孫海欣 張猛 胡沖

摘? ?要：通信原理課程是電子信息類專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容多、概念抽象、公式繁雜，在有限的課時(shí)內(nèi)要求學(xué)生掌握課程的相關(guān)內(nèi)容十分困難，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)也不容易理解。本文基于虛擬仿真技術(shù)，對(duì)通信原理課程的課堂教學(xué)進(jìn)行改革，利用e-Labsim平臺(tái)將通信原理課程的理論內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)演示出來(lái)，提高學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)點(diǎn)的理解，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：通信原理? 虛擬仿真技術(shù)? e-Labsim平臺(tái)? 2FSK

中圖分類號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（c）-0228-03

Abstract： Communication principle course is a compulsory professional foundation course for the electronic information category majors， which has the features of strong theory， mass contents， abstract concept and complicated formula. It is difficult to master the relevant contents within a limited class time. Meanwhile， students are not easy to understand the knowledge in the learning process. In this paper， we reform the classroom teaching method for the communication principle course based on the virtual simulation technology. By exploiting the e-Labsim platform to demonstrate the theoretical contents of the communication principle course， the understanding of the abstract knowledge is improved， the practical and innovation ability of the students can be enhanced and the study interests for this course are stimulated.

Key Words： Communication Principle; Virtual Simulation Technology; E-Labsim Platform; Binary Frequency Shift Keying

通信原理課程是電子信息工程、通信工程及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，著重培養(yǎng)學(xué)生從通信基本理論的角度去觀察、分析與解決問(wèn)題以及進(jìn)行通信系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的能力。該課程的主要特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、內(nèi)容較多、概念抽象、公式繁雜、教材各章節(jié)之間的融合與貫通較多，對(duì)相關(guān)數(shù)理基礎(chǔ)要求較高，無(wú)論是對(duì)于教師還是學(xué)生，在教與學(xué)的過(guò)程中都存在一定的難度。此外，隨著我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》的正式會(huì)員，我國(guó)工程教育標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始與國(guó)際接軌，工程教育專業(yè)認(rèn)證工作不斷推進(jìn)，使得本科培養(yǎng)方案的學(xué)時(shí)不斷壓縮，目前我院通信原理課程的總學(xué)時(shí)已由64學(xué)時(shí)壓縮到56學(xué)時(shí)。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)有效地完成本課程的教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生較好地掌握課程的教學(xué)內(nèi)容，是教授通信原理課程教師面臨的一個(gè)難題。對(duì)于通信原理課程的教學(xué)，不僅要求教師對(duì)該課程的教學(xué)體系及教學(xué)內(nèi)容有深入的理解，還要求教師在該課程的教學(xué)模式、教學(xué)方法及教學(xué)手段上不斷革新。

此外，該課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)地有限，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)，既要掌握實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備的操作，又要通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握相關(guān)的原理、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)效果十分不理想。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)高等院校開(kāi)設(shè)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是基于實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行的，開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)大多數(shù)也都是驗(yàn)證型、演示型實(shí)驗(yàn)。學(xué)生不僅動(dòng)手操作的范圍有限，對(duì)理論知識(shí)的理解不夠深入。

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛地融入到高校的課程教學(xué)中。本文將e-Labsim平臺(tái)用于通信原理課程的教學(xué)，旨在提高該課程的教學(xué)效果，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的能力。

1? e-Labsim平臺(tái)介紹

e-Labsim是一套專門針對(duì)通信專業(yè)課程教學(xué)和創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的模塊級(jí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，將通信原理實(shí)驗(yàn)相關(guān)的模塊和測(cè)試儀器全都“搬移”到電腦里面，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造，讓學(xué)生可以隨時(shí)隨地登錄網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)。e-Labsim平臺(tái)能完整模擬硬件外觀及行為，所有實(shí)驗(yàn)?zāi)K和測(cè)試設(shè)備具有和實(shí)際硬件一樣的使用感受，輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可完成對(duì)模塊及設(shè)備上所有開(kāi)關(guān)、旋鈕及菜單的操作，操作界面和實(shí)驗(yàn)箱完全一樣，實(shí)現(xiàn)了從仿真環(huán)境到實(shí)際的硬件環(huán)境的“無(wú)縫”切換，使學(xué)生更容易理解。

e-Labsim平臺(tái)基于虛擬仿真技術(shù)，融合了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器等多種實(shí)驗(yàn)儀器，所有儀器可多臺(tái)調(diào)用，擺脫了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備數(shù)量及性能的限制。該平臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行登錄，學(xué)生不必親自來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，在圖書館或者教室也能隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受人數(shù)和空間的限制，讓學(xué)生擁有隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐的環(huán)境，并使本課程的教學(xué)資源得到了充分有效的利用。此外，該平臺(tái)內(nèi)置完整的二次開(kāi)發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，能夠加載Matlab的m函數(shù)以及C語(yǔ)言的DLL文件?？勺寣W(xué)生方便地進(jìn)行無(wú)負(fù)擔(dān)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，且學(xué)生設(shè)計(jì)的功能完全可以替代模塊而融入到系統(tǒng)實(shí)踐中去，使學(xué)生能循序漸進(jìn)地從部分功能的開(kāi)發(fā)擴(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2? 2FSK的教學(xué)方法研究

2.1 2FSK的原理概述

2FSK利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，其已調(diào)信號(hào)的表達(dá)式為：

（1）

式中，g（t）為單極性不歸零的矩形脈沖信號(hào)，為an的反碼。和分別為an和對(duì)應(yīng)的角頻率。

2FSK的調(diào)制可以采用頻率鍵控法。假設(shè)兩個(gè)載波信源為頻率不同的正弦波，基帶信號(hào)為“10”序列，當(dāng)?shù)谝宦份d波輸出與其相乘時(shí)，數(shù)據(jù)“1”的部分會(huì)產(chǎn)生波形，而數(shù)據(jù)“0”的位置則不會(huì)產(chǎn)生波形;第二路載波信號(hào)與通過(guò)反相器的基帶信號(hào)相乘，會(huì)產(chǎn)生和第一路載波相反的情況，最后兩路載波已調(diào)信號(hào)通過(guò)相加器，產(chǎn)生2FSK已調(diào)信號(hào)。

2FSK信號(hào)的解調(diào)有非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種。其解調(diào)原理是將2FSK信號(hào)分解為上下兩路2ASK信號(hào)分別進(jìn)行解調(diào)，相干解調(diào)采用“本地載波+乘法器+低通濾波器”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，非相干解調(diào)采用包絡(luò)檢波法來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后再進(jìn)行判決。

在課堂的講授過(guò)程中，如果單純通過(guò)公式，理論介紹及分析給學(xué)生講解2FSK系統(tǒng)，不僅枯燥無(wú)味，學(xué)生也不容易理解。但如果結(jié)合仿真平臺(tái)，將該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及現(xiàn)象展現(xiàn)給學(xué)生，不僅加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還能提高課堂的教學(xué)效果，做到理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

2.2 基于e-Labsim平臺(tái)的2FSK仿真實(shí)現(xiàn)

在分析完2FSK的理論知識(shí)點(diǎn)之后，通過(guò)e-Labsim搭建2FSK仿真平臺(tái)，運(yùn)行并觀測(cè)基帶信號(hào)、已調(diào)信號(hào)及解調(diào)輸出信號(hào)的波形變化。基于e-Labsim平臺(tái)的2FSK調(diào)制解調(diào)原理及系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)分別如圖1和圖2所示，仿真中調(diào)制采用頻率鍵控法，解調(diào)采用非相干解調(diào)法。

通過(guò)圖1可以更進(jìn)一步地理解2FSK調(diào)制解調(diào)的基本原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在理解原理的基礎(chǔ)上，搭建仿真平臺(tái)，運(yùn)行后基帶信號(hào)波形如圖2中示波器中黃色曲線所示，已調(diào)信號(hào)波形如圖2右上示波器中藍(lán)色曲線所示，解調(diào)輸出波形如圖2右下示波器藍(lán)色曲線所示。仿真中基帶信號(hào)采用32kHz的PN碼產(chǎn)生，載波頻率128kHz對(duì)應(yīng)碼元“0”，載波頻率256kHz對(duì)應(yīng)碼元“1”，從示波器的波形中可以清楚地看到基帶信號(hào)隨已調(diào)信號(hào)的頻率變化規(guī)律。經(jīng)解調(diào)后輸出信號(hào)波形與基帶信號(hào)波形一致，但略有延遲。進(jìn)一步地對(duì)2FSK的眼圖進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，眼圖端正，跡線清楚，清晰地反映了基帶信號(hào)碼元的變化規(guī)律。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將通信原理課程教學(xué)與e-Labsim平臺(tái)相結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象概念及理論的理解，學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣有了明顯的提高。采用e-Labsim平臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂理論講授與硬件實(shí)驗(yàn)脫節(jié)的不足，而且不受時(shí)間和空間限制，可做到隨教隨練。此外，學(xué)生在課下可對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展，可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且可以根據(jù)需求自行調(diào)整參數(shù)，做到理論知識(shí)與實(shí)踐的融會(huì)貫通，進(jìn)一步提高自身的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

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