莫丹雷

摘? 要：《通信原理》是通信工程、電子信息等信息類專業(yè)設(shè)置的一門較抽象的主干課程，為了使學(xué)生更容易、更深刻地理解通信原理中一些重要理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本文基于虛擬仿真技術(shù)搭建了通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、調(diào)試方法和效果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面介紹了該實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的整體構(gòu)思和具體功能，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)步驟通過(guò)動(dòng)畫的形式進(jìn)行演示，使學(xué)生在課程與實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中獲得更直觀的教學(xué)感受，旨在在《通信原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：通信原理? 虛擬仿真? 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：O4-33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0200-03

Abstract： Communication Principle is an abstract main course for communication engineering， electronic information and other information majors. In order to make students understand some important theories and experimental phenomena in communication principles more easily and deeply， this paper builds a communication principle experimental platform based on virtual simulation technology， and introduces the construction of the experimental platform， debugging methods and effects， and experimental results The overall concept and specific functions of the experimental simulation platform are presented. The related experimental steps are demonstrated in the form of animation， so that students can get more intuitive teaching experience in the course and experiment learning， aiming at the corresponding teaching reform in the experimental teaching of Communication Principle.

Key Words： Communication Principle; Virtual simulation; Experiment platform; Teaching reform

通信原理相關(guān)實(shí)驗(yàn)主要包括了信源編碼技術(shù)、基帶傳輸編譯碼技術(shù)、基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)、信道編譯碼技術(shù)、同步技術(shù)等重要的內(nèi)容，具有比較強(qiáng)的理論應(yīng)用性。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，許多高等工科院校的通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)已將通信原理及實(shí)驗(yàn)課程列入必修專業(yè)課程，甚至一些高等院校更是將通信原理及實(shí)驗(yàn)作為重點(diǎn)課程開展相關(guān)建設(shè)[1-4]。

通信原理主要是分析了信號(hào)在數(shù)字通信系統(tǒng)中的信道編碼技術(shù)、調(diào)制、解調(diào)以及信號(hào)在信道傳輸方式等關(guān)鍵技術(shù)。通信原理實(shí)驗(yàn)課是將抽象的原理實(shí)際化，將信號(hào)在通信原理實(shí)驗(yàn)箱中經(jīng)過(guò)信道編碼、信號(hào)調(diào)制、信號(hào)解調(diào)等過(guò)程，進(jìn)而直觀地感受到信號(hào)波形變化的過(guò)程，進(jìn)一步地掌握通信原理中的關(guān)鍵技? ? ? ? ?術(shù)[5]。作為一項(xiàng)面向?qū)嶋H測(cè)量與通信的學(xué)科，其應(yīng)用性極強(qiáng)，但是實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中，一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題表現(xiàn)十分凸出，主要集中在以下兩個(gè)方面：

（1）由于通信原理的實(shí)驗(yàn)對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求比較高，故對(duì)實(shí)驗(yàn)箱所用到的信號(hào)處理芯片要求高，而電路中的各種電子元器件、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等，這些信號(hào)處理芯片以及電子元器件不僅容易因?qū)嶒?yàn)失誤造成損壞，而且更換器件也較為麻煩，更重要的是相關(guān)實(shí)驗(yàn)箱價(jià)錢昂貴，無(wú)法滿足學(xué)生單獨(dú)操作實(shí)驗(yàn)的需求。并且即使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師都會(huì)一再?gòu)?qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性與安全性，但是學(xué)生數(shù)量眾多、實(shí)驗(yàn)箱使用頻繁，終歸還是免不了有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)芯片和電子元器件的損壞，造成不必要的財(cái)務(wù)損失[6]。

（2）通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜且抽象，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨困難。由于通信原理實(shí)驗(yàn)需要掌握一定的理論，但其理論多且抽象，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備連線準(zhǔn)確后方可上電，最后通過(guò)示波器觀測(cè)信號(hào)波形。能否觀測(cè)到正確的信號(hào)波形需要一個(gè)復(fù)雜的調(diào)試過(guò)程：一方面需要在設(shè)置正確的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，確保在實(shí)驗(yàn)箱連線的無(wú)誤;另一方面由于信號(hào)較為抽象，需要借助示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。這就導(dǎo)致在調(diào)試某一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要花更多的時(shí)間在參數(shù)設(shè)置、設(shè)備連線及示波器調(diào)試上才能更準(zhǔn)確觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)效果，而實(shí)驗(yàn)課堂的時(shí)間又較為有限。

因此，希望建立一個(gè)通信原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如信源編碼技術(shù)、基帶傳輸編碼技術(shù)、基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)、信道編碼技術(shù)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行一次較大的教學(xué)改革，使得相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能更好更有效地開展，提高學(xué)生的實(shí)際操作和創(chuàng)新能力[7]。

2? 通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)及功能

通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的建立將可為通信原理、移動(dòng)通信、高頻電子線路、光纖通信等多門通信類實(shí)驗(yàn)課程的多個(gè)實(shí)驗(yàn)提供虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如HDB3碼型變換實(shí)驗(yàn)、卷積碼編譯碼實(shí)驗(yàn)、ASK調(diào)制及解調(diào)實(shí)驗(yàn)等。根據(jù)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體要求，本文初步設(shè)計(jì)的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)總體界面如圖1所示?？梢?jiàn)，界面上可以完成模擬信號(hào)源功能、數(shù)字信號(hào)源功能、通信原理實(shí)驗(yàn)菜單功能、模塊設(shè)置功能、系統(tǒng)升級(jí)五種功能的設(shè)置。下面以模擬信號(hào)源共設(shè)置為例進(jìn)行說(shuō)明。

模擬信號(hào)源菜單由“信號(hào)源”按鍵進(jìn)入，該菜單下按“選擇/確定”鍵可以依次設(shè)置：“輸出波形”→“ 輸出頻率”→“ 調(diào)節(jié)步進(jìn)”→“音樂(lè)輸出”→“占空比”（只有在輸出方波模式下才出現(xiàn)）。在設(shè)置狀態(tài)下，選擇“選擇/確定”就可以設(shè)置參數(shù)了。

（1）“輸出波形”設(shè)置。

一共有6種波形可以選擇：正弦波：輸出頻率 10Hz～2MHz;方波：輸出頻率 10Hz～200kHz;三角波：輸出頻率 10Hz～200kHz;DSBFC（全載波雙邊帶調(diào)幅）：由正弦波作為載波，音樂(lè)信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，輸出全載波雙邊帶調(diào)幅;DSBSC（抑制載波雙邊帶調(diào)幅）：由正弦波作為載波，音樂(lè)信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，輸出抑制載波雙邊帶調(diào)幅;FM：載波固定為20kHz，音樂(lè)信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。

（2）“輸出頻率”設(shè)置。

“選擇/確定”順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以增大頻率，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小頻率。頻率增大或減小的步進(jìn)值根據(jù)“調(diào)節(jié)步進(jìn)”參數(shù)來(lái)。在“輸出波形”DSBFC和DSBSC時(shí)，設(shè)置的是調(diào)幅信號(hào)載波的頻率;在“輸出波形”FM時(shí)，設(shè)置頻率對(duì)輸出信號(hào)無(wú)影響。

（3）“調(diào)節(jié)步進(jìn)”設(shè)置。

“選擇/確定”順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以增大步進(jìn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小步進(jìn)。步進(jìn)分為：10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz五檔。

（4）“音樂(lè)輸出”設(shè)置。

設(shè)置“MUSIC”端口輸出信號(hào)的類型。有三種信號(hào)輸出“音樂(lè)1”、“音樂(lè)2”、“3K+1K正弦波”三種。

（5）占空比”設(shè)置。

“選擇/確定”順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以增大占空比，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小占空比。占空比調(diào)節(jié)范圍10%～90%，以10%為步進(jìn)調(diào)節(jié)。

以信道編譯碼技術(shù)中的卷積碼編譯碼實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行介紹，首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟啟動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)總體界面;其次，設(shè)置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【卷積碼編譯碼及交織】;接著在信道編譯碼模塊中調(diào)節(jié)編碼類型為：卷積碼編碼，編碼模式為：無(wú)差錯(cuò)模式，使得系統(tǒng)的初始狀態(tài)為：編碼輸入8K數(shù)據(jù)的無(wú)差錯(cuò)卷積編碼模式;最后添加示波器用于觀測(cè)信道編譯碼模塊中的編碼輸入數(shù)據(jù)，卷積編碼輸出，卷積譯碼輸出等數(shù)據(jù)。

當(dāng)以正確的方法設(shè)置好參數(shù)，以及正確地將信號(hào)源模塊跟信道編譯碼模塊連接后，最終可以觀測(cè)到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由此來(lái)虛擬仿真整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生經(jīng)過(guò)了虛擬仿真平臺(tái)的操作后，更好地理解和掌握了實(shí)驗(yàn)原理、操作方法后，再到實(shí)際操作平臺(tái)中選擇實(shí)際的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，完成卷積碼編譯碼實(shí)驗(yàn)步驟并調(diào)試出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

此虛擬平臺(tái)的建立，能很好地解決在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的2個(gè)問(wèn)題：（1）避免了設(shè)計(jì)方法、方案抽象。因通信原理實(shí)驗(yàn)原理抽象，教師在實(shí)驗(yàn)課堂上對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解時(shí)，學(xué)生對(duì)復(fù)雜的理論過(guò)程難以快速接受，造成實(shí)驗(yàn)進(jìn)展速度緩慢。而虛擬仿真平臺(tái)的搭建，給學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了條件，動(dòng)畫式的實(shí)驗(yàn)步驟和相應(yīng)結(jié)果令學(xué)生更容易理解知識(shí)點(diǎn);（2）避免不必要的材料損耗。因設(shè)計(jì)信道編碼技術(shù)的步驟抽象且復(fù)雜，一旦出現(xiàn)步驟出錯(cuò)，連線錯(cuò)誤，輕則不能調(diào)試出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重則燒毀通信原理實(shí)驗(yàn)箱，造成財(cái)務(wù)損失。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文搭建的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)功能雖還未十分完善，但其使用靈活、調(diào)試簡(jiǎn)單、調(diào)試結(jié)果穩(wěn)定性好，整體上具有較好的魯棒性，具有較大的發(fā)展和開發(fā)潛力。該實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的搭建對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的推動(dòng)性，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，該平臺(tái)的使用不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)新性，提高學(xué)生的思考和實(shí)際操作能力，還能在一定程度上減輕教師的工作量，對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革有一定的促進(jìn)及參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊小鳳.通信原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高師理科學(xué)刊，2017，37（1）：95-97.

[2] 展慧，李志敏.基于LabVIEW虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（8）：78-79.

[3] 王冬梅，王秀芳，闞玲玲.基于虛擬仿真平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（31）：133-134.

[4] 楊正.基于LabVIEW的通信原理實(shí)驗(yàn)仿真軟件設(shè)計(jì)[D].北京：北京化工大學(xué)，2015.

[5] 劉毓，鄒星.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].科技資訊，2016，14（33）：100-101.

[6] 甘永進(jìn).虛擬仿真技術(shù)在光電測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西物理，2017，38（Z1）：48-50.

[7] 蔣曲博，秦祖軍，張麗娟，等.基于虛擬仿真技術(shù)的光電測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（15）：98-100.