Python在通信原理实验教学中的应用探索

栏目分类

飞天165极速赛车介绍

发布日期：2024-12-21 03:11 点击次数：121

0 引言

信息技术的不断发展促使虚拟仿真技术在高校实验课程中的应用更加广泛[1]，特别是在疫情期间，传统的实验设备无法满足线上教学的需求，积极开展线上线下相结合的现代化信息化实验教学模式，有助于促进实验教学内容和质量的提升。

通信原理实验是学生了解通信系统的重要环节[2]。虚拟仿真实验教学可以弥补实验设备和实验环境的不足，目前常用的虚拟仿真软件主要是 Matlab/Simulink 或者是 SystemView[3]，但是这些虚拟仿真软件的实验一般不能直接应用到实际工程中，对于学生离开学校步入社会的作用不大。Python 作为近年来发展迅速的程序语言，使用率呈现明显上升趋势，并且常用于独立的项目开发中，其编程语法简单易学，代码清晰易读，入门门槛低。作为新时代包含智能信息处理能力的通信技术开发的必要工具，在通信原理的实验教学中应用Python仿真软件[4] ，是进行智能通信系统开发的基础。在本科教学实验阶段，对二者进行探索式教学，有助于学生更好地了解通信系统，进一步培养学生的编程实际应用能力。

1 Python仿真软件对通信原理实验的支持

Python 是一门广泛应用于科学计算与工程领域的程序语言，拥有强大的生态系统和开源社区的支持[5]，能为通信原理实验的开发和研究提供很多资源和解决方案。通信原理实验通常需要进行信号的生成、调制、解调、信道传输、误码率测试等操作，Python 提供了丰富的库和工具，可以更方便地实现这些操作。

例如 NumPy 库提供了高性能的数组和矩阵运算功能，适用于信号处理、调制解调、滤波器设计等通信原理实验；SciPy 是基于NumPy 的科学计算库，提供了许多数值计算和优化算法，包括FFT（快速傅里叶变换）、信号滤波、均衡器设计等与通信相关的功能；Matplotlib 是一个强大的绘图库，可以用于绘制各种通信信号和系统的波形图、频谱图等，支持丰富的绘图选项和交互功能；SimPy 是一个用于离散事件仿真的 Python 库，适用于建模和模拟通信系统的时序行为、交互协议以及网络传输等；CommPy 是一个专门为通信系统设计的 Python 库，提供了许多通信原理的基本函数和算法，如调制解调、信道编码、信道估计等；PySimulator 是一个通用的 Python 仿真框架，可以用于各种领域的系统建模和仿真，包括通信原理实验。

总之，在通信原理实验中，Python 可以通过调用第三方库从而提供丰富的功能和工具，Python 简洁的语法、丰富的库和工具可以使实验的编写和分析变得更加便捷和高效。

2 基于Python的实验设计原则

Python 仿真软件为实验设计提供了应用平台，将 Python 与课程内容相融进行实验设计的过程中，要让学生明确实验的目标和预期的结果，实验示例既要简单明了地帮助学生理解基本原理，也要覆盖重要的概念和技术，因此实验设计上要实现模块化和可重用性，便于学生进行组合和扩展。利用 Python 的图形化界面或可视化工具来展示实验结果和过程，使用图表、绘图、动画等方式直观地呈现通信信号、频谱、波形等，增加学生对实验的理解和兴趣，同时可以跟硬件实验箱的数据进行对比分析，促使理论与实践的结合。

实验过程要循序渐进，对于示例代码要提供详细的文档，包括实验的背景知识、实验步骤、运行要求，以及错误处理和异常情况的考虑，帮助学生更好地理解和完成实验。同时，要考虑实验的可扩展性和灵活性[6-7]，为学生提供拓展性实验所需的库函数，方便学生调整和拓展实验功能，以加深学生对知识点实际应用的理解。

这些原则为实验设计提供了指导，不仅能激发学生的学习兴趣，还能提高实际应用技能，并确保实验教学既有基础性的深度，又有拓展性的广度。在通信原理中，调制和解调是学生必须掌握的关键知识点，通过 Python 进行实验设计，学生可以深入理解信号调制和解调的过程，并验证信号在信道中可靠传输的原理，不同调制方式的应用场景和信道特性也能清晰呈现，为通信原理教学注入新活力。

3 基于Python的通信原理实验设计

3.1 基础性实验设计

1）模拟信号的调制和解调。

在传统的通信系统（如模拟电视广播、模拟调频广播等）中，模拟信号仍然扮演着重要角色，由于模拟信号调制解调技术的低延迟性，常应用于对实时性要求较高的系统中。在实验举例环节，以 AM 调制方式为例，帮助学生循序渐进地完成实验内容。

AM 调制解调示意图如图 1 所示。首先，依据 AM 调制方式的原理设计一个调制函数和一个解调函数，再利用 Numpy 中linspace 函数生成一个待调制的消息信号，设置消息信号的频率、幅度和持续时间。其次，通过调用调制函数，将消息信号进行调制，得到调制后的信号。再次，调用解调函数，对调制后的信号进行解调，得到解调后的信号。最后，使用 Matplotlib 库绘制出消息信号、调制信号和解调信号的波形图。

这只是一个简单的调制解调模拟示例，学生可以根据实验要求进行修改和扩展。通过这样的模拟实验，可以更好地帮助学生理解调制解调原理，并观察模拟信号在调制和解调过程中的变化。

2）数字信号的调制和解调。

随着现代通信技术的不断发展和成熟，数字信号在各种通信场景的应用越来越广泛，数字信号调制解调技术可以提供高速、高容量、低误码率的传输能力，对噪声和干扰的抗干扰能力更强（模拟信号在传输过程中对带宽需求较大，更容易受到噪声和干扰的影响，在实际电路设计中具有难以调整的特点），可以根据不同的需求选择调制方案，如 PSK、QAM、OFDM 等，以适应不同的频带利用率、传输距离和宽带要求。

数字信号的调制解调和模拟信号的调制解调有一定的相似性，在数字信号的调制解调过程中需要将调制信号转换成模拟信号进行传输，并在解调端将接收到的模拟信号转换成数字信号。在数字信号的实验举例环节，以 2PSK 调制解调方式为例，为学生搭建基础的实验框架。

2PSK 调制解调示意图如图 2 所示。首先，利用 Numpy 中random.randint 函数生成一组一维随机数组，设置消息信号的频率、幅度和持续时间。按照 2PSK 的时域表达式 e2PSK(t) = Acos(wct+φn)，将数字信息转换为二进制码流，进而对正弦波的相位进行调制：当二进制信号为 0 时，正弦波的相位不变；当二进制信号为 1 时，正弦波的相位发生 180 度的反转，之后再通过信道对信号进行传输。在信道传输过程中，给调制后的信号添加噪声，以模拟信号在信道传输过程中受到的干扰。在解调端，通过滤波器对调制信号的高频噪声进行滤波，采用相干解调方式对调制信号进行解调，再对接收到的解调信号利用抽样判决器与本地正弦信号相比，得到二进制信号，从而将二进制信号转换为数字信息。本实验中的噪声采用高斯白噪声模拟信道产生的噪声，滤波器采用带通滤波器滤除带外噪声、低通滤波器滤除高频成分，保留基带信号。

学生实验环节的关键是激发学生的主动性和实践能力，在此样例的基础上，要求学生修改噪声和滤波器方式以获得更好的信号仿真效果，促使他们积极参与实验、掌握信号处理的基本原理，并应用这些知识解决实际问题，学生将学会权衡滤波器的带宽和阶数，以获得最佳的信号——噪声比，这对于真实世界的通信系统设计至关重要。同时，可以扩展实验内容，要求学生实现 2FSK（二进制频移键控）、2DPSK（二进制差分相移键控）和 QDPSK（四相位差分相移键控）等常见数字调制方案，有助于学生理解不同调制方案的特点、性能和应用领域，以及如何选择适当的调制方式满足通信需求。

对比分析是实验教学的关键环节之一。学生可以将在Python仿真软件中获得的仿真结果与实验箱实际输出结果进行对比，这种对比分析将帮助他们验证理论理解是否与实际现象一致，从而加深他们对通信原理的理解。同时，也培养了学生的观察力和数据分析能力。这样的实验设计培养了学生的问题解决能力、创新思维，对于未来的工程、科学研究和创新至关重要。

3.2 拓展性实验设计

在拓展性实验设计环节，利用 Python 的科学计算库和数据可视化库，引导学生设计和实现自己的实验。结合课本中的案例和一些实际问题，教师指导学生使用 Python 进行实验设计和数据分析，并引导学生设计实验验证某些假设或判断，不仅仅拘泥于课堂上的实验教学，鼓励学生进行拓展性实验。例如，使用软件定义无线电平台搭建一个简单的调制解调系统，进行音频或图像传输；设计和实现简单的 OFDM 通信链路，进行速率、距离和频谱利用率等方面的性能分析；设计简单的软件无线电接收机，对实际无线信号进行解调和分析；引导学生探索带宽压缩和信号处理在通信系统中的应用等。除此之外，实验设计可以添加复杂性，与其他学科进行融合。例如，结合计算机网络和软件开发知识，进行网络通信协议和通信系统实验；设计实验开展远程医疗通信系统的可行性研究；设计简单的射频发射接收电路；结合光学和电磁学等物理知识，探索光通信系统的原理和性能等，也可以通过与硬件平台相结合，实现无线通信、射频信号处理和数据采集等功能。通过跨学科的实验设计，学生可以探索多样化的问题，培养综合素质和创新能力，从而培养学生在不同领域中的实践能力和解决问题的能力，还可以加深对通信原理的理解，探索通信原理在其他学科中的应用与发展。

4 基于Python的通信原理实验教学方法

通信原理的实验项目是围绕指定的实验原理及其应用而开展，前提是需要帮助学生建立必要的基础知识框架，并在此基础上给出示例演示和代码解读，展示通信原理实验的具体操作过程。此外，为学生提供一系列的实践操作和编程练习，使他们能够亲自动手编写代码、运行实验，观察、分析实验结果，并在每个实验环节设置合适的问题，组织小组讨论或班级讨论，学生之间交流经验、共同探讨问题，引导学生思考和探索。

在完成基础实验后，鼓励学生进行更深入的探索和应用，引导学生尝试不同的调制方式、信道特性、编码技术等，并让他们分析和比较不同方案的优缺点。同时，提出一些开放性问题，引入一些真实世界的通信案例，如无线通信、数字电视等，帮助学生将所学知识应用到实际场景中，激发学生的创新思维和研究兴趣。此外，还可以组织小规模的项目实践，让学生在团队中合作完成一项具体的通信系统设计或解决一个具体问题。

基于 Python 的通信原理实验教学方法应注重理论与实践的结合，鼓励学生动手编程、实际操作，并通过案例分析、项目实践等方式提供真实场景的应用。帮助学生全面了解通信原理的概念和实践，培养他们的编程能力和创新思维，也可借助图表、动画等多媒体教学资源，提高教学效果。

5 结语

Python 仿真软件在通信原理实验中的应用，可以提供给学生更加灵活和实践性的学习体验，可以更好地帮助学生学习和掌握调制解调原理、信道特性、编码技术等知识，深入了解通信原理的核心概念和技术，将其应用于实际场景中，并通过设计实验、调整参数、观察结果，从中获得实际见解。在实际教学中，采用 Python仿真软件使学生能够更深入地理解课程内容。实践效果表明，学生通过设计和执行自己的实验，不仅加深了对通信原理关键概念的理解，而且在解决实际问题能力和培养创新性思维方面获得了显著的提升。这种亲身经历的学习方法有助于将理论知识与实际应用相结合，培养学生更全面的技能。数字化学习环境激发了学生对问题的深度思考，并促使他们主动寻找解决方案。这种创造性思维在科学和工程的其他领域中都是至关重要的，为学生未来的学术研究和职业发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 屈代明, 徐争光, 李玮. 虚拟仿真与在线实境技术在通信原理实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2020, 37(12): 205-209.

[2] 傅志中, 李晓峰, 曹永盛, 等. 通信原理实验教学改革与探索[J]. 实验室研究与探索, 2020, 39(5): 156-159.

[3] 孙云山, 李艳琴, 朱明涛. MATLAB虚拟仿真在“通信原理”线上教学中的应用研究[J]. 办公自动化, 2023, 28(9): 30-32.

[4] 王一楠, 韦峻峰. 基于Python的在线通信原理仿真实验平台[J]. 中国新通信, 2022, 24(6): 15-17.

[5] 路龙宾, 王小银, 金小敏, 等. 工程思维引导的Python语言程序设计教学模式探索[J]. 计算机教育, 2022(3): 43-48.

[6] 李红岩, 杨静. 面向新工科的通信原理研究型实验探索[J]. 中国现代教育装备, 2021(17): 96-98.

[7] 毛文杰, 朱其刚, 杨金梁, 等. 关于通信原理实验教学中培养学生创新能力的研究与实践[J]. 教育信息化论坛, 2020(5): 49-50.

基金项目：2021年度河南省一流本科专业建设点立项“通信工程”（教高[2022]332号）；2020年度河南省高等学校优秀基层教学组织建设项目“中原工学院通信工程系”（教高[2020]393号）；2021年度河南省第二批一流本科课程项目“通信原理”（教高[2021]174号）；2019年河南省高等学校“通信原理”精品在线开放课程项目（教高[2019]671号）；2020年度校级一流本科专业建设点立项“通信工程”（中工教 [2020]18号）；中原工学院教学改革研究与实践项目“新工科背景下通信工程专业创新人才的研究性教学改革与实践”“新工科背景下以专业认证为导向的信号与系统课程建设探索与实践”“‘金课’建设背景下通信原理课程思政建设的研究和探索”（2024ZGJGLX024， 2024ZGJGLX033，2021ZGJGLX020）。

第一作者简介：蔡文静，女，实验师，研究方向为通信与信息处理，yuyicwj@163.com。

引用格式：蔡文静,杨蕾,宋晓炜.Python在通信原理实验教学中的应用探索[J].计算机教育,2024(10):275-278，282.

文章头图由“智谱清言”绘制而成。

（完）

飞天165极速赛车！

栏目分类