劉振

摘 要 文章結(jié)合應(yīng)用型高校教學實際，探索在通信原理課程中開展仿真教學的方法。在理論教學中，利用仿真技術(shù)分析關(guān)聯(lián)知識點，解釋抽象的教學內(nèi)容，說明電路工作的原理。在實驗教學中，將仿真平臺和硬件設(shè)備結(jié)合使用，通過增加電路仿真環(huán)節(jié)，促進學生學習實驗電路結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件設(shè)計綜合性、研究性的實驗項目，培養(yǎng)學生的知識應(yīng)用能力。在通信原理課程中進行仿真教學，豐富了教學內(nèi)容，提高了教學效果，為學生在后續(xù)學習中使用仿真工具奠定了知識基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 通信原理；仿真教學；應(yīng)用型高校

中圖分類號：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.018

Exploration and Practice of Simulation Teaching of Communication Principles

in Applied Universities

LIU Zhen

（School of Electronics and Information Engineering， West Anhui University， Lu'an， Anhui 237012）

Abstract Exploring the methods of conducting simulation teaching in the course of communication principles based on the practical teaching of applied universities. In theoretical teaching， simulation technology is used to analyze related knowledge points， explain abstract teaching content， and explain the working principles of circuits. In experimental teaching， simulation platforms and hardware devices are combined to enhance students' learning of experimental circuit structures by adding circuit simulation links. Simulation software is used to design comprehensive and research-oriented experimental projects， and to cultivate students' knowledge application abilities. Conducting simulation teaching in the course of communication principles enriches teaching content， improves teaching effectiveness， and establishes a knowledge foundation for using simulation tools in subsequent learning.

Keywords communication principles; simulation teaching; applied universities

在新工科建設(shè)背景下，應(yīng)用型高校開展工科教學更強調(diào)學科的實用性和綜合性。當前通信原理課程教材大多注重課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和嚴密性，偏重模型原理介紹，數(shù)學推導較多，缺少具體實物分析，部分概念較抽象。應(yīng)用型高校的學生數(shù)學基礎(chǔ)較薄弱，在理解這類課程內(nèi)容時有一定難度。在實驗教學方面，實驗內(nèi)容受到硬件設(shè)備的制約，驗證性實驗內(nèi)容較多，綜合性和研究性實驗項目較少。實驗設(shè)備廠商提供的實驗指導書往往對實驗基本原理和操作步驟介紹得較為詳細，但是對實驗電路的結(jié)構(gòu)解釋較少，造成學生對實驗系統(tǒng)工作原理的理解不夠深入。因此，在教學過程中引入虛擬仿真技術(shù)來改善教學效果，提高學生學習興趣，一直是研究熱點[1-3]。Matlab軟件由于其在數(shù)學分析和系統(tǒng)仿真方面的優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域的教學中應(yīng)用廣泛。通過Matlab可以將復雜抽象的數(shù)學定義轉(zhuǎn)換為圖形描述方式，利用軟件中的通信仿真模塊還可以搭建系統(tǒng)模型解釋信號傳輸過程[4-5]。電路仿真軟件Multisim中包含大量的元器件模型，在介紹調(diào)制和解調(diào)方法時，設(shè)計相應(yīng)的仿真電路，通過分析電路運行效果解釋調(diào)制解調(diào)工作原理，能夠使教學內(nèi)容更具體[6]。然而，相關(guān)文獻對仿真技術(shù)在實踐教學中的應(yīng)用關(guān)注較多，從理論教學、實驗課程以及專業(yè)培養(yǎng)體系多方面探討仿真技術(shù)應(yīng)用的較少。此外，為了更好地展示教學內(nèi)容，可能需要多種仿真工具配合使用，而研究仿真技術(shù)綜合應(yīng)用的文獻也不多。本文探索在通信原理課程中進行仿真教學的方法，通過仿真軟件將復雜的數(shù)學分析和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形象化，幫助學生從系統(tǒng)到電路多層次理解教學內(nèi)容。

1? 理論教學中仿真方案的研究

1.1? 分析關(guān)聯(lián)知識點

課程教學中的很多知識點之間相互關(guān)聯(lián)，對這些內(nèi)容進行綜合分析，有利于幫助學生建立知識體系，但這些內(nèi)容可能處于多個章節(jié)中，教材對跨章節(jié)的內(nèi)容進行綜合分析的較少。例如，模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制之間有很多相似之處，在模擬調(diào)制中，若調(diào)制信號為加入直流分量的余弦信號，與載波相乘可以得到AM信號；在數(shù)字調(diào)制中，二進制單極性基帶與載波相乘可以產(chǎn)生2ASK信號。由此可知，模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制都可以采用相乘法來實現(xiàn)對載波幅度的控制。在解調(diào)方面也存在類似情況，AM信號和2ASK信號解調(diào)方式中都有相干解調(diào)，不同點在于AM信號經(jīng)過與載波相乘和低通濾波后，可以恢復模擬調(diào)制信號，而2ASK信號還需要通過抽樣判決才能恢復數(shù)字基帶信號?？梢姡瑪?shù)字解調(diào)和模擬解調(diào)既聯(lián)系緊密又存在一定區(qū)別。教師在講授2ASK相關(guān)內(nèi)容時，將2ASK信號和AM信號的調(diào)制解調(diào)電路進行對比，利用仿真軟件演示電路工作效果，可以幫助學生理解兩種調(diào)制方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。

由于直流分量取值對調(diào)幅信號的解調(diào)方式有很大影響，教師在介紹調(diào)幅相關(guān)原理時，需要進行分析說明。當直流分量幅度大于等于調(diào)制信號幅度最大值時，已調(diào)信號包絡(luò)按照調(diào)制信號進行變化，解調(diào)可以采用包絡(luò)檢波法。如果不滿足上述條件，已調(diào)信號的包絡(luò)不再與調(diào)制信號的變化規(guī)律一致，此時解調(diào)只能采用相干解調(diào)法。當直流分量幅度為零時，已調(diào)信號就轉(zhuǎn)變?yōu)橐种戚d波的雙邊帶信號。教師在介紹調(diào)幅原理時，利用仿真軟件建立調(diào)幅系統(tǒng)仿真模型，通過調(diào)節(jié)模型中直流分量的幅度，演示已調(diào)波形的變化情況，與使用傳統(tǒng)的課件講解方式相比，仿真軟件能夠?qū)⒉ㄐ巫兓瘎討B(tài)展示出來，幫助學生理解直流分量對調(diào)幅的作用。

1.2? 解釋抽象的教學內(nèi)容

課程部分知識點采用數(shù)學公式描述不易理解，利用仿真軟件可以繪制出知識點的波形，將教學內(nèi)容形象化。例如，在講解單邊帶調(diào)制內(nèi)容時，設(shè)調(diào)制信號為，則調(diào)制后的單邊帶信號可以表示為，如果僅從數(shù)學表達式講解，學生難以體會單邊帶信號的具體形式。教師可以利用仿真軟件的圖形繪制功能，編寫程序繪制出單邊帶信號的波形，通過信號波形來解釋單邊帶信號的概念相比數(shù)學表達式學生會更容易理解。

在介紹通信系統(tǒng)工作原理時，教材通常使用原理框圖說明各部分的功能[7]，但原理框圖相對抽象，如果利用仿真軟件構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)模型，能夠使講解內(nèi)容更形象。Matlab軟件的圖形化建模工具Simulink中包含大量的專業(yè)模塊，可以搭建多種類型的通信系統(tǒng)模型。教師在介紹通信系統(tǒng)時，可以在原理圖的基礎(chǔ)上建立仿真模型，結(jié)合仿真效果說明系統(tǒng)功能。

1.3? 說明電路工作原理

在介紹調(diào)制解調(diào)內(nèi)容時，如果利用仿真軟件將調(diào)制解調(diào)電路工作效果展示出來，可以使講解更加具體。例如，在介紹幅度調(diào)制原理時，可以利用Multisim軟件設(shè)計AM調(diào)制電路和包絡(luò)檢波電路，通過仿真軟件演示調(diào)制和解調(diào)過程中的波形。利用仿真軟件還可以向?qū)W生解釋包絡(luò)檢波器的適用范圍，例如，設(shè)計雙邊帶信號的調(diào)制電路，觀察雙邊帶信號經(jīng)過包絡(luò)檢波后的波形，可以發(fā)現(xiàn)雙邊帶信號經(jīng)過包絡(luò)檢波輸出的波形與調(diào)制信號并不相同。圍繞仿真結(jié)果，教師可以開展課堂討論，探討雙邊帶信號不能直接使用包絡(luò)檢波器解調(diào)的原因。通過分析仿真波形可知，雙邊帶信號的包絡(luò)與調(diào)制信號的變化規(guī)律不同，不能簡單使用包絡(luò)檢波器進行解調(diào)，但采用相干解調(diào)方式可以獲得調(diào)制信號，進而引出相干解調(diào)方法。在軟件中設(shè)計相干解調(diào)仿真電路，觀察雙邊帶信號經(jīng)過相干解調(diào)后的波形，可以發(fā)現(xiàn)相干解調(diào)輸出的波形與調(diào)制信號形式一致。

2? 實驗教學中仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1? 軟件仿真和硬件設(shè)備相結(jié)合

實驗課程通常采用硬件設(shè)備完成，學生按照指導書上的操作步驟連接實驗?zāi)K、觀察信號波形，對系統(tǒng)電路的具體結(jié)構(gòu)關(guān)注不多。如果在教學中引入仿真設(shè)計內(nèi)容，將硬件設(shè)備和仿真軟件配合使用，可以起到較好的教學效果。教師可以將原有實驗項目分為兩個階段進行，先要求學生在仿真軟件中搭建實驗系統(tǒng)，驗證設(shè)計的正確性，然后再動手連接實驗設(shè)備上的硬件電路，測量輸出結(jié)果。通過仿真系統(tǒng)和實際電路之間的相互印證，讓學生對實驗原理有更深入的理解。例如，二進制差分相移鍵控調(diào)制實驗，實驗電路主要包括基帶序列、差分編碼、數(shù)字鍵控幾個模塊。實驗教學過程中，首先要求學生在Multisim軟件中設(shè)計實驗電路，利用仿真示波器觀察各功能模塊輸出的信號形式，然后連接硬件電路觀測實際波形。相比僅采用硬件設(shè)備的教學方案，融入仿真驗證階段后，實驗的內(nèi)容更加豐富，提高了學生參與實驗的興趣。

2.2? 設(shè)計綜合性實驗

傳統(tǒng)實驗教學中驗證性實驗內(nèi)容較多，綜合性實驗較少。例如，在基帶編碼實驗中，通過硬件設(shè)備只能觀察輸出結(jié)果，對學生理解編碼規(guī)則的理解幫助較少。若利用仿真平臺進行實驗，教師可以將幾種基帶編碼內(nèi)容進行綜合，要求學生在理解編碼規(guī)則的基礎(chǔ)上，使用Matlab軟件編程實現(xiàn)AMI碼、HDB3碼、雙向碼等多種編碼。學生在完成實驗的過程中，需要對相關(guān)編碼的規(guī)則有清晰的理解，同時還要具備一定的編程能力，將基帶編碼過程用代碼實現(xiàn)。軟件平臺的引入使原來驗證性的實驗變?yōu)槎嘀R點融合的設(shè)計實驗，提高了編碼實驗的綜合性。

角度調(diào)制中調(diào)頻和調(diào)相聯(lián)系緊密，對調(diào)制信號先積分再調(diào)相可以產(chǎn)生調(diào)頻波，對調(diào)制信號先微分再調(diào)頻可以產(chǎn)生調(diào)相波。圍繞調(diào)頻和調(diào)相設(shè)計的實驗較少，為了幫助學生體會調(diào)頻和調(diào)相之間的關(guān)系，教師可以利用仿真軟件開展角度調(diào)制綜合實驗，要求學生編寫代碼實現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)相的過程，分析比較兩種調(diào)制的區(qū)別。由于Matlab包含豐富的數(shù)學函數(shù)，學生可以依據(jù)兩種調(diào)制的數(shù)學定義調(diào)用軟件中的相關(guān)函數(shù)，將數(shù)學表達式轉(zhuǎn)換為程序代碼，最后繪制相應(yīng)波形進行對比分析。

2.3? 開展研究性實驗

由于硬件實驗受到設(shè)備功能的限制，實驗內(nèi)容的擴展性不強。在仿真平臺中修改信號參數(shù)和實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為容易，為開展研究性實驗提供了基礎(chǔ)。例如，2FSK信號可以分解為兩路2ASK信號，基于兩種數(shù)字調(diào)制方式之間的聯(lián)系，2FSK調(diào)制電路可以在2ASK調(diào)制電路的基礎(chǔ)上修改得到。實驗時，教師提供2ASK調(diào)制電路的設(shè)計資料，提示學生根據(jù)理論教學中介紹的2ASK和2FSK之間的關(guān)系，設(shè)計實現(xiàn)2FSK調(diào)制電路。幅度調(diào)制也可以設(shè)計研究性實驗內(nèi)容，幅度調(diào)制有濾波法和相移法兩種調(diào)制模型，其中，濾波法是通過選取不同特性的濾波器來產(chǎn)生相應(yīng)的信號，因此，如何設(shè)計濾波器是值得研究的問題。教師在實驗中提供雙邊帶信號調(diào)制電路圖，講解使用仿真軟件設(shè)計濾波器的方法，要求學生在分析雙邊帶信號頻譜特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計相應(yīng)的濾波器電路實現(xiàn)單邊帶、殘留邊帶調(diào)制。與直接提供實驗電路的方案相比，學生需要經(jīng)過一定研究和思考才能完成實驗任務(wù)，更有利于提高學生的知識應(yīng)用能力。

3? 專業(yè)培養(yǎng)體系中仿真教學的作用

3.1? 為后續(xù)課程奠定知識基礎(chǔ)

在通信原理課程中應(yīng)用仿真技術(shù)進行教學，為數(shù)字信號處理、移動通信、通信電子線路等后續(xù)課程建立了良好的知識基礎(chǔ)。在數(shù)字信號處理課程中，數(shù)字濾波器的設(shè)計是教學重點， Matlab軟件中包含了多種濾波器設(shè)計函數(shù)，學生利用在通信原理課程中學習的Matlab軟件知識，能夠較容易地掌握濾波器設(shè)計方法。在移動通信課程中，仿真軟件可以用于分析信號特性、解釋系統(tǒng)功能，使教學內(nèi)容更容易理解。通信電子線路課程涉及電路分析的內(nèi)容較多，教師可以借助通信原理課程中介紹的Multisim軟件演示電路工作效果，還可以將Multisim軟件用作實驗平臺開展實驗教學[8]。因此，通信原理課程對仿真軟件的介紹，為學生后續(xù)學習提供了有力支撐。

3.2? 提高學生的專業(yè)能力

課程中介紹的仿真軟件在通信技術(shù)、信號處理、自動控制等多個領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，學生可以結(jié)合自身興趣和專業(yè)知識利用仿真軟件開展研究，將理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。例如，學生在參與學科競賽、進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，仿真軟件可以對其設(shè)計的系統(tǒng)電路和算法模型進行驗證和完善，從而加快研究進度。因此，仿真軟件已經(jīng)成為未來學生開展學習和研究的重要工具，熟悉仿真軟件的使用方法，有助于提升學生的專業(yè)綜合能力。

4? 結(jié)語

在通信原理課程中引入仿真技術(shù)，對理論教學中的關(guān)聯(lián)知識進行綜合分析，建立的仿真模型能夠幫助學生理解通信系統(tǒng)各部分的作用，設(shè)計的仿真電路有利于說明電路工作的原理。實驗教學中采用軟件仿真和硬件實驗相結(jié)合的方法，引導學生理解實驗電路，拓展實驗內(nèi)容。采用仿真軟件還可以減少硬件設(shè)備對實驗內(nèi)容的制約，提高實驗項目的綜合性和研究性。仿真技術(shù)教學為學生后續(xù)課程的學習建立了知識基礎(chǔ)，為提高學生的專業(yè)能力提供了支持。

基金項目：安徽省質(zhì)量工程項目（2019JXTD092）；皖西學院教學研究重點項目（WXXY2020038）。

參考文獻

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