摘要：針對新冠疫情影響下，通信原理硬件實驗不能正常開展，并結(jié)合在通信原理實驗教學中存在的缺點和不足，設計了虛擬仿真和硬件視頻教學相結(jié)合的教學方法?；谕ㄐ畔到y(tǒng)虛擬仿真軟件System View，并以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實驗為例，介紹了System View虛擬仿真的實驗流程，同時錄制硬件教學視頻輔助學生進行線上學習。一個學期的實驗學習效果表明，System View虛擬仿真和觀看硬件教學視頻相結(jié)合的實驗教學方法，能夠有效地完成通信原理教學計劃中的實驗項目，加深通信理論知識的理解，培養(yǎng)學生自主設計研發(fā)綜合性通信系統(tǒng)的能力。

關(guān)鍵詞：通信原理;虛擬仿真;硬件教學視頻

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0132-02

通信原理是現(xiàn)代信息社會中的許多領(lǐng)域開展研究必備的理論基礎?！锻ㄐ旁怼芬彩蔷W(wǎng)絡工程、通信、電子和自動化專業(yè)本科教學計劃中的一門核心課程。通信原理的實踐教學是實現(xiàn)高等學校人才培養(yǎng)理念和學院人才培養(yǎng)定位的重要手段之一[1，2]。

通信原理涉及的相關(guān)概念比較抽象、公式推導復雜，因此學生很難理解掌握?，F(xiàn)有的硬件試驗箱只能提供系統(tǒng)固有的實驗，學生無法自主設計創(chuàng)新。目前，虛擬仿真和硬件實驗相結(jié)合的方法成為實踐教學的一種發(fā)展趨勢，它能夠提高學生的學習興趣，根據(jù)理論知識自主設計實驗系統(tǒng)，可以鞏固通信理論并提高學生的創(chuàng)新能力[3-7]。今年更是受到新冠疫情的影響，虛擬仿真平臺在通信原理的實驗教學中起到了重要作用。本文將介紹基于System View 虛擬仿真平臺的通信原理實驗和硬件實驗視頻相結(jié)合的教學方法，并以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實驗為例，介紹System View虛擬仿真的實驗流程。

1 傳統(tǒng)的通信原理實踐教學中存在的問題

教學手段方面，我校傳統(tǒng)的通信原理實踐教學采用湖北凌特電子技術(shù)有限公司的通信原理硬件試驗箱來完成。在實驗過程中，通常是老師先介紹實驗原理;然后學生按照實驗指導書提供的實驗步驟連線，只要連線正確，示波器上就能輸出波形;最后學生結(jié)合理論知識分析實驗結(jié)果。這種盲目機械的實驗教學容易挫傷學生的學習積極性。

實驗內(nèi)容方面，硬件實驗平臺模塊化，實驗內(nèi)容之間往往相互獨立，不利于學生對通信系統(tǒng)的綜合理解;固定的實驗內(nèi)容限制了學生的自主設計和創(chuàng)新能力。

實驗時間不靈活。由于硬件實驗需要按照教學計劃在規(guī)定的時間和地點使用，實驗不能很好地配合理論知識學習。學生學習了理論知識后，需要在實驗室之外的環(huán)境隨時靈活地對感興趣的內(nèi)容進行實驗，鞏固理論知識的學習。

2 疫情下虛實結(jié)合的通信原理實驗教學方法研究

2.1 基于System View 虛擬仿真平臺的通信原理實驗

基于System View 虛擬仿真平臺進行通信原理實驗，能夠解決傳統(tǒng)的硬件實驗不能自由地設置參數(shù)并進行頻譜分析的缺點，并且能夠解決由于設備損壞導致實驗結(jié)果有誤的問題，降低了實驗成本。學生自主設計通信系統(tǒng)，能夠激發(fā)自主學習的熱情，提高綜合性系統(tǒng)的設計創(chuàng)新能力。下面以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實驗為例，對基于System View 虛擬仿真平臺進行說明。

數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。發(fā)送濾波器將系統(tǒng)輸入的基帶脈沖轉(zhuǎn)換為適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號;數(shù)字基帶信號在信道中傳輸，經(jīng)常會由于信道特性的影響導致傳輸波形失真[8]。另一方面，數(shù)字基帶信號在信道中不可避免地會遭受外界噪聲的影響，可以通過眼圖觀察噪聲對數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)輸出波形的影響;接收濾波器的主要作用就是接收信號，濾除帶外噪聲并均衡信道特性;抽樣判決器在系統(tǒng)傳輸特性不理想的情況下，根據(jù)約定規(guī)則，對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，恢復數(shù)字基帶信號。

首先，利用System view 平臺建立數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真電路，如圖2。

其次，設置電路中各模塊的參數(shù)。系統(tǒng)的運行時間設為19999S，采樣頻率為1HZ。0號模塊為加法器，1號模塊為外界輸入的加性高斯噪聲，2號，5號，8號，13號，14號和16號模塊為信號觀察窗，3號模塊能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯異或功能，4號模塊計算算術(shù)均值，6號模塊實現(xiàn)增益為1的積分運算，9號模塊輸出為1HZ的2電平隨機序列，11號和15號模塊輸出頻率1HZ的采樣信號，當7號模塊接收數(shù)據(jù)大于100 時，停止系統(tǒng)仿真。在System view系統(tǒng)窗內(nèi)運行該系統(tǒng)，然后轉(zhuǎn)到分析窗觀察各點的波形，分析窗各點輸出波形如圖3。在分析窗可以觀察到接收濾波器輸出波形的眼圖，無噪聲存在時輸出波形的眼圖和有噪聲存在時輸出波形的眼圖分別見圖4和圖5，學生還可以隨意設置噪聲功率觀察眼圖的變化。在仿真過程中，學生可以靈活地改動實驗參數(shù)，觀察數(shù)字基帶系統(tǒng)各個節(jié)點的波形變化，分析其原因，進一步理解該系統(tǒng)的工作特性。

觀察實驗結(jié)果并對實驗結(jié)果進行分析，討論輸出結(jié)果與數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)工作原理是否吻合，利用眼圖進一步研究不同功率譜密度的噪聲對該系統(tǒng)失真程度的影響。通過本實驗，學生可以很好地理解數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成和信號傳輸?shù)奈锢磉^程，通過每個功能模塊的輸出波形理解相關(guān)模塊的作用，理解噪聲通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響。

2.2 提前錄制相關(guān)硬件實驗的視頻資料

由于疫情期間，學生無法進入實驗室進行硬件實驗的操作。在上實驗課之前，教師提前進入實驗室，錄制相關(guān)硬件實驗的視頻資料，分享到學習群。學生可以提前觀看視頻資料進行預習，形成相關(guān)實驗的感性認識，有助于增強學生對虛擬仿真實驗的理解。教師可以在實驗視頻教學中融入通信相關(guān)的前沿知識和科研成果，提高學生的學業(yè)水平。另外，學生還可以通過網(wǎng)絡交流工具直接與教師溝通實驗的原理、步驟以及實驗過程中遇到的問題，實現(xiàn)理論與實驗知識相結(jié)合，真正提高學生應對問題的能力。

3 虛實結(jié)合的通信原理實驗教學方法的優(yōu)勢

基于System View 虛擬仿真平臺的通信原理實驗可以完成教學大綱要求的所有實驗項目，并且能夠完成系統(tǒng)級的綜合性實驗。學生可以構(gòu)建從信源到信宿的完整的模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，了解各模塊的工作原理、功能以及各模塊之間的關(guān)系，使課堂所學理論知識得以實際應用。學生可以根據(jù)自己的理解進行系統(tǒng)搭建和模塊的設置，可以在調(diào)試系統(tǒng)過程中不斷試錯而不用擔心損壞實驗設備。實驗過程簡單直觀，可以更大程度地調(diào)動學生自主思考的積極性，提高自主設計的熱情。

另一方面，學生課前觀看硬件實驗的教學視頻作為線上實驗的補充。即使無法進入實驗室，學生也可以實現(xiàn)軟硬件相結(jié)合，使兩種實驗方式相互補充，相輔相成，使學生能夠深入理解通信系統(tǒng)中的基本原理，提高綜合設計和自主創(chuàng)新的能力。

4 結(jié)論

虛擬仿真實驗是國家教育發(fā)展的大趨勢，本文針對疫情期間線上實驗教學的特點，引入了基于System View 的虛擬仿真平臺，學生可以自主設計分析通信系統(tǒng)，顯著提高了學生自主學習的能力和對綜合性系統(tǒng)設計研發(fā)的興趣。錄制硬件實驗的教學視頻作為虛擬仿真實驗補充，增加學習方法的多樣性。實踐表明，虛擬仿真平臺和硬件教學視頻結(jié)合的教學方案能夠提升傳統(tǒng)實驗教學的質(zhì)量，提高學生的學習積極性和興趣，提高學生對通信系統(tǒng)的綜合理解和設計能力。

參考文獻：

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[7] 趙春波，譚雪霏，徐娟娟.新工科背景下通信原理課程教學改革探索與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（71）：90-91.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].7版.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

收稿日期：2021-09-17

基金項目：曲阜師范大學實驗技術(shù)研究項目（SJG201912）

作者簡介：代凌云（1979—），女，山東昌邑人，研究生，曲阜師范大學副教授，研究方向：通信信號處理，數(shù)據(jù)挖掘。