通信工程国家级特色专业虚拟实验室建设与实践

李 安，周南润，王玉皞

(南昌大学 电子信息工程系，江西 南昌330031)

0 引 言

当前通信技术发展迅猛，仿真技术逐渐成为了通信工程专业教学和实验的主要手段［1-3］。虽然国内高校已经开始了仿真实验的建设工作，但比较零散，只局限于某一门课程、某几个仿真实验开设［4-6］，缺乏对仿真实验教学的系统研究，难以充分发挥虚拟仿真技术的优势。为克服以上不足，本文研究了通信工程专业虚拟实验室体系架构，总结了南昌大学通信工程国家级特色专业虚拟实验室建设的教学经验和成果，并针对虚拟实验室建设中显现的部分问题，提出了最佳的解决方案。

1 虚拟实验室体系架构与实现模式

虚拟实验室(Virtual Lab)是现实科学理论的计算机虚拟镜像，是为了实现远程教学、实验验证、科研创新等活动，使用分布式通信技术和仿真技术构建的电子实验室［7-8］。与传统实验室相比，虚拟实验室能大大节约实验成本，提高设备利用率，不受时间、空间、设备和师资等条件限制，建设和维护成本低，具有损耗小，可重复使用，多媒体性和交互性好、开放性与共享性强等特点，便于学生预习和自习，便于教学内容合理更新，无论在经济性还是实用性上具有明显优势。

目前国内外虚拟实验室的研究处于起步阶段，还缺少成熟的理论，其架构理论与实现模式都不完善，因此，首先需要提出通信工程专业的虚拟实验室体系架构模型，再对实现模式进行细致分析。

1.1 虚拟实验室体系架构模型

因为仿真实验的本质是对现实科学研究过程实施计算机模拟，所以虚拟实验室体系架构必须对现实科学研究对象进行抽象，抽象的模型既要反映研究对象的科学(物理、化学等)过程，又要在现有的计算机平台与网络技术环境下实现。

通常虚拟实验室是由一个或多个具体的仿真实验(Simulation Experiment)组成，其模型可表达为:

其中，M 是组成虚拟实验室的仿真实验总数，随着科技的发展，仿真实验数量可以不断地增补和升级。

在虚拟实验室中，每个实际的仿真实验都由一个或多个模型(Model)构成，每个模型既包含实验素材库(material)和实验理论规则(rules)，又能实现数据的输入输出、数据曲线分析与绘制等人机交互(Human Computer Interaction，HCI)功能。所以，每个仿真实验的模型表示为:

其中，N 是组成仿真实验的仿真模型个数。将式(2)代入式(1)，则可得出虚拟实验室的体系架构模型:

其中:r 是仿真模型使用实验素材库内素材元素的个数;s 是仿真模型使用理论规则的个数;t 是仿真模型选择人机交互方式的种类数。

图1 显示了虚拟实验室的结构图，虚拟实验室内包含多个仿真实验，每个仿真实验都由多个仿真模型组成，每个模型使用特定的实验素材库，依照特定的理论规则运行实验阶段(Phase)及步骤(Stage)，并同时完成人机交互(HCI)，比如数据的输入输出、数据曲线分析与绘制等。值得注意的是，实验素材、人机交互、理论规则等都是采用函数的形式存储在虚拟实验室中，不同的仿真实验可使用控件或脚本语言调用所需的库函数完成实验过程，具有较好的共享性和开放性。

1.2 虚拟实验室的实现模式

虚拟实验室的体系架构模型结合通信工程专业的特色，依据仿真实验在客户端的不同表现形式，可将虚拟实验室的实现模式分成以下三类:

图1 虚拟实验室的结构图

(1)课堂集中演示模式。课堂集中演示模式采用简单的播放-观看形式，比如把通信原理课程中的基带信号、载波振荡器、载波同步器、滤波器等组织成图形和动画素材，依照调幅通信的理论规则，结合Flash、PPT、多媒体动画等形式展现调幅通信的实验过程和结论。这种模式将课程和实验难点进行多媒体演示，利于Web 远程教学［9-10］，有助于学生预习复习通信专业基本理论，加深对知识点的理解，适用于基础理论介绍和学习实验操作过程。

(2)学生自主学习模式。学生自主学习模式采用实验的多场景跳转形式，比如将数字通信实验按照过程分成数字调制过程、传输过程和数字解调过程，每个过程都有若干个场景，数字调制过程可分为ASK、FSK、PSK 多种调制场景，每个场景就是一个单元的实验，场景内部依照对应的通信理论规则，学生可以选择不同的场景进行实验，通过多媒体形式描述最终的实验现象和结果。这种模式对教学能起到引领作用，通过预先设定的路线，让学生跟着做一遍，比课堂集中演示模式更能激发学习兴趣，仿真实验效果更加突出。

(3)过程探索训练模式。过程探索训练模式比前两种模式的交互性大大增强，学生可按照自己的方式进行实验，自由度也增加了很多，比如Matlab 软件中的Simulink 仿真器封装了Communications Block Set，学生既可以直接调用内部函数完成数字基带通信等实验过程，又可以编写自己的函数和脚本进行探索训练和开展科研。过程探索训练模式适于在教学和研究领域进行探索式教学和实验模拟，它能够极大地激发学生搞科研的积极性，提高学生的科研能力。

2 虚拟实验室教学成效

在教育部、省教育厅和学校政策的指引下，2011年通信实验中心协调50 名教师和实验员，开设和开放了信号处理实验室、通信实验室、微波实验室和中兴通讯实验室等9 个实验室资源，对2009 级通信专业班级实行虚拟实验教学试点，在通信工程国家级特色专业虚拟实验室的建设中取得了显著的成绩。

(1)“生动教学”，提高教学质量。在2009 级通信专业班级的信号与系统、通信原理、计算机通信网等课程中推行仿真实验教学，把传统单一的硬件实验箱教学和仿真实验结合起来，发挥仿真技术的特长，生动教学，直观学习，加深学生对通信专业基本理论的理解。仿真实验训练测评结果表明，超过98%的学生对通信专业的基本概念理解清晰，完全掌握所学的知识，同时学生们充分认识本专业的应用领域和发展前景，激发起积极的敬业精神。

(2)“层次教学”，提高教学效率。在仿真实验教学实践过程中，采用层次教学方法，第一层次由实验技术人员指导学生掌握基本的仿真实验技能和Multisim［11］、Protues［12］等仿真软件使用方法，第二层次由若干教师指导学生学习电磁场、数字信号处理等理论课程的同时开展仿真实验，第三层次由学生自愿参与设计性仿真实验和研究型实验。学期末仿真实验考评结果表明，此次仿真实验教学试点充分整合了教学资源，量体裁衣，大大提高了教学效率，2009 级仿真实验教学覆盖面达到100%，培养了学生的动手能力和工程实践素质，增强部分学生的科研能力，得到师生们的一致好评。

(3)“求知教学”，带动教学内容的不断更新。通信实验中心十分重视虚拟实验室的求知教学，积极倡导实验教师把最新的实验方法、测试技术和仿真系统引进实验教学中来，让学生在低年级就开始接触先进设备和技术。今年，在通信实验中心的号召之下，部分教师主动将近期的科研成果转化为教学内容，把自己研究和接触的最新方法、技术手段和成果与实验教学结合，帮助学生及时了解、接触和掌握新事物，深深体会到通信专业的进步与竞争，主动参与教师的科研活动，为后续课程的学习和将来的科学研究奠定坚实的基础，很多师生都切身感觉到，“学生能力变强了，科研离学生更近了”。

3 仿真实验课程举例

3.1 实验原理和内容

FSK 是利用载波的频率变化来传递数字信息的调制方式，是数字通信的一个基础理论［13-14］。在授课过程中发现通信模型解释过于抽象，学生对nFSK 调制、相干解调、加性高斯噪声等概念难以理解，所以，选择4FSK 基带调制解调与误码率分析的设计实验。

3.2 实验过程和结果

首先在Matlab［15-16］的Simulink 库中，找到仿真电路所需要的各模块，将各个模块按4FSK 调制解调原理连接，如图2 所示，然后对输入信号、基带调制参数、高斯信道、基带解调参数、眼图、根轨迹图、基带频谱等参数进行设置。

图2 4FSK 基带调制解调系统模块

运行Simulink 程序，即可观察到4FSK 基带调制的频谱图如图3 所示，4FSK 基带调制与解调前后信号如图4 所示，所得到的波形与输入信号波形完全一样，误码率为0，这是理想的情况，学生可以自行修改系统模块的参数，比如信噪比，采样率等观测输入输出码元波形等的变化，更好地理解系统参数与性能的关系。

编写误码率分析的.m 源代码，得到误码率与信噪比的关系如图5 所示

可以看出，在相干解调方式中，随着信噪比的增大，误码率逐渐降低，仿真实验结果与实际信道是相吻合的。

图4 4FSK 基带调制与解调前后码元波形

图5 信噪比与误码率关系

3.3 学生对仿真实验课程的体会

通信工程专业虚拟实验室作为理论教学配套的手段，利用仿真技术将通信学科的典型实验生动地展现在课堂上，2009 级通信专业班级的仿真实验课程设计报告中，近95%学生提到仿真实验课程增强了对以前所学知识的综合运用和再提高，是对知识融会贯通很好的途径;经过试点教学，超过99%的学生感受到科学视野变得开阔，学习兴趣变得浓厚，并顺利完成所选的仿真实验课程设计。

4 问题及解决方案

(1)减弱学生对通信设备真实感受和技能训练。虚拟实验室注重计算机模拟，与真实的程控交换机等通信设备仍然存在着差异，仿真与真实通信实验仍有距离，过多依赖仿真实验会减少学生对通信设备操作机会，缺乏单独应对通信设备故障等突发事件的锻炼。

(2)使得传统实验设备更新缓慢。虚拟实验室的建设和维护成本低、损耗小，可以经过再开发重复使用，这使得传统通信实验的设备采购经费下拨匮乏，导致传统实验设备更新缓慢，甚至导致学生大学4 年都没有机会接触真实的通信设备。

(3)影响师生科研互动，交流机会减少。虚拟实验室的开放性与共享性强，虽然有利于学生预习和自学，但也造成师生之间的学习交流机会减少，学生更愿意自己埋头学习，而不是主动和老师一起探讨最新的研究动态和方向，这使得学生的科研缺少前瞻性指导，科研效率降低。

(4)仿真实验教学还涉及一些其他问题。通信实验中心虚拟实验室在建设中还遇到仿真实验开发、软件版权、实验库建设、实验教学效果反馈与有效评价等种种问题，这些问题都亟待解决。

针对以上问题，可以采取以下措施解决:

(1)实验教学应将传统实验和仿真实验有效地结合起来，两个方面都要抓。

(2)学校和教师要从思想上认识到传统实验仍然具有仿真实验不可替代的方面，更新传统实验设备要量力而行，可采用去公司参观学习的方式来弥补。

(3)教师要主动和学生去交流，学校鼓励学生团体开展科研讲座和研讨等多种形式的科研活动。

(4)参考国外本科生教育的课程实验经验，让研究生或者高年级本科生带低年级本科生的仿真实验基础训练，让学生参与仿真实验库的开发与建设。

5 结 语

本文研究了通信工程专业虚拟实验室的体系架构模型和实现模式，举例介绍了通信工程国家级特色专业虚拟实验室仿真实验教学取得的经验和成果，实践证明，仿真实验作为传统科学技术领域的补充，在研究、教学、培训中起着不可替代的作用，大力发展仿真技术，梳理虚拟实验室的建设方法，对当前高校教学和科研的发展有着非常深远的影响。通信工程国家级特色专业虚拟实验室建设的成功经验对工科专业的实验教学研究有一定的指导意义和参考价值。

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