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虛實(shí)結合的通信原理實(shí)驗教學(xué)方法研究論文
本文介紹了一種虛實(shí)結合的通信原理實(shí)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(shí)際的硬件電路上進(jìn)行實(shí)驗，為通信原理的實(shí)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(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程，由于課程內容理論要求高，知識背景廣，同時(shí)又具有很強的工程背景，需要大量的實(shí)驗環(huán)節對其知識體系進(jìn)行補充。良好的實(shí)驗設置不僅僅需要幫助學(xué)生鞏固課堂上的理論知識，培養學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)還需要引入工程的思想引導學(xué)生解決實(shí)際通信電路的設計、分析、調試等種種問(wèn)題。
本文提出了一種新的實(shí)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(kāi)發(fā)好的模塊，組成通信模型，進(jìn)行仿真并可以使用虛擬器進(jìn)行觀(guān)測。同時(shí)，可以生成HDL文件，編譯后下載到FPGA中執行，運行在實(shí)際的硬件電路上。
2.虛擬實(shí)驗仿真
實(shí)驗的第一步是在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行，其設計是在simulink的環(huán)境下完成的，實(shí)現的方式完全和在simulink中一樣，通過(guò)拖拽模塊和連線(xiàn)，就能完成系統的搭建。學(xué)生可以自己構建多種通信系統，完成系統的設計和調試工作，通過(guò)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(gè)基本的QPSK調制系統，調用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模塊，整個(gè)設計過(guò)程和通用的虛擬環(huán)境基本一致，通過(guò)simulink中提供的示波器，頻譜儀等模塊，可以觀(guān)測到整個(gè)調制的過(guò)程。
可以看出使用system generator工具所搭建的通信系統完全可以基于虛擬環(huán)境使用，豐富的虛擬設備可以讓學(xué)生清晰而直觀(guān)地觀(guān)察信號，不受硬件設備的限制，不需擔心設備損壞的問(wèn)題，降低學(xué)生對實(shí)驗的畏難情緒，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情。
3.硬件平臺設計
在學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手完成虛擬系統的搭建，掌握了基本系統原理，觀(guān)測了相關(guān)信號的波形，調試成功后，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。硬件平臺的設計需要考慮以下幾個(gè)因素：(1)必須要滿(mǎn)足通信原理課程的要求，鞏固學(xué)生的理論知識。(2)能夠進(jìn)行綜合性及設計性實(shí)驗，滿(mǎn)足二次開(kāi)發(fā)的要求。(3)便于故障排除和維護，減輕日常實(shí)驗室工作強度。
基于以上的考慮，系統的硬件采用了模塊化的設計方法，使用了母板+子板的設計方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA，子板設計了AD、DA、音頻、放大器等常用的模塊。兩者通過(guò)digilent公司的PMOD接口連接。母板可以通過(guò)板子周邊的PMOD接口連接DA子板，將調制好的信號轉為模擬信號，由子板接口輸出，通過(guò)示波器進(jìn)行觀(guān)測。
結論
采用虛實(shí)結合的實(shí)驗方式可以結合虛擬實(shí)驗和實(shí)際硬件實(shí)驗的優(yōu)勢，虛擬實(shí)驗的方式實(shí)驗形式靈活，虛擬模塊和設備齊全，實(shí)驗成本低，效率高，便于學(xué)生理解通信系統的基本原理。而實(shí)際硬件上的實(shí)驗能讓學(xué)生切實(shí)地感受真實(shí)的電路、元件、測量?jì)x器，真正地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。因此，讓學(xué)生首先在虛擬環(huán)境中自己動(dòng)手搭建系統，掌握了基本的原理之后，在通過(guò)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(shí)的電路板上調試，使用真實(shí)的儀器進(jìn)行觀(guān)測，給予學(xué)生直觀(guān)的認識。通過(guò)這樣既加強了學(xué)生對基本原理的理解，有培養了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使之成為既具有扎實(shí)的理論基礎，又有很強動(dòng)手能力的創(chuàng )新型人才。
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