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)

0 引言

“通信理論與技術(shù)”是通信工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)主干課程之一。該課程理論性強，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，比較抽象，學(xué)生的學(xué)習(xí)難度較大。在以往的課程教學(xué)中，其知識傳授只是停留在公式推導(dǎo)以及理論基礎(chǔ)上，并未落實到實際的通信系統(tǒng)中。

實驗教學(xué)是“通信理論與技術(shù)”課程教學(xué)中的一個重要的環(huán)節(jié)，學(xué)生在這一環(huán)節(jié)里加深對理論的理解和掌握，熟悉實際的通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、各模塊之間的關(guān)系和連接。學(xué)生從測試端觀測到各環(huán)節(jié)的信號，進一步直觀地理解通信系統(tǒng)、原理及各環(huán)節(jié)，同時了解到實際系統(tǒng)是以原理為基礎(chǔ)，但又有所不同。

高等學(xué)校的“通信理論與技術(shù)”實驗課卻不盡如人意，沒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。總體來說，存在以下幾方面問題，①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。②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。③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，然而這種模型很難準確地描繪所有的現(xiàn)實條件，也難以獲悉采用某種模型的可行性。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識和設(shè)計，而且復(fù)雜的通信系統(tǒng)很難準確建模[1～3]。

選修“通信理論與技術(shù)”實驗課的學(xué)生通常規(guī)模大，但是實驗室能提供的場地受限，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)造性能力，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教學(xué)目標的實現(xiàn)，因此必須對現(xiàn)有的實驗?zāi)Ｊ竭M行適應(yīng)性改革。

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的方式。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。這使數(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)”的課程與教材上都是以方塊圖的方式來表示通信系統(tǒng)各組成部分的功能，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，這些方塊圖都是以一個個實物模塊和對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式完成。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)定了標準，方便組合。各模塊的輸入輸出端均安置在模塊的前面板上，用連接線連接，每一模塊都可用于任何實驗。模塊上的控制旋鈕是沒有刻度記號，避免學(xué)生使用“對照”途徑來建立實驗，而是讓學(xué)生必須依據(jù)實際的測量變量，來確認理論的計算值。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，而不是通過電腦程序和數(shù)值解法進行仿真模擬。與“現(xiàn)實世界的實驗”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他們正在研究的信號[4]。

基于半實物的虛擬仿真系統(tǒng)以遠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)生動手做，而獲得實質(zhì)的學(xué)術(shù)知識。基于半實物的虛擬仿真系統(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)備是一臺示波器而已[5]。基于半實物的虛擬仿真系統(tǒng)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。另外，學(xué)生也可以在系統(tǒng)環(huán)境里設(shè)計自己的模塊，通過實驗掌握自己所要鉆研的通信領(lǐng)域里的知識點，并以此作為研究方向。

2 網(wǎng)絡(luò)化的半實物的虛擬仿真

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)傳送三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，利用真正的硬件模塊，實現(xiàn)遠程通信相關(guān)原理及公式。網(wǎng)絡(luò)實驗的功能等同標準實驗，實驗控制操作均與標準系統(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。標準系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)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)均可通過用戶電腦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，可設(shè)置在實驗室里的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和實驗器材，電腦界面同樣可顯示于學(xué)生家里或其他實驗室的瀏覽器中?？蛻舳私缑娌徽撏庥^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[6]。

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。

3 模式改革實踐

我?！巴ㄐ爬碚撆c技術(shù)”實驗課程模式的改革經(jīng)過前期調(diào)研、借鑒兄弟院校開展同類課程實驗的情況和改進措施，在實驗室現(xiàn)有資源設(shè)備和環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用基于半實物的虛擬仿真技術(shù)開展相關(guān)的實驗工作。

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)”課程教學(xué)大綱的要求安排實驗，本次實踐共進行了八組實驗，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58名學(xué)生參與這一項目，同時使用3臺服務(wù)器時，學(xué)生隨機選擇服務(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)過一學(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)生不僅很好的掌握了通信知識，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net*TIMS開展“通信理論與技術(shù)”基于半實物仿真的實驗教學(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，為其他課程實驗的改革提供了一個良好的參考。

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