虚拟仿真与在线实境技术在通信原理实验教学中的应用

屈代明，徐争光，李 玮

（1.华中科技大学 电子信息与通信学院，湖北 武汉 430074；2.武汉易思达科技有限公司 研发中心，湖北 武汉 430205）

1 虚拟仿真实验与在线实境实验

基于虚拟仿真技术的实验教学，能以直观、形象的方式再现科学原理，使学生主动参与仿真过程，并进行开放式探索实验，可以有效提升学生对所学知识的掌握，培养学生分析问题和解决问题的能力[1-2]。近年来虚拟仿真技术发展迅速，在交互性、逼真度、沉浸感等方面取得了较大进步，行业领域有关技术标准逐渐形成。随着技术的日臻成熟，虚拟仿真实验呈现蓬勃发展态势[3]。

但有的虚拟仿真实验对实验参数的仿真不充分，使实验效果与真实情况差距较大。有的理论验证型虚拟仿真实验仅是简单模拟在实验室做实验的场景和操作步骤，没有顾及让实验者加深对理论知识理解的目的，没有将系统实现的主要精力用在理论知识所对应的实验现象的实景再现上，而是花费在本就没有必要的对实验操作的虚拟仿真上。

针对目前一些虚拟仿真实验存在的问题，有学者提出了“实境实验”的概念。我们认为，“实境实验”是“实境学习”概念的引申和发展，实境学习是要使所设计的学习情境、学习任务体现现实世界的复杂性，而不是刻意简化问题和任务[4]。较早将“实境学习”理念应用于实验环节的是东南大学电工电子实验中心的胡仁杰教授，他认为“基于软件工具的虚拟仿真不能完全替代实物实验，实物实验中响应速度、阻抗匹配、分布参数、驱动能力、电路干扰、参数误差、测量精度等因素对实验的影响在仿真中是无法体验的。如何实现实境实验，是在线教育迫在眉睫的问题”[5]。

具体来讲，在线实境实验是指利用计算机网络和远程访问技术，使实验者在本地通过终端设备（个人电脑、智能手机等）远程访问实验所需软硬件资源，将实验数据、参数等发送给远端的实验设备，并实时接收、显示实验设备处理后的实验结果，使在线实境实验的实验者如同在实验室做实验一样。

相对于虚拟仿真实验，在线实境实验具有与实物实验完全一致的效果，更真实，也更贴近工程实践，通过远程调用即可实现对实验设备的操作，而不需要另外对实验操作进行虚拟仿真实现。其缺点是一套实验设备同时只能进行一组实验，无法像虚拟仿真实验那样只要虚拟仿真系统的运算、存储、通信带宽等资源足够，就可以支持多用户并发访问。但在线实境实验支持随时随地的访问，可以很方便地与缺乏这些实验设备的用户共享使用，通过提前预约、排队访问等管理手段还可以大大提高实验设备的使用效率。

综上所述，在电子信息类专业本科理论课程教学中，可以将虚拟仿真和在线实境两种实验方式有机结合，以获得扬长避短、优势互补的效果。在理论验证和算法仿真阶段，可利用虚拟仿真实验效果生动、直观等优势，强化实验者对理论知识的理解，单用户的实现成本和使用成本也很低。在工程实践阶段，可利用在线实境实验贴近工程实践的优势，锻炼实验者理论联系实践的能力，同时有效提高实验设备的使用率。

2 利用虚拟仿真、在线实境技术改进“通信原理”课程教学

“通信原理”是电子信息类专业一门重要的专业基础课程，在整个课程体系中起着承前启后的作用。该课程涉及的知识面广，且理论性和实践性都很强，对初学者而言，学好“通信原理”是很大的挑战[6]。一般而言，课程理论越抽象，就越需要用模拟教学方式来进行理论验证。典型的模拟教学通常是基于一定的简化假设条件，因此对一些重要的实际问题不能充分体现。由于理论与实践之间的差异日趋明显，再加上对模拟教学的日趋依赖，使得很多“通信原理”的学习者无法将学到的知识迅速应用于真正的通信系统中[7]。

实验教学作为承担理论联系实践重任的教学环节，其现状也不尽如人意，部分高校仍在使用传统的实验箱。实验箱功能较为单一，大部分实验为验证理论知识的验证性实验，仅有的少量实践性实验却缺乏系统性和创新性。部分高校的实验教学引入了与工程实践一致、开放性强的软件无线电平台，但由于成本较高且需要用较多时间学习平台的使用方法，所以受益面有限，设备的使用率不高。因此我们认为，可以利用虚拟仿真技术实现实验箱的验证性实验功能，利用在线实境技术远程连接软件无线电平台，提高设备的使用率。

在实验内容方面，除了设计一些经典的系统性实验，如模拟调制传输系统、数字调制传输系统外，为了使学习者了解通信技术与系统发展的最新趋势，并为学有余力者提供个性化发展的平台，有必要设计一个与5G 移动通信系统相关的系统实验。作为最新一代进入实用阶段的移动通信系统，5G 移动通信系统具有很好的新颖性和系统性，其物理层各功能模块分别对应了通信原理课程中不同章节的内容，通过将5G物理层相关知识引入通信原理教学，可以较好地解决将通信原理教学与工程应用相结合的问题。

在实验层次方面，利用虚拟仿真和在线实境技术各自的优势，在不同的实验层次上使用不同的技术来实现，达到优势互补的目的。在理论验证、算法仿真阶段使用虚拟仿真技术，使实验的大部分功能都能在虚拟仿真模式下完成，实验者的代码也可在虚拟仿真系统中进行验证，从而减少甚至消除错误，并缩短硬件实验时长、提高实验硬件的使用效率。在系统实现与软硬件联调阶段使用在线实境技术，使实验者在任何有网络连接的场所都能够通过网络访问到实验室中的实验硬件，从而开展远程在线实境实验。这样，一方面可以使实验效果与工程实践完全一致，另一方面也可以使实验者自由地利用课外时间错峰开展实验，使有限的实验设备得到充分利用。

考虑到5G 物理层指标要求较高，相应的实现平台、测试仪表价格昂贵，这样的设计还可以有效地解决因资金预算有限导致的实验设备台套数有限与“通信原理”实验者数量众多、实验课时较长的矛盾。

3 通信原理虚拟仿真与在线实境实验系统的实现

我校电子信息与通信学院“通信原理”课程组根据通信原理课程教学改革需求，在武汉易思达科技有限公司的支持下，设计实现了通信原理虚拟仿真与在线实境实验系统。

3.1 系统架构设计

本系统基于B/S（浏览器/服务器）架构，通过网络将虚拟仿真服务器、实境实验设备以及虚拟仿真客户端等功能单元连接起来。系统架构如图1 所示。

图1 通信原理虚拟仿真与在线实境实验系统架构

虚拟仿真服务器上部署本系统所需的虚拟仿真实验软件、实验资源和实验管理软件，实现虚拟仿真实验的主要实验功能以及整个系统的管理功能。

实境实验设备包括软件无线电平台、在线测试仪表（根据需求选配）以及在线实验终端，实现实境实验的实验功能。

由于采用B/S 架构，虚拟仿真客户端只需要接入虚拟仿真服务器和实境实验设备所在的网络，实验者就可以通过虚拟仿真客户端上的浏览器进行虚拟仿真和在线实境实验。

3.1.1 虚拟仿真实验

虚拟仿真实验为纯虚拟实验，不需要实验室硬件设备支持，实验者选择实验后可以随时开始实验。实验者在虚拟仿真客户端实验页面的相关请求，通过网络发送至虚拟仿真服务器，服务器通过预先部署的WEB 服务调用实验运算软件模块，处理完毕后将实验输出结果返回给客户端，渲染后展示给实验者。

图2 虚拟仿真实验实例

图2 展示了一个虚拟仿真实验实例。实验者首先 通过浏览器访问虚拟仿真服务器，获得如图2 所示的DPSK 调制系统实验界面，再设置DPSK 调制系统参数，点击运行后实验波形、数据等均显示在实验界面的右侧。

3.1.2 在线实境实验

在线实境实验需要对应的实境实验设备的支持，系统管理员需要设置对应设备的开放时间段，实验者需要在系统中提前预约实验时间和设备，并且在预约的时间段内通过远程登录实验系统完成实验。

在线实境实验时，WEB 服务被部署在实验室的在线实验终端中，一台在线实验终端对应一套实境实验设备。实验者在虚拟仿真客户端进行实验时，虚拟仿真服务器收到实验请求后将实验输入数据和参数传递至在线实验终端的WEB 服务，WEB 服务再将相关数据和参数传至硬件设备中进行处理，最后将实验输出结果反向返回至客户端，客户端可以展示实验结果和仪表的测量数据和图像。实验者还可以通过网络摄像头观察实验现象。

图3 展示了在线实境实验的一种典型应用场景。系统先将DPSK 调制算法远程加载到一台软件无线电设备上运行，并通过射频发射DPSK 已调信号；另一台软件无线电设备接收DPSK 已调信号，并运行远程加载的DPSK 解调算法对已调信号进行解调处理；两台示波器分别测量发射部分的调制信号和接收部分的解调信号；运行结果和测量结果都可以返回到客户端展示。实验者可以通过摄像头观察实时实验图像。

图3 在线实境实验典型应用场景

3.2 实验内容设计

实验内容包括FM 模拟调制无线传输系统实验、DPSK 数字调制无线传输系统实验和5G 物理层处理系统实验等三项难度依次渐增大、系统架构一脉相承的实验，让实验者循序渐进地熟悉和掌握通信系统的架构、功能及实现方法。

下面以5G 物理层处理系统实验为例，说明本系统实验内容的设计思路。

5G 物理层处理系统实验遵循3GPP（3rd generation partnership project）相关技术规范的定义[8-12]，对5G物理层的物理上行共享信道（PUSCH，physical uplink shared channel）进行了实现，实验整体分为UE（user equipment）发送与基站接收两个部分、26 个算法模块。具体的实验功能框图如图4 所示。

图4 5G 物理层处理系统实验功能框图

该实验流程、参数、输入输出数据格式等严格遵循3GPP 相关技术规范要求，与5G 终端、基站设备PUSCH 信道的实现原理完全一致。实验不仅能通过虚拟仿真方式实现5G 物理层PUSCH 信道基带处理的全过程，还能通过在线实境实验方式远程连接软件无线电设备和测试仪表，在满足5G 物理层性能要求的硬件上实现、观测5G 物理层PUSCH 信道处理全过程。

3.3 实验层次设计

本系统的实验如图5 所示分为4 个层次。

图5 实验层次和实验目的

（1）系统功能验证性实验。实验者在本实验构架的通信系统中选择不同的配置参数，观察各功能模块处理结果的变化以及对系统关键指标的影响，从而理解通信系统中各功能模块的作用，以及相关参数的相互影响。例如对于“提高调制阶数增加了传输带宽，但抗噪声性能会降低”的验证，可以通过改变调制方式和信噪比来实现。又例如，在同样的调制阶数和信噪比情况下，可以通过使用信道编码来纠正误码，但由于信道编码带来了冗余数据，有效数据的传输速率会下降。这些实验现象都是对通信原理教材中对应的结论的验证。同时，实验者通过验证性实验，还可以结合课本知识了解不同通信系统对相同功能和作用的不同实现技术和方法。

（2）单个模块算法仿真实验。实验者打开通信系统实验中某个功能框图的M 语言实现代码，通过对单个模块功能的算法实现仿真（为降低设计难度，可以只选取部分代码功能来实现），加深实验者对于通信原理理论知识的理解，使实验者初步掌握该功能模块的工程实现方法。

（3）虚拟仿真模式下的系统性实验。实验者将自己独立设计的某个功能模块的M 语言实现代码上传到本系统的虚拟仿真服务器，与其他系统自带的模块联合运行，可掌握通信模块算法仿真与软件联调、测试的方法，同时深入理解单个模块是如何应用于一个完整的通信系统中的。

（4）在线实境模式下的系统性实验。实验者将上一步软件联调中测试通过的M 语言实现代码，通过远程连接硬件的方式加载到软件无线电平台上运行，并远程连接仪表观测运行结果，掌握通信系统的研究开发、软硬件调试、指标测量方法。

以上四个层次与电子信息相关学科科学研究和工程应用过程中从总体设计到单元设计，再到单元测试和系统测试的实现阶段完全对应。因此，本系统不仅使实验者能够更好地学习和掌握通信原理相关知识，还能使实验者熟悉通信系统的研究开发方法，为他们今后的科学研究和工程应用奠定深厚的理论和实践基础。

4 通信原理虚拟仿真与在线实境实验系统的应用情况

本实验系统的测试版本于2019—2020 学年第一学期在我校电子信息与通信学院电子信息工程专业201701 班（数理提高班）“通信原理”课程实验中进行了试用，全部27 名学生均按时完成了实验，学生反响积极，还对实验界面提出了优化改进建议。

对学生的调查问卷结果显示，认为纯虚拟仿真实验比MATLAB 仿真实验效果更好的比例只有22%，而认为实境实验有助于加深对通信系统理解的比例达96%。这个结果一方面说明在“通信原理”实验教学中建设单纯的虚拟仿真项目意义不大，验证了虚拟仿真项目建设必须遵循“能实不虚”的指导思想；另一方面也体现了在实验系统中增加在线实境模式的必要性。

5 结语

通信原理虚拟仿真与在线实境实验系统针对目前“通信原理”课程实物实验存在的问题，有针对性地引入虚拟仿真和在线实境技术，设计并实现了FM 模拟调制无线传输系统实验、DPSK 数字调制无线传输系统实验、5G 物理层处理系统实验等理论紧密联系实践、难度循序渐进、实验方法与工程实现高度一致的实验项目，在“通信原理”课程教学实践中取得了良好的效果。