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虛實結(jié)合的通信原理實驗教學(xué)方法研究論文
本文介紹了一種虛實結(jié)合的通信原理實驗教學(xué)方法，使用xilinx公司的system generator工具，在simulink環(huán)境中搭建虛擬的通信模型，完成仿真后生成可下載文件，在FPGA中運行，在實際的硬件電路上進行實驗，為通信原理的實驗方法提供了一條新的思路。
1.引言
通信原理課程是通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，由于課程內(nèi)容理論要求高，知識背景廣，同時又具有很強的工程背景，需要大量的實驗環(huán)節(jié)對其知識體系進行補充。良好的實驗設(shè)置不僅僅需要幫助學(xué)生鞏固課堂上的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，同時還需要引入工程的思想引導(dǎo)學(xué)生解決實際通信電路的設(shè)計、分析、調(diào)試等種種問題。
本文提出了一種新的實驗思路，利用xilinx公司提供的system generator工具，可以在simulink的庫中搭建開發(fā)好的模塊，組成通信模型，進行仿真并可以使用虛擬器進行觀測。同時，可以生成HDL文件，編譯后下載到FPGA中執(zhí)行，運行在實際的硬件電路上。
2.虛擬實驗仿真
實驗的第一步是在虛擬的環(huán)境中進行，其設(shè)計是在simulink的環(huán)境下完成的，實現(xiàn)的方式完全和在simulink中一樣，通過拖拽模塊和連線，就能完成系統(tǒng)的搭建。學(xué)生可以自己構(gòu)建多種通信系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試工作，通過虛擬儀器分析信號的波形和頻譜，理解通信原理中的理論知識。圖 1是在simulink環(huán)境下搭建的一個基本的QPSK調(diào)制系統(tǒng)，調(diào)用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模塊，整個設(shè)計過程和通用的虛擬環(huán)境基本一致，通過simulink中提供的示波器，頻譜儀等模塊，可以觀測到整個調(diào)制的過程。
可以看出使用system generator工具所搭建的通信系統(tǒng)完全可以基于虛擬環(huán)境使用，豐富的虛擬設(shè)備可以讓學(xué)生清晰而直觀地觀察信號，不受硬件設(shè)備的限制，不需擔(dān)心設(shè)備損壞的問題，降低學(xué)生對實驗的畏難情緒，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
3.硬件平臺設(shè)計
在學(xué)生通過自己動手完成虛擬系統(tǒng)的搭建，掌握了基本系統(tǒng)原理，觀測了相關(guān)信號的波形，調(diào)試成功后，就可以直接在simulink環(huán)境中生成 NGC或HDL文件，生成可下載文件，在硬件中運行。硬件平臺的設(shè)計需要考慮以下幾個因素：(1)必須要滿足通信原理課程的要求，鞏固學(xué)生的理論知識。(2)能夠進行綜合性及設(shè)計性實驗，滿足二次開發(fā)的要求。(3)便于故障排除和維護，減輕日常實驗室工作強度。
基于以上的考慮，系統(tǒng)的硬件采用了模塊化的設(shè)計方法，使用了母板+子板的設(shè)計方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA，子板設(shè)計了AD、DA、音頻、放大器等常用的模塊。兩者通過digilent公司的PMOD接口連接。母板可以通過板子周邊的PMOD接口連接DA子板，將調(diào)制好的信號轉(zhuǎn)為模擬信號，由子板接口輸出，通過示波器進行觀測。
結(jié)論
采用虛實結(jié)合的實驗方式可以結(jié)合虛擬實驗和實際硬件實驗的優(yōu)勢，虛擬實驗的方式實驗形式靈活，虛擬模塊和設(shè)備齊全，實驗成本低，效率高，便于學(xué)生理解通信系統(tǒng)的基本原理。而實際硬件上的實驗?zāi)茏寣W(xué)生切實地感受真實的電路、元件、測量儀器，真正地提高學(xué)生的實際動手能力。因此，讓學(xué)生首先在虛擬環(huán)境中自己動手搭建系統(tǒng)，掌握了基本的原理之后，在通過system generator提供的工具直接生成可下載文件在硬件電路中運行，在真實的電路板上調(diào)試，使用真實的儀器進行觀測，給予學(xué)生直觀的認識。通過這樣既加強了學(xué)生對基本原理的理解，有培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力，使之成為既具有扎實的理論基礎(chǔ)，又有很強動手能力的創(chuàng)新型人才。
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