基于e-Labsim平臺的通信原理課程教學(xué)方法研究

孫海欣 張猛 胡沖

摘? ?要：通信原理課程是電子信息類專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容多、概念抽象、公式繁雜，在有限的課時內(nèi)要求學(xué)生掌握課程的相關(guān)內(nèi)容十分困難，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對知識點(diǎn)也不容易理解。本文基于虛擬仿真技術(shù)，對通信原理課程的課堂教學(xué)進(jìn)行改革，利用e-Labsim平臺將通信原理課程的理論內(nèi)容現(xiàn)場演示出來，提高學(xué)生對抽象知識點(diǎn)的理解，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：通信原理? 虛擬仿真技術(shù)? e-Labsim平臺? 2FSK

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0228-03

Abstract： Communication principle course is a compulsory professional foundation course for the electronic information category majors， which has the features of strong theory， mass contents， abstract concept and complicated formula. It is difficult to master the relevant contents within a limited class time. Meanwhile， students are not easy to understand the knowledge in the learning process. In this paper， we reform the classroom teaching method for the communication principle course based on the virtual simulation technology. By exploiting the e-Labsim platform to demonstrate the theoretical contents of the communication principle course， the understanding of the abstract knowledge is improved， the practical and innovation ability of the students can be enhanced and the study interests for this course are stimulated.

Key Words： Communication Principle; Virtual Simulation Technology; E-Labsim Platform; Binary Frequency Shift Keying

通信原理課程是電子信息工程、通信工程及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，著重培養(yǎng)學(xué)生從通信基本理論的角度去觀察、分析與解決問題以及進(jìn)行通信系統(tǒng)分析與設(shè)計的能力。該課程的主要特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、內(nèi)容較多、概念抽象、公式繁雜、教材各章節(jié)之間的融合與貫通較多，對相關(guān)數(shù)理基礎(chǔ)要求較高，無論是對于教師還是學(xué)生，在教與學(xué)的過程中都存在一定的難度。此外，隨著我國成為《華盛頓協(xié)議》的正式會員，我國工程教育標(biāo)準(zhǔn)開始與國際接軌，工程教育專業(yè)認(rèn)證工作不斷推進(jìn)，使得本科培養(yǎng)方案的學(xué)時不斷壓縮，目前我院通信原理課程的總學(xué)時已由64學(xué)時壓縮到56學(xué)時。如何在有限的學(xué)時內(nèi)有效地完成本課程的教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生較好地掌握課程的教學(xué)內(nèi)容，是教授通信原理課程教師面臨的一個難題。對于通信原理課程的教學(xué)，不僅要求教師對該課程的教學(xué)體系及教學(xué)內(nèi)容有深入的理解，還要求教師在該課程的教學(xué)模式、教學(xué)方法及教學(xué)手段上不斷革新。

此外，該課程在實驗教學(xué)的過程中，由于實驗學(xué)時較少，且實驗設(shè)備及場地有限，學(xué)生在有限的時間內(nèi)，既要掌握實驗儀器及設(shè)備的操作，又要通過實驗掌握相關(guān)的原理、記錄實驗現(xiàn)象并完成實驗內(nèi)容，實驗效果十分不理想。目前，國內(nèi)大多數(shù)高等院校開設(shè)的通信原理實驗教學(xué)都是基于實驗箱進(jìn)行的，開出的實驗大多數(shù)也都是驗證型、演示型實驗。學(xué)生不僅動手操作的范圍有限，對理論知識的理解不夠深入。

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛地融入到高校的課程教學(xué)中。本文將e-Labsim平臺用于通信原理課程的教學(xué)，旨在提高該課程的教學(xué)效果，加強(qiáng)學(xué)生對課程教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，提高學(xué)生對理論知識與實際應(yīng)用的能力。

1? e-Labsim平臺介紹

e-Labsim是一套專門針對通信專業(yè)課程教學(xué)和創(chuàng)新開發(fā)的模塊級仿真平臺。該平臺運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，將通信原理實驗相關(guān)的模塊和測試儀器全都“搬移”到電腦里面，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造，讓學(xué)生可以隨時隨地登錄網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實驗和開發(fā)。e-Labsim平臺能完整模擬硬件外觀及行為，所有實驗?zāi)K和測試設(shè)備具有和實際硬件一樣的使用感受，輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可完成對模塊及設(shè)備上所有開關(guān)、旋鈕及菜單的操作，操作界面和實驗箱完全一樣，實現(xiàn)了從仿真環(huán)境到實際的硬件環(huán)境的“無縫”切換，使學(xué)生更容易理解。

e-Labsim平臺基于虛擬仿真技術(shù)，融合了函數(shù)信號發(fā)生器、示波器等多種實驗儀器，所有儀器可多臺調(diào)用，擺脫了實驗室儀器設(shè)備數(shù)量及性能的限制。該平臺基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行登錄，學(xué)生不必親自來到實驗室，在圖書館或者教室也能隨時進(jìn)行學(xué)習(xí)和實踐，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)受人數(shù)和空間的限制，讓學(xué)生擁有隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實踐的環(huán)境，并使本課程的教學(xué)資源得到了充分有效的利用。此外，該平臺內(nèi)置完整的二次開發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計模塊，能夠加載Matlab的m函數(shù)以及C語言的DLL文件?？勺寣W(xué)生方便地進(jìn)行無負(fù)擔(dān)創(chuàng)新設(shè)計，且學(xué)生設(shè)計的功能完全可以替代模塊而融入到系統(tǒng)實踐中去，使學(xué)生能循序漸進(jìn)地從部分功能的開發(fā)擴(kuò)展到整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，進(jìn)一步地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2? 2FSK的教學(xué)方法研究

2.1 2FSK的原理概述

2FSK利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息，其已調(diào)信號的表達(dá)式為：

（1）

式中，g（t）為單極性不歸零的矩形脈沖信號，為an的反碼。和分別為an和對應(yīng)的角頻率。

2FSK的調(diào)制可以采用頻率鍵控法。假設(shè)兩個載波信源為頻率不同的正弦波，基帶信號為“10”序列，當(dāng)?shù)谝宦份d波輸出與其相乘時，數(shù)據(jù)“1”的部分會產(chǎn)生波形，而數(shù)據(jù)“0”的位置則不會產(chǎn)生波形;第二路載波信號與通過反相器的基帶信號相乘，會產(chǎn)生和第一路載波相反的情況，最后兩路載波已調(diào)信號通過相加器，產(chǎn)生2FSK已調(diào)信號。

2FSK信號的解調(diào)有非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種。其解調(diào)原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進(jìn)行解調(diào)，相干解調(diào)采用“本地載波+乘法器+低通濾波器”的方法來實現(xiàn)，非相干解調(diào)采用包絡(luò)檢波法來實現(xiàn)，最后再進(jìn)行判決。

在課堂的講授過程中，如果單純通過公式，理論介紹及分析給學(xué)生講解2FSK系統(tǒng)，不僅枯燥無味，學(xué)生也不容易理解。但如果結(jié)合仿真平臺，將該系統(tǒng)的實現(xiàn)以及現(xiàn)象展現(xiàn)給學(xué)生，不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解，還能提高課堂的教學(xué)效果，做到理論與實踐的有機(jī)結(jié)合。

2.2 基于e-Labsim平臺的2FSK仿真實現(xiàn)

在分析完2FSK的理論知識點(diǎn)之后，通過e-Labsim搭建2FSK仿真平臺，運(yùn)行并觀測基帶信號、已調(diào)信號及解調(diào)輸出信號的波形變化。基于e-Labsim平臺的2FSK調(diào)制解調(diào)原理及系統(tǒng)仿真實現(xiàn)分別如圖1和圖2所示，仿真中調(diào)制采用頻率鍵控法，解調(diào)采用非相干解調(diào)法。

通過圖1可以更進(jìn)一步地理解2FSK調(diào)制解調(diào)的基本原理和實現(xiàn)過程，在理解原理的基礎(chǔ)上，搭建仿真平臺，運(yùn)行后基帶信號波形如圖2中示波器中黃色曲線所示，已調(diào)信號波形如圖2右上示波器中藍(lán)色曲線所示，解調(diào)輸出波形如圖2右下示波器藍(lán)色曲線所示。仿真中基帶信號采用32kHz的PN碼產(chǎn)生，載波頻率128kHz對應(yīng)碼元“0”，載波頻率256kHz對應(yīng)碼元“1”，從示波器的波形中可以清楚地看到基帶信號隨已調(diào)信號的頻率變化規(guī)律。經(jīng)解調(diào)后輸出信號波形與基帶信號波形一致，但略有延遲。進(jìn)一步地對2FSK的眼圖進(jìn)行觀測，測試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，眼圖端正，跡線清楚，清晰地反映了基帶信號碼元的變化規(guī)律。

3? 結(jié)語

通過將通信原理課程教學(xué)與e-Labsim平臺相結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對抽象概念及理論的理解，學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣有了明顯的提高。采用e-Labsim平臺，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂理論講授與硬件實驗脫節(jié)的不足，而且不受時間和空間限制，可做到隨教隨練。此外，學(xué)生在課下可對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展，可自行設(shè)計實驗及搭建仿真實驗平臺，并且可以根據(jù)需求自行調(diào)整參數(shù)，做到理論知識與實踐的融會貫通，進(jìn)一步提高自身的實踐能力及創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾海燕，鄭鑫.基于e-Labsim仿真平臺的移動通信原理課程教學(xué)改革探究[J].智能計算機(jī)與應(yīng)用，2019，9（3）：306-308.

[2] 王海榮.通信原理教學(xué)中虛擬仿真的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2019（3）：268-269.

[3] 楊克虎.虛實結(jié)合的分層次通信原理實驗教學(xué)體系探討[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（7）：162-165.

[4] 楊靜.基于e-Labsim平臺的通信原理實驗教學(xué)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016，13（5）：107-109.

[5] 袁麗娜.基于e-Labsim平臺的OQPSK調(diào)制與相干解調(diào)研究[J].無線互聯(lián)科技，2015（6）：9-10.