幾乎沒有差別。經(jīng)過1學(xué)期的實踐后，對這批學(xué)生進行考核，58名學(xué)生中15名學(xué)生的實驗結(jié)果為優(yōu)秀，優(yōu)秀率達到26%。這種實驗?zāi)Ｊ浇o學(xué)生最大的靈活性，充分發(fā)揮學(xué)生能動性，調(diào)動了學(xué)生做實驗的興趣和積極性。學(xué)生不僅很好地掌握了通信知識，而且還增強了動手能力，感受到學(xué)習(xí)的樂趣。該班所有的學(xué)生都感覺到自己的動手能力大大加強，自主學(xué)習(xí)熱情高漲。

4 結(jié)語

通過利用軟件無線電創(chuàng)新開發(fā)平臺開展通信系統(tǒng)課程設(shè)計，結(jié)果表明，基于軟件無線電貼近實際的通信系統(tǒng)，可以進行新的通信系統(tǒng)的開發(fā)和驗證，加快研發(fā)流程。利用net*TIMS開展通信理論與技術(shù)實驗教學(xué)，可以解決實驗資源緊張的情況，學(xué)生可以靈活選擇實驗時間，按照自己的興趣選擇實驗內(nèi)容，發(fā)揮了他們的主觀能動性，并有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實踐表明，這次教學(xué)模式改革在很大程度上使學(xué)生的認(rèn)識能力、實踐能力和應(yīng)用能力得到了全面的培養(yǎng)和提高，培養(yǎng)了學(xué)生正確的思維方法和綜合設(shè)計分析能力，完全達到了實驗教學(xué)改革的目的，同時為其他課程的實驗改革提供了一個良好的參考。

References)

[1] 李莉，趙蓉，項東.通信原理綜合實驗教學(xué)改革的實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34(8):179-181.

[2] 韋娟，劉乃安，李曉輝.面向?qū)I(yè)認(rèn)證的實踐教學(xué)體系構(gòu)建與評估[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016，38(5):110-112.

[3] 許正榮，賈賢龍，李陽，等.通信原理實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(4):171-174.

[4] 陳麗霞，范士勇，劉鑫.虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代通信網(wǎng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32(4):132-135.

[5] Tim Hooper.Instructor’s Manual[M].澳大利亞: Emona Instruments Pty Ltd， 2016.

[6] 楊宇紅，袁焱，田礫.通信原理實驗教程:基于NI軟件無線電教學(xué)平臺[M].北京 : 清華大學(xué)出版社， 2015.

[7] 邢鑫，趙慧.基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33(5):160-164.

[8] 李欣，謝宏.虛擬儀器技術(shù)在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2014，33(5):155-159.