移动通信虚拟仿真实验在教学中的应用

    周晓红

    摘 要：文章从传统移动通信实验教学中存在的限制因素出发，分析了将虚拟仿真软件引入课程的必要之处。通过分析得出，将移动通信虚拟仿真实验引入教学之中，使枯燥的通信原理知识更加形象，既利于教师进行课堂内容展示，也便于激发学生的学习热情，拓展学生的创新思维，进而提高移动通信课程的教学效果。

    关键词：移动通信；虚拟仿真实验；QPSK调制

    1 移动通信实验教学现状

    移动通信课程的教学内容比较复杂，除了要求学生要学会相关的专业知识，比如通信系统的组成原理、应用原理之外，还要求学生要有实践操作能力，也就是能将掌握的原理应用到通信课程实验中[1]。在我国移动通信技术不断发展的大背景下，职业院校的学生更要提高学习的积极主动性，主动学习并掌握新的知识，并将知识可以应用到实践中。高等教育的核心是培养学生的综合能力，而实验教学就是重要的方式。实验教学不仅可以培养学生的专业技术能力，而且可以拓展学生的综合分析和创新能力，培养出符合社会需要的具有创新思维和高技术水平的专业移动通信人才[2]。

    传统的移动通信技术教学存在很多不足之处，主要体现在以下4个方面：首先，课程的教学重点多集中在理论知识的教学上，忽视了实验教学的作用。实验教学作为检验学生是否充分理解并掌握理论知识的方式，应该与理论教学相辅相成；其次，有些职业院校缺乏新型的实验设备以及最新的移动通信器件和装置，这导致不能满足学生开展实验的需要；再次，学校开展的实验教学采取的多数是验证性实验，学生只需要根据已有的实验步骤进行模仿训练即可，无法激发学生学习的热情和拓展学生的创新思维[3]。

    2 移动通信虚拟仿真实验引入教学的效果

    2.1 方便学生理解课堂知识

    在以前的移动通信课程理论教学中，教师一般会将教学重点放在对通信课程中某种技术或者算法原理进行讲解，让学生逐步了解并能够掌握调制解调器的相关原理以及无线电波是通过何种方式进行变换[4]。学生在了解这些知识点之后，再学习后面课程中的信源编码、无线电波发射等知识点时会更加容易接受。教师在以往的实验课上，一般会选择按部就班、循规蹈矩的方式对实验原理进行说明，多数情况下会采用传统板书的形式，这样的教学方法虽然有利于教师方便快捷地完成知识点的讲解，但却不容易让学生直观清楚地理解教学内容。而且实验课的内容中会有很多波形分析的知识点，教师仅仅凭借板书的形式，很难达到理想的教学效果[5]。

    而将移动通信虚拟仿真实验引入教学之后，有利于学生对枯燥的技术、信号原理有更为直观的认识，也更容易让学生牢牢把握相关的知识点。教师在移动通信实验课程的教学准备过程中，应该从高职学生的理解能力、分析能力出发，为学生构建更便于理解教学内容的情境，这样有利于达到比较好的教学效果。在进行移动通信虚拟仿真实验的过程中，通过使用SystemView软件，可以为学生创设清晰明确、一目了然的可视化平台，并根据实验需求构造相应系统，然后让学生积极主动地参与到实验过程中，通过调整不同的参数，观察波形、功率谱的变化，并由此得出相应结果。在这个实验过程中，学生就切实体验到真实电路工作的流程，更有助于学生理解课堂知识，并将课堂上掌握的理论知识运用到实践中去[6]。

    2.2 引导学生主动探索知识

    以往职业院校组织学生进行的多数是验证性实验，这种实验方式会让学生根据固定的实验设备和步骤来完成实验过程，学生在实验过程中，只能按照既定的实验思路进行实验，不能将自己的一些想法运用到实验中去，这样不但使学生对参与实验的兴趣不高，而且在电路调试过程中也非常容易损坏元器件及实验设备，实验效果必然不理想。所以，将移动通信虚拟仿真实验引入教学是非常必要和及时的。

    虚拟仿真实验软件具有非常强大的功能，如数据的收集、分析及传输等。学生通过进行虚拟仿真实验，可以更多参与到实验过程中，比如可以通过改变实验参数来观察电路的不同，并通过总结分析实验过程中存在的问题，经过推理、论证，最后设计出较好的电路；或者学生可通过观测输出电路的波形变化，通过记录分析，对如何进行真实电路调试有更为直观的认识。同时，通過虚拟仿真实验，可以实现以往一些课堂上无法实现的创新性实验，大大增加了实验教学的广度[7]。

    由此可见，通过将移动通信虚拟仿真实验引入教学，不仅能够扩展学生对原理知识的理解程度，而且可以通过实验让学生对实际电路的运行情况有更清晰的认识，有利于学生将理论知识运用到实践中去。同时，将移动通信领域的新技术引入到课堂中来，可以大大提高学生的学习热情，推动学生更积极地探索新知识，培养学生的创新思维，为学生以后更加灵活地调试电路奠定良好基础。

    3 虚拟仿真实验教学实例分析

    本文以正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）调制为例，展开移动通信虚拟仿真教学实验。QPSK的特点是频谱利用率较高，而且有不错的抗干扰性能。

    3.1 理论分析

    QPSK通过分别对2个相互正交的同频载波进行PSK调制，并将调制完成后所得到的两路信号进行叠加，生成QPSK信号。在这个过程中，至关重要的一步就是要将需要进行传输的二进制序列，进行串/并转化，并获得两路并行的双极性码元数据。然后，在依据相应要求，细化电路。

    3.2 绘制仿真模型

    利用SystemView进行仿真实验。在QPSK调制仿真电路图中的各个图符模块都被设定了编号，这样做的目的是方便在进行实验教学时，方便学生更好的理解并进行操作[8]。原始输入的信号属于低频数字信号（500 Hz），首先需要对数字信号进行取样，然后在取样结束后要对信号保持一定时间，最后对数字信号做延迟处理，通过这3个步骤之后，可以获得两路并行数据，然后分别与两个相正交的高频载波（1 000 Hz）作QSK调制，最后经过相加器叠加输出QPSK信号。

    3.3 结果观测

    在通过QPSK调制之后，将仿真电路运行之后，我们可以在不同的观察窗口对电路的不同情况进行分析，比传统的实验更具有可视性和多角度观察。通过实验发现，当二位码元随机产生不同状态时，电路输出也会随之改变，QPSK信号也会出现相位跳变点，这符合仿真实验的定义。而电路输出信号的功率在1 000 Hz左右。由此可见，本次实验中的大部分电路功率主要可以应用于信号传输。在实验完成后，可以让学生思考：如果对移动通信虚拟仿真实验的系统参数进行一定的改动，那会取得何种结果？通过提问的方式，让学生在课后可以继续通过实验来探索电路的频率范围。引导学生的发散性思维，激发学生课后自主学习的热情。有条件的情况下可以把仿真软件安装到学生的电脑中，打破学习的空间时间限制，提高学习的灵活性。

    4 结语

    本文从传统移动通信实验教学中存在的限制因素出发，分析了将虚拟仿真软件引入课程的必要之处，并将虚拟仿真实验引入到移动通信课程的实验教学之中，使得此课程的实验方式突破了传统的验证试验，而且使学生进行综合创新性实验，将课程理论知识与实践操作相结合，以着重培养学生的创新性思维及动手操作能力。将移动通信虚拟仿真实验引入教学之中，使枯燥的通信原理知识更加形象，既利于教师进行课堂内容展示，也便于激发学生的学习热情，拓展学生的创新思维，进而提高移动通信课程的教学效果。

    [参考文献]

    [1]孙爱晶，卢光跃，刘毓.通信专业核心实践教学的研究与实践[J].实验室研究与探索，2011（5）：91-93.

    [2]李新春.移动通信实习实验教学系统的研究与实践[J].实验室科学，2009（6）：33-34.

    [3]谭平.地方高校应用型人才工程实践能力的培养[J].实验室研究与探索，2009（5）：93-95.

    [4]周霞，陳奎庆.工科院校学生创新思维培养[J].江苏工业学院学报，2009（4）：92-95.

    [5]戴翠琴，由海霞，鲍宁海.移动通信课程实验教学改革与平台建设[J].实验技术与管理，2012（2）：144-147.

    [6]苏良昱，王武，葛瑜.电力电子技术仿真实验教学与创新思维拓展[J].实验技术与管理，2013（1）：170-173.

    [7]何伟刚，吴其琦.仿真技术应用于移动通信实验教学的创新实践[J].实验技术与管理，2014（10）：22-24.

    [8]戴志平，梅进杰.System View 数字通信系统仿真设计[D].北京：北京邮电大学，2011.