基于e-Labsim平台的通信原理课程教学方法研究
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摘 要：通信原理课程是电子信息类专业一门必修的专业基础课程，该课程理论性强、内容多、概念抽象、公式繁杂，在有限的课时内要求学生掌握课程的相关内容十分困难，学生在学习过程中对知识点也不容易理解。本文基于虚拟仿真技术，对通信原理课程的课堂教学进行改革，利用e-Labsim平台将通信原理课程的理论内容现场演示出来，提高学生对抽象知识点的理解，进一步增强学生的实践创新能力，激发学生对本课程的学习兴趣。
关键词：通信原理 虚拟仿真技术 e-Labsim平台 2FSK
中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0228-03
Abstract： Communication principle course is a compulsory professional foundation course for the electronic information category majors， which has the features of strong theory， mass contents， abstract concept and complicated formula. It is difficult to master the relevant contents within a limited class time. Meanwhile， students are not easy to understand the knowledge in the learning process. In this paper， we reform the classroom teaching method for the communication principle course based on the virtual simulation technology. By exploiting the e-Labsim platform to demonstrate the theoretical contents of the communication principle course， the understanding of the abstract knowledge is improved， the practical and innovation ability of the students can be enhanced and the study interests for this course are stimulated.
Key Words： Communication Principle; Virtual Simulation Technology; E-Labsim Platform; Binary Frequency Shift Keying
通信原理课程是电子信息工程、通信工程及相关专业的一门重要的专业基础理论课，着重培养学生从通信基本理论的角度去观察、分析与解决问题以及进行通信系统分析与设计的能力。该课程的主要特点是理论性强、内容较多、概念抽象、公式繁杂、教材各章节之间的融合与贯通较多，对相关数理基础要求较高，无论是对于教师还是学生，在教与学的过程中都存在一定的难度。此外，随着我国成为《华盛顿协议》的正式会员，我国工程教育标准开始与国际接轨，工程教育专业认证工作不断推进，使得本科培养方案的学时不断压缩，目前我院通信原理课程的总学时已由64学时压缩到56学时。如何在有限的学时内有效地完成本课程的教学任务，使学生较好地掌握课程的教学内容，是教授通信原理课程教师面临的一个难题。对于通信原理课程的教学，不仅要求教师对该课程的教学体系及教学内容有深入的理解，还要求教师在该课程的教学模式、教学方法及教学手段上不断革新。
此外，该课程在实验教学的过程中，由于实验学时较少，且实验设备及场地有限，学生在有限的时间内，既要掌握实验仪器及设备的操作，又要通过实验掌握相关的原理、记录实验现象并完成实验内容，实验效果十分不理想。目前，国内大多数高等院校开设的通信原理实验教学都是基于实验箱进行的，开出的实验大多数也都是验证型、演示型实验。学生不仅动手操作的范围有限，对理论知识的理解不够深入。
随着信息化技术的不断发展，虚拟仿真技术已经广泛地融入到高校的课程教学中。本文将e-Labsim平台用于通信原理课程的教学，旨在提高该课程的教学效果，加强学生对课程教学内容的理解与掌握，提高学生对理论知识与实际应用的能力。
1 e-Labsim平台介绍
e-Labsim是一套专门针对通信专业课程教学和创新开发的模块级仿真平台。该平台运用先进的虚拟仿真技术，将通信原理实验相关的模块和测试仪器全都“搬移”到电脑里面，并进行网络化改造，让学生可以随时随地登录网络进行实验和开发。e-Labsim平台能完整模拟硬件外观及行为，所有实验模块和测试设备具有和实际硬件一样的使用感受，轻点鼠标即可完成对模块及设备上所有开关、旋钮及菜单的操作，操作界面和实验箱完全一样，实现了从仿真环境到实际的硬件环境的“无缝”切换，使学生更容易理解。
e-Labsim平台基于虚拟仿真技术，融合了函数信号发生器、示波器等多种实验仪器，所有仪器可多台调用，摆脱了实验室仪器设备数量及性能的限制。该平台基于网络进行登录，学生不必亲自来到实验室，在图书馆或者教室也能随时进行学习和实践，打破了传统实验教学受人数和空间的限制，让学生拥有随时随地进行学习和实践的环境，并使本课程的教学资源得到了充分有效的利用。此外，该平台内置完整的二次开发及创新设计模块，能够加载Matlab的m函數以及C语言的DLL文件。可让学生方便地进行无负担创新设计，且学生设计的功能完全可以替代模块而融入到系统实践中去，使学生能循序渐进地从部分功能的开发扩展到整个系统功能的实现，进一步地提升了学生的创新能力。 2 2FSK的教学方法研究
2.1 2FSK的原理概述
2FSK利用载波的频率变化来传递数字信息，其已调信号的表达式为：
（1）
式中，g（t）为单极性不归零的矩形脉冲信号，为an的反码。和分别为an和对应的角频率。
2FSK的调制可以采用频率键控法。假设两个载波信源为频率不同的正弦波，基带信号为“10”序列，当第一路载波输出与其相乘时，数据“1”的部分会产生波形，而数据“0”的位置则不会产生波形;第二路载波信号与通过反相器的基带信号相乘，会产生和第一路载波相反的情况，最后两路载波已调信号通过相加器，产生2FSK已调信号。
2FSK信号的解调有非相干解调和相干解调两种。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，相干解调采用“本地载波+乘法器+低通滤波器”的方法来实现，非相干解调采用包络检波法来实现，最后再进行判决。
在课堂的讲授过程中，如果单纯通过公式，理论介绍及分析给学生讲解2FSK系统，不仅枯燥无味，学生也不容易理解。但如果结合仿真平台，将该系统的实现以及现象展现给学生，不僅加深了学生对理论知识的理解，还能提高课堂的教学效果，做到理论与实践的有机结合。
2.2 基于e-Labsim平台的2FSK仿真实现
在分析完2FSK的理论知识点之后，通过e-Labsim搭建2FSK仿真平台，运行并观测基带信号、已调信号及解调输出信号的波形变化。基于e-Labsim平台的2FSK调制解调原理及系统仿真实现分别如图1和图2所示，仿真中调制采用频率键控法，解调采用非相干解调法。
通过图1可以更进一步地理解2FSK调制解调的基本原理和实现过程，在理解原理的基础上，搭建仿真平台，运行后基带信号波形如图2中示波器中黄色曲线所示，已调信号波形如图2右上示波器中蓝色曲线所示，解调输出波形如图2右下示波器蓝色曲线所示。仿真中基带信号采用32kHz的PN码产生，载波频率128kHz对应码元“0”，载波频率256kHz对应码元“1”，从示波器的波形中可以清楚地看到基带信号随已调信号的频率变化规律。经解调后输出信号波形与基带信号波形一致，但略有延迟。进一步地对2FSK的眼图进行观测，测试结果如图3所示。从图3中可以看出，眼图端正，迹线清楚，清晰地反映了基带信号码元的变化规律。
3 结语
通过将通信原理课程教学与e-Labsim平台相结合，进一步增强学生对抽象概念及理论的理解，学生对本课程的学习兴趣有了明显的提高。采用e-Labsim平台，弥补了传统课堂理论讲授与硬件实验脱节的不足，而且不受时间和空间限制，可做到随教随练。此外，学生在课下可对教学内容进行拓展，可自行设计实验及搭建仿真实验平台，并且可以根据需求自行调整参数，做到理论知识与实践的融会贯通，进一步提高自身的实践能力及创新能力。
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