劉婉妮

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引 言

在新工科時(shí)代背景下，對(duì)通信工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式、課程體系、學(xué)生的綜合實(shí)踐能力等方面提出了全新的要求?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“通信原理”“移動(dòng)通信”“移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”等課程是通信工程專(zhuān)業(yè)課程體系的核心組成部分，這五門(mén)課程在知識(shí)的繼承和銜接上遵循嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，在課程設(shè)置中多將它們作為課程群進(jìn)行建設(shè)，該課程群不僅涉及到信號(hào)與系統(tǒng)分析和處理的整套理論，而且更注重運(yùn)用課程的相關(guān)理論解決工程領(lǐng)域中的實(shí)際問(wèn)題[1]。但該課程群的一個(gè)共同特點(diǎn)是理論性、系統(tǒng)性較強(qiáng)，理論結(jié)果往往來(lái)源于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和推導(dǎo)，且課程中大量信號(hào)分析的結(jié)果缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)該類(lèi)課程中普遍存在對(duì)物理概念理解不清晰、畏難情緒嚴(yán)重、缺乏工程實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值的探索興趣等現(xiàn)象，使該課程群一直處于教難、學(xué)更難的境況[2]。

教育部在《關(guān)于2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》文件中要求：深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平[3-4]。虛擬仿真技術(shù)具有成本低、自由度高、交互性強(qiáng)、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在通信工程專(zhuān)業(yè)的理論和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。本文以西安歐亞學(xué)院通信工程專(zhuān)業(yè)核心課程改革為例，探討虛擬仿真技術(shù)在專(zhuān)業(yè)核心課程群教學(xué)中的應(yīng)用情況。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的必要性和先進(jìn)性

（1）有效延伸和擴(kuò)展傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真技術(shù)在“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”等課程中的應(yīng)用：利用MATLAB強(qiáng)大的信號(hào)處理能力及可視化的圖形用戶GUIDE工具，以交互的方式對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”中的重要內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真[5]，并將枯燥的理論知識(shí)與有趣的工程實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生在直觀的演示中理解問(wèn)題的本質(zhì)和意義，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

虛擬仿真技術(shù)在“通信原理”“移動(dòng)通信”等課程中的應(yīng)用：該類(lèi)課程以完整的通信系統(tǒng)為對(duì)象，以研究系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)值為目標(biāo)，使其同時(shí)滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)約束；課程主要應(yīng)用MATLAB Simulink、LabView、SystemView等軟件快速搭建通信系統(tǒng)并進(jìn)行約束條件下的系統(tǒng)仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行情況。

“移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”課程內(nèi)容是以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)的全流程為主線，將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)期、測(cè)試優(yōu)化發(fā)展期、專(zhuān)題運(yùn)維成熟期的實(shí)際工程項(xiàng)目借鑒遷移到課程教學(xué)中來(lái)，但由于知識(shí)體系較龐大、實(shí)驗(yàn)條件受限，在傳統(tǒng)的教學(xué)中很難兼顧完整的項(xiàng)目過(guò)程，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，從網(wǎng)絡(luò)的接入到傳輸，從業(yè)務(wù)接口到信令接口，從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備安裝、配置調(diào)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)全程覆蓋。

（2）打破實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間受限的障礙

由于通信專(zhuān)業(yè)核心課所涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較昂貴，實(shí)驗(yàn)室不能隨意開(kāi)放，學(xué)生只能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，所有學(xué)生只能“齊步走”；同時(shí)由于設(shè)備數(shù)量有限，一般以小組為單位進(jìn)行協(xié)作完成，難免部分學(xué)生有“搭車(chē)”之嫌，另外移動(dòng)通信設(shè)備的網(wǎng)管系統(tǒng)支持的在線用戶數(shù)有限，使得實(shí)驗(yàn)資源利用率和實(shí)驗(yàn)效率均較低。同時(shí)，為了避免學(xué)生由于知識(shí)掌握不透徹引起各種突發(fā)事件，在教學(xué)中老師會(huì)詳細(xì)介紹操作步驟和注意事項(xiàng)，這一教學(xué)模式盡管降低了儀器損毀的概率，但同時(shí)也降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受場(chǎng)地、器件等因素的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)有臨場(chǎng)感和沉浸感，學(xué)生可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)測(cè)試與調(diào)整，避免千人一面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給予學(xué)生較好的創(chuàng)新探究的發(fā)揮空間[6]。

（3）緩解通信實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新壓力

信息通信技術(shù)具有技術(shù)高度密集、實(shí)踐性要求高和更新?lián)Q代迅速等特點(diǎn)，對(duì)于很多民辦院校而言，在信息通信技術(shù)更新速度快、實(shí)體設(shè)備費(fèi)用高、不同廠家設(shè)備差異大和使用周期短的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)條件下，要投入大量資金阻力較大。同時(shí)在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓、儀器燒毀情況時(shí)有發(fā)生，學(xué)校每年需要花費(fèi)大量的財(cái)力進(jìn)行通信設(shè)備的維修、儀器的重復(fù)引進(jìn)和消耗材料的購(gòu)置。而通過(guò)虛擬仿真技術(shù)不僅可以模擬真實(shí)的“現(xiàn)網(wǎng)”場(chǎng)景[7]，讓學(xué)生獲得與操作真實(shí)設(shè)備所需的同樣的知識(shí)和技能成為可能，并且通過(guò)軟件升級(jí)就可將課程無(wú)縫切換到未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，在有效解決以上諸多問(wèn)題方面有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課程群的典型案例

2.1 MATLAB在信號(hào)處理類(lèi)課程中的應(yīng)用

MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司發(fā)布的主要面向科學(xué)計(jì)算、可視化及交互式程序設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件[8]，以其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和圖形繪制功能，被廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理類(lèi)課程的教學(xué)中，能夠?qū)⒒逎睦碚撝R(shí)具體化、形象化，達(dá)到既掌握理論知識(shí)又拓展工程實(shí)踐能力的目的。下面以語(yǔ)音信號(hào)去噪為例，介紹MATLAB在信號(hào)處理課程中的應(yīng)用。

在信號(hào)處理類(lèi)課程中，如何選擇合適的數(shù)字濾波器解決實(shí)際工程問(wèn)題是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在教學(xué)中常以語(yǔ)音信號(hào)去噪案例展開(kāi)教學(xué)，借助MATLAB工具，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)采集與去噪系統(tǒng)的仿真，通過(guò)設(shè)計(jì)Butterworth、Chebyshev的I2R數(shù)字濾波器，分別實(shí)現(xiàn)基于巴特沃斯和切比雪夫低通、高通、帶通和帶阻濾波器的除噪功能，恢復(fù)原始語(yǔ)音信號(hào)，分析不同濾波器處理前后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域、頻域特性，并從理論推導(dǎo)、仿真結(jié)果分析和聽(tīng)覺(jué)感受三個(gè)方面進(jìn)行效果對(duì)比。具體仿真流程和仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 語(yǔ)音信號(hào)去噪仿真流程

圖2 語(yǔ)音信號(hào)去噪仿真波形

2.2 LabVIEW在通信原理課程中的應(yīng)用

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司開(kāi)發(fā)的一種圖形化的編程環(huán)境，其最大的特點(diǎn)是程序框圖化，通過(guò)前面板的輸入控件和顯示控件可觀察輸入條件及輸出結(jié)果，通過(guò)后面板的框圖化程序可看到前面板運(yùn)行結(jié)果是如何具體實(shí)現(xiàn)的[9-10]。利用LabVIEW的窗函數(shù)、濾波器、頻譜分析、功率譜分析等控件，可以方便地搭建、觀察和分析通信系統(tǒng)。下面以AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真為例，介紹LabVIEW在通信原理課程中的應(yīng)用。

幅度調(diào)制（AM）是模擬通信系統(tǒng)中一種最常見(jiàn)的線性調(diào)制方式[11]，借助LabVIEW可以方便地搭建AM調(diào)制系統(tǒng)。系統(tǒng)前面板如圖3所示，通過(guò)前面板參數(shù)的設(shè)置，可得到所需頻率和幅值的AM信號(hào)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，最后用簇將信號(hào)的波形和頻譜分別打包后通過(guò)示波器將波形和頻譜顯示出來(lái)。

圖3 AM調(diào)制系統(tǒng)仿真前面板

圖4為AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的后面板，從后面板程序中可以清楚地看出AM系統(tǒng)的構(gòu)成和前面板功能是如何實(shí)現(xiàn)的，發(fā)送端的基帶信號(hào)經(jīng)AM調(diào)制模塊后產(chǎn)生AM已調(diào)信號(hào)，基帶信號(hào)和AM信號(hào)經(jīng)FFT運(yùn)算得到基帶信號(hào)和AM信號(hào)的頻譜。AM信號(hào)加入噪聲后到達(dá)接收端，將AM信號(hào)先與載波相乘，然后再通過(guò)一個(gè)低通濾波器（即相干解調(diào)），接收濾波器的截止頻率要略高于基帶信號(hào)頻率，從而得到AM解調(diào)信號(hào)。程序框圖中的AM控件是自定義的一個(gè)子程序，在主程序中被調(diào)用，其設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示。用多諧波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)仿真基帶信號(hào)，將它和直流偏移相加，再和一個(gè)多諧波發(fā)生器產(chǎn)生的余弦波相乘，便可以得到AM調(diào)制信號(hào)。

圖4 AM調(diào)制系統(tǒng)仿真后面板

圖5 AM子程序前面板

圖6 AM子程序后面板

2.3 基于VR的虛擬仿真技術(shù)在“移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”課程中的應(yīng)用

“移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化”課程內(nèi)容以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)的全流程為主線，將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際工程項(xiàng)目借鑒遷移到課程教學(xué)中來(lái)，但由于知識(shí)體系較龐大、實(shí)驗(yàn)條件受限，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多以設(shè)備安裝調(diào)測(cè)及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為主，很難兼顧完整的項(xiàng)目過(guò)程，致使實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性不足。而借助虛擬仿真技術(shù)，搭建覆蓋通信系統(tǒng)全過(guò)程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所用的部署標(biāo)準(zhǔn)、4G/5G設(shè)備、分析方法都與現(xiàn)網(wǎng)同步且一致，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件和真實(shí)工作環(huán)境的“無(wú)縫對(duì)接”，全方位、多層次地培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力[12]。

以5G網(wǎng)絡(luò)基站安裝為例，通過(guò)虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信機(jī)房從無(wú)到有的搭建過(guò)程，模擬站點(diǎn)工程師依照安裝規(guī)范進(jìn)行基站設(shè)備安裝，形象地仿真了基站BBU、AAU、GPS、饋線、光纖等設(shè)備線纜安裝連接全過(guò)程。學(xué)生可根據(jù)要求建立一個(gè)空置的機(jī)房?jī)?nèi)景和機(jī)房外景模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)提示分別選擇器材庫(kù)中的設(shè)備和輔材，將通信主設(shè)備和相關(guān)輔材模型逐個(gè)安置在機(jī)房?jī)?nèi)外指定的區(qū)域和位置，所有設(shè)備和輔材均可360°全方位地展示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生需結(jié)合所學(xué)知識(shí)及原理，對(duì)器材庫(kù)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析、判斷、決策與“試誤”。圖7、圖8分別為5G基站搭建及5G網(wǎng)絡(luò)機(jī)房搭建模型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用“闖關(guān)式”設(shè)計(jì)，通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)手段[13]，有效培養(yǎng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力和解決通信工程中復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

圖7 5G基站器材庫(kù)搭建

圖8 虛擬5G基站室內(nèi)環(huán)境搭建

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的生命力在于很大程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，解決實(shí)際教學(xué)中課程難度大、課堂教學(xué)枯燥乏味、學(xué)生實(shí)踐技能薄弱等問(wèn)題，緩解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力，節(jié)省時(shí)間、空間和硬件成本資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的擴(kuò)展和延伸。盡管虛擬仿真教學(xué)有諸如上述優(yōu)勢(shì)，但虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相比，仍存在不能很好地識(shí)別學(xué)習(xí)者在真實(shí)工程環(huán)境中所呈現(xiàn)的個(gè)性差異等不足[14]，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)把握好虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)，解鎖教育教學(xué)新技能。