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一、研究背景
《通信原理》是信息和通信工程等专业的主干课程,其内容涵盖了各种通信系统的基本框架,涉及信源编码、信道编码、数字基带传输、数字频带传输、同步等重要的通信技术。该课程具有较强的系统性、理论性和实践性,对后续专业课程的学习和应用起着承上启下的作用。因此,如何教好和学好这门课程对学生专业素养的形成具有至关重要的影响。但《通信原理》课程由于理论性强、原理抽象,对数学及专业基础课程的应用能力要求较高,容易使学生感到难以理解和接受。尤其随着通信系统规模和复杂程度的不断增加,传统的教学方式和实验方法已经不能适应课程发展的需要。为此,本文提出在课堂及实验教学中引入计算机仿真技术。
在课堂教学中,黑板教学的单一模式严重影响和制约了课程的教学效果。即使在多媒体教学大量普及以后,教师通常也只是把课本内容搬到移屏幕上,没有从根本上解决直观性差、趣味性低的问题。在计算机技术高度发达的今天,学生都希望能借助计算机辅助教学的方法或手段,形象而直观地学习课程的基础理论及其应用,并能在课程的学习过程中掌握计算机辅助分析问题和解决问题的方法,尤其是一些较为抽象的理论或设计应用。在通信技术领域,系统仿真技术是通信协议研发、通信系统设计、通信信号处理的重要手段。因此,利用Matlab 各种函数库、模块库及直观的图形界面工具,把晦涩难懂的信号理论、通信过程、信号波形等内容在可视化软件环境下通过屏幕直接在课堂中演示给学生,不仅起到辅助教学的功能,而且激发了学生学习理论课程的积极性,培养了学生的创造性,加深了学生对理论内容的理解,提高了课堂教学的质量。
实验教学是加深对通信理论理解的重要手段,而实验方法直接影响到实验教学的质量、学生的学习兴趣和学习效果。目前,很多高校的通信原理实验仍以采用实验箱为主, 但并不是所有的通信理论、通信过程都适合用实验箱来模拟,实验箱的实验内容覆盖面有限, 而且实验平台已经集成化, 学生可以操作的环节较少, 对于整个通信系统结构的理解帮助不大。尤其是随着使用次数的增加, 实验箱的使用效果也受到了影响, 而由于经费等问题, 实验教学设备难以经常更新, 不能满足理论密切联系实践的需求。通信系统的模拟仿真实验具有易实现、周期短、投资少、易对参数进行优化设计等一系列优点, 越来越受到重视并显示出其巨大的优越性。
二、Matlab软件
Matlab是美国Mathworh公司开发一套理论分析研究和工程设计处理系统仿真软件,它是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等强大功能集成在一个极易使用的交互环境中,为科学研究、工程设计及必须进行有效数值计算的众多学科提供的一种高效率的编程工具。运用Matlab进行仿真共有两种途径: 一是基于数据流的仿真, 它是用Matlab 函数以命令行的形式实现,亦即编程实现整个系统的仿真;二是基于时间流的仿真, 它是用Matlab提供的一种可视化仿真模型库——Simulink来实现整个系统的仿真。
其中,Simulink是在Matlab软件环境下进行动态建模仿真的集成软件包,为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,与传统的仿真软件包括用微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。其内部的通信、射频、滤波、信号处理和小波分析等工具箱提供了各种函数库、模块库可以直接调用。不仅提高了效率,而且使学生专注于问题的解决方法,而不是无意义的大量重复劳动。通过改变模块的相应参数来实现模型的动态仿真,用户可以通过仿真结果实时观察系统的变化,为系统的设计和改进提供了良好的依据。
在众多系统仿真的平台中,Matlab及其Simulink仿真模块相比于其他仿真软件,有着独到的优势。它能使工程技术人员摆脱系统仿真中烦琐的编程过程,有效地提高了系统仿真的可靠性和实用性。Matlab 不仅可以作为理论教学的示范性工具,而且可以作为仿真实验教学的主要工具,可大大提高学生的学习兴趣和学习效果。Matlab已逐渐成为广大教学、科研工作者共同的学术交流平台。
三、仿真实例
(一)课堂教学实例。
单边带幅度调制由于具有更窄的频带和更高的频率利用率,在通信系统中应用广泛。在课堂上,根据单边带幅度调制的实现原理和教学目的,利用Matlab 的Simulink 工具箱建立单边带调制的系统模型,如图1所示。在设置好各模块参数后得到单边带调幅信号的仿真波形如图2所示。
对单边带幅度调制的动态仿真不仅直观生动,也弥补了多数教材缺少单边带调幅信号时域图和频域图的不足。与传统教学方式相比,利用Matlab对通信原理课程中所涉及的内容进行仿真启发性强,教师通过不断引导学生观察,不仅增强了学生的感性认识,也达到了加深理解强化记忆的效果。
(二)实验教学实例。
普通调幅是其它幅度调制方式的基础,理解并掌握其原理对于学习其它调制解调技术将有极大帮助。本实验首先应用Matlab的Simulink工具箱创建普通调幅系统的实现模型,如图3所示。通过示波器观察仿真波形可知调制前后波形与理论分析一致,如图4所示。
在实验中更改调幅指数ma的取值并比较仿真结果,可以进一步验证相关结论。如图5所示,在ma≤1时,调幅波的包络与调制信号的形状完全相同,它反映了调制信号的变化规律;在ma>1时,其包络已不能反映调制信号的变化规律并产生调幅失真。因此,在实际调幅器中应保证ma≤1 。
与传统实验相比,本实验更具灵活性,学生通过实际操作可以加深对理论知识的理解,培养动手能力和分析能力。通过类似实验,学生能在实验过程中获得成就感,对学习产生兴趣,变被动接受式学习为主动研究式学习。
四、结论
将Matlab仿真软件应用于《通信原理》课程的辅助教学及课后实验,改变了目前学生无法接触实际通信系统的教学局限。通过对课程中比较重要的概念及原理进行仿真和分析,学生可以清晰了解一个通信系统的结构和信号流程,并在教师的引导启发下观察思考,加深对通信系统原理的理解。此外,学生还可以掌握电路和系统仿真的概念,了解和掌握系统建模和仿真分析的方法,为今后的现代通信系统设计工作打下良好基础。
编辑/刘文捷
《通信原理》是信息和通信工程等专业的主干课程,其内容涵盖了各种通信系统的基本框架,涉及信源编码、信道编码、数字基带传输、数字频带传输、同步等重要的通信技术。该课程具有较强的系统性、理论性和实践性,对后续专业课程的学习和应用起着承上启下的作用。因此,如何教好和学好这门课程对学生专业素养的形成具有至关重要的影响。但《通信原理》课程由于理论性强、原理抽象,对数学及专业基础课程的应用能力要求较高,容易使学生感到难以理解和接受。尤其随着通信系统规模和复杂程度的不断增加,传统的教学方式和实验方法已经不能适应课程发展的需要。为此,本文提出在课堂及实验教学中引入计算机仿真技术。
在课堂教学中,黑板教学的单一模式严重影响和制约了课程的教学效果。即使在多媒体教学大量普及以后,教师通常也只是把课本内容搬到移屏幕上,没有从根本上解决直观性差、趣味性低的问题。在计算机技术高度发达的今天,学生都希望能借助计算机辅助教学的方法或手段,形象而直观地学习课程的基础理论及其应用,并能在课程的学习过程中掌握计算机辅助分析问题和解决问题的方法,尤其是一些较为抽象的理论或设计应用。在通信技术领域,系统仿真技术是通信协议研发、通信系统设计、通信信号处理的重要手段。因此,利用Matlab 各种函数库、模块库及直观的图形界面工具,把晦涩难懂的信号理论、通信过程、信号波形等内容在可视化软件环境下通过屏幕直接在课堂中演示给学生,不仅起到辅助教学的功能,而且激发了学生学习理论课程的积极性,培养了学生的创造性,加深了学生对理论内容的理解,提高了课堂教学的质量。
实验教学是加深对通信理论理解的重要手段,而实验方法直接影响到实验教学的质量、学生的学习兴趣和学习效果。目前,很多高校的通信原理实验仍以采用实验箱为主, 但并不是所有的通信理论、通信过程都适合用实验箱来模拟,实验箱的实验内容覆盖面有限, 而且实验平台已经集成化, 学生可以操作的环节较少, 对于整个通信系统结构的理解帮助不大。尤其是随着使用次数的增加, 实验箱的使用效果也受到了影响, 而由于经费等问题, 实验教学设备难以经常更新, 不能满足理论密切联系实践的需求。通信系统的模拟仿真实验具有易实现、周期短、投资少、易对参数进行优化设计等一系列优点, 越来越受到重视并显示出其巨大的优越性。
二、Matlab软件
Matlab是美国Mathworh公司开发一套理论分析研究和工程设计处理系统仿真软件,它是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等强大功能集成在一个极易使用的交互环境中,为科学研究、工程设计及必须进行有效数值计算的众多学科提供的一种高效率的编程工具。运用Matlab进行仿真共有两种途径: 一是基于数据流的仿真, 它是用Matlab 函数以命令行的形式实现,亦即编程实现整个系统的仿真;二是基于时间流的仿真, 它是用Matlab提供的一种可视化仿真模型库——Simulink来实现整个系统的仿真。
其中,Simulink是在Matlab软件环境下进行动态建模仿真的集成软件包,为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,与传统的仿真软件包括用微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。其内部的通信、射频、滤波、信号处理和小波分析等工具箱提供了各种函数库、模块库可以直接调用。不仅提高了效率,而且使学生专注于问题的解决方法,而不是无意义的大量重复劳动。通过改变模块的相应参数来实现模型的动态仿真,用户可以通过仿真结果实时观察系统的变化,为系统的设计和改进提供了良好的依据。
在众多系统仿真的平台中,Matlab及其Simulink仿真模块相比于其他仿真软件,有着独到的优势。它能使工程技术人员摆脱系统仿真中烦琐的编程过程,有效地提高了系统仿真的可靠性和实用性。Matlab 不仅可以作为理论教学的示范性工具,而且可以作为仿真实验教学的主要工具,可大大提高学生的学习兴趣和学习效果。Matlab已逐渐成为广大教学、科研工作者共同的学术交流平台。
三、仿真实例
(一)课堂教学实例。
单边带幅度调制由于具有更窄的频带和更高的频率利用率,在通信系统中应用广泛。在课堂上,根据单边带幅度调制的实现原理和教学目的,利用Matlab 的Simulink 工具箱建立单边带调制的系统模型,如图1所示。在设置好各模块参数后得到单边带调幅信号的仿真波形如图2所示。
对单边带幅度调制的动态仿真不仅直观生动,也弥补了多数教材缺少单边带调幅信号时域图和频域图的不足。与传统教学方式相比,利用Matlab对通信原理课程中所涉及的内容进行仿真启发性强,教师通过不断引导学生观察,不仅增强了学生的感性认识,也达到了加深理解强化记忆的效果。
(二)实验教学实例。
普通调幅是其它幅度调制方式的基础,理解并掌握其原理对于学习其它调制解调技术将有极大帮助。本实验首先应用Matlab的Simulink工具箱创建普通调幅系统的实现模型,如图3所示。通过示波器观察仿真波形可知调制前后波形与理论分析一致,如图4所示。
在实验中更改调幅指数ma的取值并比较仿真结果,可以进一步验证相关结论。如图5所示,在ma≤1时,调幅波的包络与调制信号的形状完全相同,它反映了调制信号的变化规律;在ma>1时,其包络已不能反映调制信号的变化规律并产生调幅失真。因此,在实际调幅器中应保证ma≤1 。
与传统实验相比,本实验更具灵活性,学生通过实际操作可以加深对理论知识的理解,培养动手能力和分析能力。通过类似实验,学生能在实验过程中获得成就感,对学习产生兴趣,变被动接受式学习为主动研究式学习。
四、结论
将Matlab仿真软件应用于《通信原理》课程的辅助教学及课后实验,改变了目前学生无法接触实际通信系统的教学局限。通过对课程中比较重要的概念及原理进行仿真和分析,学生可以清晰了解一个通信系统的结构和信号流程,并在教师的引导启发下观察思考,加深对通信系统原理的理解。此外,学生还可以掌握电路和系统仿真的概念,了解和掌握系统建模和仿真分析的方法,为今后的现代通信系统设计工作打下良好基础。
编辑/刘文捷