基于虚拟仿真的“通信原理”实验体系构建

孙如英　韩荣苍

摘 要：文章提出了基于Multisim和Simulink虚拟仿真的“通信原理”实验体系。传统的“通信原理”硬件电路实验内容固化，不利于实践能力的培养。Multisim和Simulink相结合的“通信原理”实验内容灵活多变，有利于开展研究性学习和综合性实验；实现了抽象的通信理论的可视化，提高了学生学习兴趣和创新实践能力。

关键词：通信原理；虚拟仿真；实验体系

“通信原理”是通信工程、电子信息工程、电子科学与技术等电子信息类专业的重要核心课程。从知识结构角度讲，“通信原理”是“高频电子线路”和信息论类课程的桥梁；从能力培养角度讲，它是专业能力培养向职业能力培养的过渡课程；同时也是众多知名高校的信息与通信工程一级学科研究生入学考试的必考课程[1]。所以，“通信原理”在专业人才培养过程中占有重要地位。然而，“通信原理”的先修课程有“高等数学”“概率论与数理统计”“数字逻辑电路”“信号与系统”“低频&高频电子线路”等多门课，其物理概念繁多，理论难度大。

作为一门课程的一体两翼，“通信原理”实验是理论部分的重要补充，是能力培养环节的核心载体，在物理概念和通信理论的理解方面起着不可替代的作用[2]。然而，传统的“通信原理”硬件电路实验内容固化，操作性趋于“傻瓜化”，不利于实践能力的培养。本文将Multisim和Simulink仿真工具引入课程实验，将通信电路与信息理论的一体化仿真项目作为实验课程的重要组成部分，辅助以操作性实验，构建了新的“通信原理”实验课程体系。

1 通信原理实验箱的作用和不足

通信原理实验箱在各大高校“通信原理”实验课中用的非常普遍，厂家、型号不同，基本上都是针对通信原理的主要知识点设计的模块，模块之间的组合可以构成简单的通信系统，在关键信号处留有测试点，可以用示波器观测波形。这种实验箱形式的硬件实验可以直观地让学生通过测试不同点的波形，建立起通信系统的基本概念，帮助学生巩固和加强相关的知识点，培养学生常用仪器的实验操作能力[3-4]。但是这种以验证型实验为主的试验箱，学生动手操作的范围有限，学生仅需要根据实验指导书连线、调节电阻、电容，即可在观测点观测到所需的波形。

在实验教学实践中发现，学生参与此类实验的程度很低，做完两个实验以后学生往往就失去兴趣。因此，实验箱验证型实验给学生独立思考和自主设计的机会较少，更是很难引入新的研究性实验。在学生实践创新能力的培养方面大打折扣。

2 “通信原理”实验课程的构建

虚拟仿真实验的教学内容不再局限于实验箱的固有模块，为学生的创造力的发挥可以提供更广阔的空间[5]。

我们在“通信原理”实验中引入Simulink和Multisim两个仿真工具，辅助以现有的实验箱，构建了基于虚拟仿真的“通信原理”实验新体系，如表1所示。实际教学安排：采用3+2+1的模式，即要求学生课上完成3个验证型实验，选做2个综合型实验和1个设计型实验，共计16学时。实验相关的资料和准备工作则在课下完成，最大化地利用课堂实验学时，充分调动学生课下学习的积极性，锻炼学生的实际动手能力及其创新意识。其中，实验项目1、2、4、5、6、7、8、12采用操作性实验和仿真实验相结合两种方式；实验项目1、4、8、9、13可采用Multisim建模仿真；实验项目3、5、6、10、11、12、14可采用simulink建模仿真。本实验教学内容有如下特点：（1）Multisim仿真系统可以直观地看到系统内部电路的构成，以及各部分电路的输出结果。（2）从Simulink模块库中选择合适的虚拟器件和设备，可以灵活地搭建各种通信系统，查看更多的实验现象，比如可以在传输中引入噪声，研究系统的抗噪声性能（见下一节图3）。（3）通过以上两种虚拟仿真工具，学生既可以学习到通信电路的内部结构知识，也可以方便地进行系统研究。让学生不但知其然，而且知其所以然。

3 实验教学案例

我们以ASK调制解调实验为例，分别介绍实验箱操作、Multisim仿真和Simulink仿真的特点。数字信号对载波信号的振幅调制称为振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）。2ASK就是调制信号为二进制数字基带信号时的振幅键控。简单地说，振幅键控就是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息的“0”或“1”。ASK调制可以采用键控法和相乘法两种途径实现，其解调也有两种方法，分别为包络检波法和同步检波法。

图1为通信原理实验箱的接线原理框图。从中我们可以看出，ASK调制是将基带信号和载波直接相乘。解调采用的包络检波法，已调信号经过半波整流、低通滤波后，通过门限判决电路解调出原始基带信号。在本实验中可以通过调节输入PN序列频率或者载波频率，对比观测基带信号波形与调制输出波形，观测每个码元对应的载波波形，验证ASK调制原理。通过对比观测调制输入与解调输出，观察波形是否有延时现象，验证ASK解调原理。观测解调输出的中间观测点，如：整流输出、LPF-ASK，深入理解ASK解调过程。然而这种以验证型实验为主的实验箱，学生仅需要根据实验指导书连线，即可在观测点观测到所需的波形，学生动手操作的范围有限，并且学生没有办法看到系统的内部电路实现。

ASK调制解调的Multisim仿真电路图及各部分输出结果如图2所示。其中（a）为ASK调制实现，首先产生一个随机的二進制基带信号然后和128 kHz载波相乘得到调制信号输出；（b）为包络检波电路，包含整流电路和低通滤波电路；（c）为门限判决电路；（d）为示波器显示的各部分输出波形图，从上到下4条曲线分别为二进制基带信号、ASK调制输出、低通滤波器输出、解调输出。利用Multisim对实际电路进行仿真分析，可以直观地看到系统内部电路的构成及各部分输出结果，形象生动，有利于培养学生的创新意识和设计能力。

图3给出了ASK调制与解调的Simulink仿真模型及结果图。ASK调制采用的是相乘法实现，解调采用同步检波法实现，为了更好地恢复出信源信号，在解调时直接使用原载波信号作为同步载波信号。实验过程中可以调节输入信号的值，观察示波器波形对比调制前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化，以及解调后输出信号相对于原基带信号的变化。另外，学生可以自由地从模块库中选择新的器件，自主设计新的实验内容，提高学生的学习兴趣，更好地发挥学生的创造力。如图3所示，引入Gaussian Noise Generator模块，通过Error Rate Calculation（误码率计算）模块和Display（显示）模块，可以求解不同噪声强度下系统的误码率，进而分析系统的抗噪声性能。

4 结语

在操作实验的基础上引入虚拟仿真实验，增加了实验的多样性，提高了研究性实验的可操作性。将课程中较难掌握和理解的重点理论，通过软件仿真形象生动地展现出来，对知识的理解更加透彻，而且使学生掌握计算机辅助分析和设计的方法，开阔学生的思路、视野，提高学生学习的兴趣。基于虚拟仿真的通信原理实验体系已在临沂大学电子信息工程专业使用两届，深受学生欢迎，教学效果良好。

[参考文献]

[1]万莉莉，周妮.“三位一体”人才培养模式《通信原理》教学内容改革探索[J].教育教学论坛，2018（38）：154-155.

[2]樊昌信.通信原理及系统实验[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]包永强.“通信原理”课程实践教学探讨[J].电气电子教学学报，2013（4）：114-116.

[4]顾朝志，蔡丽萍，卢晓轩.“通信原理”精品实验项目的建设[J].电气电子教学学报，2015（5）：103-105.

[5]孙云山，张立毅，耿艳香，等.“通信原理”虚拟实验仿真系统研究[J].实验室科学，2010（6）：101-103.