应用型高校通信原理仿真教学探索与实践

刘振

摘 要 文章结合应用型高校教学实际，探索在通信原理课程中开展仿真教学的方法。在理论教学中，利用仿真技术分析关联知识点，解释抽象的教学内容，说明电路工作的原理。在实验教学中，将仿真平台和硬件设备结合使用，通过增加电路仿真环节，促进学生学习实验电路结构，利用仿真软件设计综合性、研究性的实验项目，培养学生的知识应用能力。在通信原理课程中进行仿真教学，丰富了教学内容，提高了教学效果，为学生在后续学习中使用仿真工具奠定了知识基础。

关键词 通信原理；仿真教学；应用型高校

中图分类号：G642                           文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.018

Exploration and Practice of Simulation Teaching of Communication Principles

in Applied Universities

LIU Zhen

（School of Electronics and Information Engineering， West Anhui University， Lu'an， Anhui 237012）

Abstract Exploring the methods of conducting simulation teaching in the course of communication principles based on the practical teaching of applied universities. In theoretical teaching， simulation technology is used to analyze related knowledge points， explain abstract teaching content， and explain the working principles of circuits. In experimental teaching， simulation platforms and hardware devices are combined to enhance students' learning of experimental circuit structures by adding circuit simulation links. Simulation software is used to design comprehensive and research-oriented experimental projects， and to cultivate students' knowledge application abilities. Conducting simulation teaching in the course of communication principles enriches teaching content， improves teaching effectiveness， and establishes a knowledge foundation for using simulation tools in subsequent learning.

Keywords communication principles; simulation teaching; applied universities

在新工科建設背景下，应用型高校开展工科教学更强调学科的实用性和综合性。当前通信原理课程教材大多注重课程内容的系统性和严密性，偏重模型原理介绍，数学推导较多，缺少具体实物分析，部分概念较抽象。应用型高校的学生数学基础较薄弱，在理解这类课程内容时有一定难度。在实验教学方面，实验内容受到硬件设备的制约，验证性实验内容较多，综合性和研究性实验项目较少。实验设备厂商提供的实验指导书往往对实验基本原理和操作步骤介绍得较为详细，但是对实验电路的结构解释较少，造成学生对实验系统工作原理的理解不够深入。因此，在教学过程中引入虚拟仿真技术来改善教学效果，提高学生学习兴趣，一直是研究热点[1-3]。Matlab软件由于其在数学分析和系统仿真方面的优势，在通信领域的教学中应用广泛。通过Matlab可以将复杂抽象的数学定义转换为图形描述方式，利用软件中的通信仿真模块还可以搭建系统模型解释信号传输过程[4-5]。电路仿真软件Multisim中包含大量的元器件模型，在介绍调制和解调方法时，设计相应的仿真电路，通过分析电路运行效果解释调制解调工作原理，能够使教学内容更具体[6]。然而，相关文献对仿真技术在实践教学中的应用关注较多，从理论教学、实验课程以及专业培养体系多方面探讨仿真技术应用的较少。此外，为了更好地展示教学内容，可能需要多种仿真工具配合使用，而研究仿真技术综合应用的文献也不多。本文探索在通信原理课程中进行仿真教学的方法，通过仿真软件将复杂的数学分析和系统结构形象化，帮助学生从系统到电路多层次理解教学内容。

1  理论教学中仿真方案的研究

1.1  分析关联知识点

课程教学中的很多知识点之间相互关联，对这些内容进行综合分析，有利于帮助学生建立知识体系，但这些内容可能处于多个章节中，教材对跨章节的内容进行综合分析的较少。例如，模拟调制和数字调制之间有很多相似之处，在模拟调制中，若调制信号为加入直流分量的余弦信号，与载波相乘可以得到AM信号；在数字调制中，二进制单极性基带与载波相乘可以产生2ASK信号。由此可知，模拟调制和数字调制都可以采用相乘法来实现对载波幅度的控制。在解调方面也存在类似情况，AM信号和2ASK信号解调方式中都有相干解调，不同点在于AM信号经过与载波相乘和低通滤波后，可以恢复模拟调制信号，而2ASK信号还需要通过抽样判决才能恢复数字基带信号。可见，数字解调和模拟解调既联系紧密又存在一定区别。教师在讲授2ASK相关内容时，将2ASK信号和AM信号的调制解调电路进行对比，利用仿真软件演示电路工作效果，可以帮助学生理解两种调制方式之间的联系和区别。

由于直流分量取值对调幅信号的解调方式有很大影响，教师在介绍调幅相关原理时，需要进行分析说明。当直流分量幅度大于等于调制信号幅度最大值时，已调信号包络按照调制信号进行变化，解调可以采用包络检波法。如果不满足上述条件，已调信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，此时解调只能采用相干解调法。当直流分量幅度为零时，已调信号就转变为抑制载波的双边带信号。教师在介绍调幅原理时，利用仿真软件建立调幅系统仿真模型，通过调节模型中直流分量的幅度，演示已调波形的变化情况，与使用传统的课件讲解方式相比，仿真软件能够将波形变化动态展示出来，帮助学生理解直流分量对调幅的作用。

1.2  解释抽象的教学内容

课程部分知识点采用数学公式描述不易理解，利用仿真软件可以绘制出知识点的波形，将教学内容形象化。例如，在讲解单边带调制内容时，设调制信号为，则调制后的单边带信号可以表示为，如果仅从数学表达式讲解，学生难以体会单边带信号的具体形式。教师可以利用仿真软件的图形绘制功能，编写程序绘制出单边带信号的波形，通过信号波形来解释单边带信号的概念相比数学表达式学生会更容易理解。

在介绍通信系统工作原理时，教材通常使用原理框图说明各部分的功能[7]，但原理框图相对抽象，如果利用仿真软件构建相应的系统模型，能够使讲解内容更形象。Matlab软件的图形化建模工具Simulink中包含大量的专业模块，可以搭建多种类型的通信系统模型。教师在介绍通信系统时，可以在原理图的基础上建立仿真模型，结合仿真效果说明系统功能。

1.3  说明电路工作原理

在介绍调制解调内容时，如果利用仿真软件将调制解调电路工作效果展示出来，可以使讲解更加具体。例如，在介绍幅度调制原理时，可以利用Multisim软件设计AM调制电路和包络检波电路，通过仿真软件演示调制和解调过程中的波形。利用仿真软件还可以向学生解释包络检波器的适用范围，例如，设计双边带信号的调制电路，观察双边带信号经过包络检波后的波形，可以发现双边带信号经过包络检波输出的波形与调制信号并不相同。围绕仿真结果，教师可以开展课堂讨论，探讨双边带信号不能直接使用包络检波器解调的原因。通过分析仿真波形可知，双边带信号的包络与调制信号的变化规律不同，不能简单使用包络检波器进行解调，但采用相干解调方式可以获得调制信号，进而引出相干解调方法。在软件中设计相干解调仿真电路，观察双边带信号经过相干解调后的波形，可以发现相干解调输出的波形与调制信号形式一致。

2  实验教学中仿真技术的应用

2.1  软件仿真和硬件设备相结合

实验课程通常采用硬件设备完成，学生按照指导书上的操作步骤连接实验模块、观察信号波形，对系统电路的具体结构关注不多。如果在教学中引入仿真设计内容，将硬件设备和仿真软件配合使用，可以起到较好的教学效果。教师可以将原有实验项目分为两个阶段进行，先要求学生在仿真软件中搭建实验系统，验证设计的正确性，然后再动手连接实验设备上的硬件电路，测量输出结果。通过仿真系统和实际电路之间的相互印证，让学生对实验原理有更深入的理解。例如，二进制差分相移键控调制实验，实验电路主要包括基带序列、差分编码、数字键控几个模块。实验教学过程中，首先要求学生在Multisim软件中设计实验电路，利用仿真示波器观察各功能模块输出的信号形式，然后连接硬件电路观测实际波形。相比仅采用硬件设备的教学方案，融入仿真验证阶段后，实验的内容更加丰富，提高了学生参与实验的兴趣。

2.2  设计综合性实验

传统实验教学中验证性实验内容较多，综合性实验较少。例如，在基带编码实验中，通过硬件设备只能观察输出结果，对学生理解编码规则的理解帮助较少。若利用仿真平台进行实验，教师可以将几种基带编码内容进行综合，要求学生在理解编码规则的基础上，使用Matlab软件编程实现AMI码、HDB3码、双向码等多种编码。学生在完成实验的过程中，需要对相关编码的规则有清晰的理解，同时还要具备一定的编程能力，将基带编码过程用代码实现。软件平台的引入使原来验证性的实验变为多知识点融合的设计实验，提高了编码实验的综合性。

角度调制中调频和调相联系紧密，对调制信号先积分再调相可以产生调频波，对调制信号先微分再调频可以产生调相波。围绕调频和调相设计的实验较少，为了帮助学生体会调频和调相之间的关系，教师可以利用仿真软件开展角度调制综合实验，要求学生编写代码实现调频和调相的过程，分析比较两种调制的区别。由于Matlab包含丰富的数学函数，学生可以依据两种调制的数学定义调用软件中的相关函数，将数学表达式转换为程序代码，最后绘制相应波形进行对比分析。

2.3  开展研究性实验

由于硬件实验受到设备功能的限制，实验内容的扩展性不强。在仿真平台中修改信号参数和实验系統结构较为容易，为开展研究性实验提供了基础。例如，2FSK信号可以分解为两路2ASK信号，基于两种数字调制方式之间的联系，2FSK调制电路可以在2ASK调制电路的基础上修改得到。实验时，教师提供2ASK调制电路的设计资料，提示学生根据理论教学中介绍的2ASK和2FSK之间的关系，设计实现2FSK调制电路。幅度调制也可以设计研究性实验内容，幅度调制有滤波法和相移法两种调制模型，其中，滤波法是通过选取不同特性的滤波器来产生相应的信号，因此，如何设计滤波器是值得研究的问题。教师在实验中提供双边带信号调制电路图，讲解使用仿真软件设计滤波器的方法，要求学生在分析双边带信号频谱特性的基础上，设计相应的滤波器电路实现单边带、残留边带调制。与直接提供实验电路的方案相比，学生需要经过一定研究和思考才能完成实验任务，更有利于提高学生的知识应用能力。

3  专业培养体系中仿真教学的作用

3.1  为后续课程奠定知识基础

在通信原理课程中应用仿真技术进行教学，为数字信号处理、移动通信、通信电子线路等后续课程建立了良好的知识基础。在数字信号处理课程中，数字滤波器的设计是教学重点， Matlab软件中包含了多种滤波器设计函数，学生利用在通信原理课程中学习的Matlab软件知识，能够较容易地掌握滤波器设计方法。在移动通信课程中，仿真软件可以用于分析信号特性、解释系统功能，使教学内容更容易理解。通信电子线路课程涉及电路分析的内容较多，教师可以借助通信原理课程中介绍的Multisim软件演示电路工作效果，还可以将Multisim软件用作实验平台开展实验教学[8]。因此，通信原理课程对仿真软件的介绍，为学生后续学习提供了有力支撑。

3.2  提高学生的专业能力

课程中介绍的仿真软件在通信技术、信号处理、自动控制等多个领域中有广泛应用，学生可以结合自身兴趣和专业知识利用仿真软件开展研究，将理论知识转化为实际应用。例如，学生在参与学科竞赛、进行创新创业项目、完成毕业设计的过程中，仿真软件可以对其设计的系统电路和算法模型进行验证和完善，从而加快研究进度。因此，仿真软件已经成为未来学生开展学习和研究的重要工具，熟悉仿真软件的使用方法，有助于提升学生的专业综合能力。

4  结语

在通信原理课程中引入仿真技术，对理论教学中的关联知识进行综合分析，建立的仿真模型能够帮助学生理解通信系统各部分的作用，设计的仿真电路有利于说明电路工作的原理。实验教学中采用软件仿真和硬件实验相结合的方法，引导学生理解实验电路，拓展实验内容。采用仿真软件还可以减少硬件设备对实验内容的制约，提高实验项目的综合性和研究性。仿真技术教学为学生后续课程的学习建立了知识基础，为提高学生的专业能力提供了支持。

基金项目：安徽省质量工程项目（2019JXTD092）；皖西学院教学研究重点项目（WXXY2020038）。

参考文献

[1] 朱艳萍，卞方军，金聪伟，等.新工科背景下通信原理课程创新性实验的探索研究[J].實验室研究与探索，2021，40（12）：126-131.

[2] 程春霞，宫锦文，高建宁.通信原理设计型实验的探索与实践[J].实验科学与技术，2019，17（3）：55-58.

[3] 田敏，邓红涛，钟福如，等.《通信原理》课程实践体系的改革与实践[J].武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：191-193.

[4] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社， 2008.

[5] 王海华.Matlab/Simulink仿真在“通信原理”教学中的应用研究[J].湖北理工学院学报，2015，31（3）：67-70.

[6] 唐玲.ASK调制解调电路的设计与仿真[J].电子科学技术，2015，2（4）：486-489.

[7] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2012.

[8] 唐路，苗澎，田玲.Multisim在“通信电子线路”实验教学中的应用[J].电气电子教学学报，2012，34（5）：64-66.