虚拟仿真在通信原理课程教学的应用

期刊目录网通信论文发表2020-11-24 09:27关注(1)

　　为提高“通信原理”课程教学效果，针对“通信原理”课程理论性较强、涉及内容抽象的特点，通过引入虚拟仿真实验辅助教学，利用Matlab软件中的Simulink模块搭建通信电子线路，更直观地演示了通信系统各模块功能，加强理论与实践的结合，帮助学生加深对基本原理的理解和基础理论的巩固。实践表明，引入Simulink仿真辅助教学，比利用传统实验箱对基本原理验证更为灵活，虚拟仿真更有利于开展创新性实验，培养学生的创新能力。

　　关键词：通信原理；Simulink；辅助教学技术；虚拟仿真

　　“通信原理”课程是通信工程专业的一门重要的专业基础课程，也是国内诸多院校硕士研究生入学考试的课程之一。该课程承接“信号与系统”“概率论”“随机信号分析与处理”等基础课程，同时为后续专业课程（如“移动通信”“数字通信”等）奠定理论基础，在整个课程体系中起承前启后的重要作用。该课程涉及知识面广，且理论性和实践性都很强。学生利用实验箱进行简单验证性实验，很难对理论知识点形成深刻认识。运用Matlab软件中的Simulink模块搭建通信电子线路，进行仿真分析，能更直观地演示各通信模块的功能，从而加深学生对基础理论的巩固。本文拟通过对“通信原理”课堂教学典型案例进行分析，探讨Simulink虚拟仿真在其教学中的应用。

　　1Simulink模块简介

　　Simulink模块是MATLAB仿真软件提供的软件包，[1]能实现动态系统建模和仿真。其中许多通信模块都被封装成库，包含Sources、CommonlyUsedBlocks、Continuous、Discontinuities、Discrete、LogicandBitOperations、LookupTables、Sinks、MathOperations等子库[2]。因此，在通信原理理论教学时，只需选择相应子模块搭建通信系统，并对各子模块参数进行配置，就可对通信基本原理进行验证。

　　2Simulink仿真辅助教学的案例分析

　　针对樊昌信主编的教材《通信原理》（第7版）中第10章第10.4.2均匀量化、10.4.3非均匀量化两节的部分内容探讨Simulink的应用[3-5]。其中，模拟信号的数字化过程包括波形编码与参量编码，波形编码的三步骤“采样、量化、编码”如图1所示。

　　2.1均匀量化

　　均匀量化虚拟仿真模型如图2所示。该模型包含三个主要模块，其中信号生成器用于产生信源输入信号，配置频率为0.1Hz、幅度为5V的正弦函数模拟信号；QuantizingEncoder为量化编码器实现均匀量化，理论上11个量化区间端点m设置为[-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5]，10个可能取值的量化输出电平q设置为[-4.5、-3.5、-2.5、-1.5、-0.5、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5]，其中量化间隔为1V；示波器用于观测均匀量化后的波形。仿真时间设置为10s。虚拟仿真波形如图3所示。结果表明，抽样信号经量化后变成数字信号，量化后的电平为多电平数字信号，且用有限个量化值表示无限个抽样值。图3显示，输入信号的取值域为等间隔划分，信号的量噪比是衡量量化器的一个重要性能指标。通过波形图观测可知，信号无论大小，其绝对误差无差异，但小信号相对误差大，且信号未经压扩，编码设备的线性范围要求较宽。可见均匀量化具有如下两方面缺点：（1）当信号小时，信号量噪比也小，限制了输入信号的动态范围，其原因是量化噪声与信号大小无关，只与量化间隔有关；（2）均匀量化需要的编码位数多，导致编码信号的带宽增大，且编码设备复杂。

　　2.2非均匀量化

　　为克服均匀量化的缺点，引入非均匀量化。非均匀量化设计思想是：信号样值小，量化间隔小；信号样值大，量化间隔大。利用压缩特性，克服均匀量化的缺陷。非均匀量化虚拟仿真模型如图4所示，先用A_LawCoppressor模块实现A律压缩，然后再进行均匀量化，其中示波器1用于观测非均匀量化输出波形，示波器2用于观测A律压缩波形。A律压缩参数设置为A=87.6，其他仿真参数与图2模型设置相同。压大补小，便可实现非均匀量化的设计思想。示波器2显示的仿真结果如图5所示。图5压缩前后曲线对比显示，经过A律压扩作用，小信号增益大，大信号增益相对较小，通过“压大补小”，将模拟信号经线性变换变成压缩信号，以提高小信号的量噪比。仿真曲线对比图直观地展示了“压大补小”的设计思想。示波器1显示的仿真结果如图6所示，由图6可见，经非均匀量化可将模拟信号进行离散化、数字化。对两种量化方式进行Simulink模块虚拟仿真分析，以图形化界面显示量化过程。通过压缩前后曲线对比，直观显示出压扩特性，从而使抽象理论形象化。通信原理教学过程中引入Simulink虚拟仿真验证理论知识点，能使学生加深对抽象知识的理解。此外，与实验箱相比，验证模块搭建更为灵活，能有效提高学生的动手能力和创新能力。

　　3Simulink仿真辅助教学的关键点

　　Matlab仿真软件中Simulink模块为通信原理虚拟仿真验证提供了丰富的元件库，可灵活选择应用于“通信原理”课程教学，使抽象的理论分析更加形象直观。为了更好地进行通信原理虚拟仿真辅助教学改革，还需关注几个关键点。（1）加强仿真平台建设要加强虚拟仿真实验教学中心建设，配备高性能的虚拟仿真专用计算机，以满足通信原理虚拟仿真教学需求。要进一步开发通信原理虚拟仿真实验验证项目，使“夯实基础、注重实践、理论和实践相结合”的教学原则落到实处。（2）强化课程群体系建设“通信原理”在通信工程专业课程体系中起承前启后作用，可将“通信原理”与“信号与系统”“随机信号分析”等先修课程的知识要点组建成课程群，通过Simulink仿真直观展示辅助教学，以加强先修知识的巩固。通过开发完整的Simulink模块验证知识架构体系，使课程群形成一个有机整体，解决现阶段通信工程专业各门课程教学各自为政、相互割裂的问题。（3）注重科研辅助教学Matlab是当前研究新通信技术的重要工具之一。通过蒙特卡洛仿真分析方法可建立系统模型，仿真分析新算法，评估系统性能，进一步将教师科研开发的Matlab代码封装成Simulink模块进行课堂演示，让学生了解学术前沿，开拓视野，更利于培养学生的创新能力。

　　4结束语

　　“通信原理”课程是一门理论与实践相结合的课程，除要求掌握基础理论外，还必须培养学生设计综合通信系统的实践能力。因此，在理论教学中有必要引入虚拟仿真模块进行讲授，以巩固理论知识，培养学生动手能力。实践证明，应用Simulink仿真对通信系统基本模块功能进行演示，与通信原理课程的教学目标相契合。通过虚拟仿真验证，利于学生对基本原理的理解和理论知识的掌握。此外，Simulink具有丰富的元件库，在实验验证时，参数配置灵活、元件多样，可以选择多种设计方案，进一步开发学生的创新潜能，提高创新能力。

　　参考文献：

　　[1]孙忠潇.Simulink仿真及代码生成技术入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社，2015：1-100.

　　[2]张瑾.基于MATLAB/Simulink的通信系统建模与仿真[M].2版.北京：北京航空大学出版社，2017：24-31.

　　[3]樊昌信.通信原理[M].7版.北京：国防工业出版社，2015：280-295.

　　[4]曹丽娜.通信原理习题辅导与考研指导[M].7版.北京：国防工业出版社，2015：159-165.

　　[5]周烔槃，庞沁华，续大我，等.通信原理[M].4版.北京：北京邮电大学出版社，2015：287-303.

　　作者：钟斌 谭超 席在芳

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