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信息通信虚拟仿真软件在教学中的应用

作者:admin 更新时间:2018年01月22日 09:18:20

  摘要:针对高等院校数字信号处理和通信原理等课程的特点,探讨了开发信息通信虚拟教学平台的目的,以及信息通信虚拟教学平台的简介,并结合实例说明了信息通信虚拟教学平台的使用情况和效果。教学实践表明,在通信原理等课程的实验教学阶段引入该自主开发的软件平台,有利于加强学生对技术的深入理解,提高学生的实践能力,收到了良好的实验教学效果。


  关键词:通信原理实验教学虚拟仿真


  中图分类号:T31文献标识码:A文章编号:1672-3791(2017)09(b)-0166-04


  高等院校开设的通信原理、信号与系统和数字信号处理课程中的概念和分析方法广泛应用于电子、通信、信息、机电和计算机领域,这些课程的特点是理论性强,实践要求也高。应用转型背景下的高校教师在教学中要重视实践教学和实践教学手段,以培养学生动手能力和创新能力,适应应用转型背景下的高校人才培养需求。因此,改革理论教学和实践教学的教学模式有着极其重要的意义。本文将结合教学实践,对现行教学模式下的《通信原理》课程教学过程中存在的主要问题进行分析,然后就如何改进教学方式和手段进行了有效的尝试,主要就本课程组开发的一套虚拟信息通信软件应用于教学中促进教学质量的效果进行了探讨,最后结合实例说明其在教学中的应用。


  1《通信原理》教学主要问题探讨


  由于《通信原理》课程主要介绍数字通信的基本原理,应用及性能分析的基本方法,以及通信系统的设计。在教学中包含大量的原理讲解、公式推导及例题练习,容易造成传统教学模式中普遍存在的课堂填鸭式教学,缺少教师和学生的互动和交流,缺乏学生的主动思考和解决问题的热情。因此,本课题组针对以上教学中容易出现的问题,进行了解决方案的探讨。我们发现,在教学过程中,一方面要在课堂教学中引入形象生动的教学案例,完善学生对理论知识的理解,比如通过Matlab数值计算模拟,在课堂教学中使用一些可视化的所见即所得的实例结果演示,将系统的输入和输出直观地展现在学生面前,显示某些用语言和粉笔难以描述的处理过程,这样就可以提高学生对理论的直觉感受;另一方面要满足学生课后实践的要求,通过MatlabGUI设计,针对一些典型的处理方法开设虚拟仿真实验,让学生在理论学习的基础上,通过修改程序,运行程序以及观察处理之后的效果,更进一步开拓学生思路,提高解决问题的兴趣和能力。


  因此,开发通信信息处理教学软件不但可以满足课堂教学演示理论的需要,还可以提高学生的动手能力。下面介绍本课程小组开发的信息通信教学软件。


  2虚拟信息通信实验平台简介


  本课程小组开发的虚拟信息通信实验平台的开发工具为Matlab和其GUI工具,也可以直接编写M文件的方式来实现。在软件开发上,本研究充分考慮到学生的可接受性、软件的可扩充性和教学的实用性,将通信原理的理论与实际应用相结合,使抽象内容变为可视内容,形象直观,图文并茂,运行速度快,用户界面友好。本平台涵盖了信息通信的大部分内容。利用该平台,可以让课堂教学讲授理论知识的同时,结合案例的讲解,使学生在掌握理论的同时熟悉实践过程,进而培养学生的编程实践能力,也可以让学生对案例进行分析,找到解决办法,并进行编程验证。


  信息通信虚拟仿真软件运行界面如图1所示。


  3实验教学实例


  在通信原理等课程的理论教学中,我们的教学目的是让学生掌握数字通信的基本原理,应用及性能分析的基本方法等理论知识,在通信原理等课程的实验教学阶段,我们更要培养学生的算法编程能力和系统设计能力。下面以数字基带接收为例来介绍信息通信软件在实验教学中的应用。


  数字基带信号的接收可以用如图2表示。


  因此,是一个均值为0、方差为的高斯随机变量。


  由式1,得


  因此,基带信号的接收可以等效成离散模型进行分析,正如式4所示,接收新号在时刻的抽样值取决于当前输入码元值、前后码元对其的干扰和加性高斯白噪声。


  在仿真软件界面,选择基带信号接收菜单,设置抽样间隔Ts为1,码元个数为100,每码元抽样点数为8。


  关键代码如下:


  gt=ones(1,N_sample);


  d=sign(randn(1,N));


  a=sigexpand(d,N_sample);


  st=conv(a,gt);


  ht1=gt;


  rt1=conv(st,ht1);


  ht2=5*sinc(5*(t-5)/Ts);


  rt2=conv(st,ht2);


  ……


  axes(handles.a1);


  plot(t,st(1:length(t)));


  ……


  axes(handles.a2);


  stem(t,a);


  于是,可以画出输入的数字基带信号波形和数字序列,如图3所示。


  那么,教师可以给学生设置问题:若接收滤波器的冲激响应函数,滤波后的波形图如何得到呢?经过修改程序,可以画出经过滤波器器后的波形图。


  关键代码如下:


  axes(handles.a3);


  plot(t,[0rt1(1:length(t)-1)]/8);


  ……


  axes(handles.a4);


  dd=rt1(N_sample:N_sample:end);


  ddd=sigexpand(dd,N_sample);


  stem(t,ddd(1:length(t))/8);


  ……


  圖4为得到的方波滤波后输出和方波滤波后抽样输出。


  还可以进一步设置问题:若,滤波后的波形图如何得到呢?经过修改程序,可以画出经过滤波器器后的波形图。


  关键代码如下:


  axes(handles.a5);


  plot(t-5,[0rt2(1:length(t)-1)/8]);


  ……


  axes(handles.a6);


  dd=rt2(N_sample-1:N_sample:end);


  ddd=sigexpand(dd,N_sample);


  stem(t-5,ddd(1:length(t))/8);


  ……


  经过修改程序,可以画出经过滤波器后的波形图,如图5所示,分别为得到的理想低通滤波后输出和理想低通滤波后抽样输出。


  4结语


  在教改思想指导下,我们探讨了传统通信原理教学容易存在的问题,并找到一种有效的解决方法,通过Matlab强大的数值计算能力和GUI图形用户接口,能够把枯燥复杂的通信原理概念和公式以更加直观的绘图形式展现出来,从而大大激发了学生在课堂上的学习兴趣和主动思维积极性。同时,利用课程小组开发的通信原理虚拟实验软件能让学生快速、准确、直观的巩固所学知识,提高学生用科学手段解决实际通信原理和系统设计的兴趣和能力。


  作者:郭杰荣等


   参考文献 

  [1] 周炯.通信原理[M].北京:北京邮电大学出版社,2002. 

  [2] 程卫国.MATLAB精要、编程及高级应用[M].北京:机械工业出版社,2000(4). 

  [3] 苏金明,阮沈勇.MATLAB实用指南[M].北京:电子工业出版社,2002(1).