数字化仿真技术概念篇1

建设工程施工是一个高度动态的过程，施工不仅复杂而且施工时期较长，如何应用先进的技术手段进行安全而有序的管理，使施工体系达到现代化水平的目标已成为施工管理人员的共识。随着数字技术的飞速发展和互联网的日益普及，以互联网技术为基础，借助于系统仿真技术以及数字化的概念，实现工程项目的透明化、传播化和智能化施工管理，已成为工程项目施工管理的一个重要研究课题与发展方向。

一、数字化施工的概念以及核心思想

数字化施工是在“数字地球”这一大课题背景下提出的。美国于 1998 年率先提出了“数字地球”（Digital Earth）的概念，数字地球的概念不是一成不变的，而是随着社会的发展而不断进步的。 “数字化施工”就是将施工过程数字化，其核心思想是用数字化手段的整体性去解决工程施工问题并最大限度地利用信息资源，使得在施工质量得到保障的同时可以达到高效的施工。它不仅仅指由计算机代替传统的手工制作报表，而且应用在多项事件及职能上，可以对施工进行全面性的控制。

空间信息是数字化施工管理的必须品，它包括施工场地的地形地貌的现场勘测与记录、建筑物的区位信息以及施工项目的安排等一切空间的信息，是对特定空间内的全面操控。空间信息技术是全面而宏观的空间处理技术，它主要包括遥感技术、地理信息系统和全球定位系统，即 3S认证技术。其中，地理信息系统在建设工程施工中具有重要作用，地理信息系统是一门新兴学科，它介于地球信息与信息科学之间，以存储，采集，分析，管理，描述和应用相关资源为导向的数据系统。地理信息技术可以对施工区域持续的进行监控与管理，可以随时发现施工的问题以及运算相关的施工数据。

二、数字化系统的仿真运算

系统仿真技术是随着计算机技术的发展逐步形成的一门新兴技术，它以相似性原理、系统工程方法、信息技术及应用领域相关专业技术为基础，以计算机等设备为工具，利用系统模型对真实的、或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合技术。例如在我国体育场（馆）建设中，就是通过前期不断的仿真运算来推测体育场（馆）建成之后的型貌，并在施工过程中随时通过仿真运算的结果显示来更改施工措施及方案，使得工程进度与仿真情况形成了对比，更有利于施工单位明确自己的施工体系，从而完善施工过程。随着仿真技术的发展，现代仿真技术已经成为工程单位的常规科技手段。仿真技术可以通过架设的方式让施工单位看到施工完成后的大概情况，然后根据施工完成的情况优劣而决定施工中的方案调整，简单的说就是一种反推理的过程，为复杂的工程以及运算提供了不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。

三、虚拟现实

所谓虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR），就是采用以计算机技术为核心的现代高新科技生成逼真的模拟环境，该环境中包含了视觉、听觉、触觉与嗅觉为一体的特定环境，通过多种传感设备（如头盔显示器、立体眼镜、数据手套、数据衣等）使用户以自然的方式与模拟环境中的物体进行相互交融，从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实有重要的 3 I特性：

（1）Immersion（沉浸度）。VR 系统不再像传统的计算机接口技术一样，它强调用户与计算机的自然接触，就像现实中人与人之间的交流或者人与自然的融汇一样。

（2）Interaction（交互性）。VR 系统区别于传统三维动画的特征是用户不再被动地接受计算机所给予的信息，或者是旁观者，而是主动的参与到三维动画之中，能够使用交互输入设备来操纵虚拟物体，以改变虚拟世界的。

（3）Imagination（想象性）。用户利用 VR 系统可以从定性和定量综合集成的环境中获得感性和理性的认识，从而更深刻的认识环境、相应区位的情况及变化，从而深化概念和萌发新意。

四、智能施工

智能体（Agent）是一种完全创新的非人工技术，是指为了实现自己的设计目标或任务而独立自主的运行，能适应自身所处的环境，并能不断地从环境中获取知识以提高自身能力的具有学习和推理功能的智能实体。多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力和推理能力并完全不需要人工操作。目前多智能体的建模软件主要有 JAVA、Visual C++、VisualBasic、SQL Server、Delphi、PowerBuilder 中的 CLIPS 等。随着国民经济的发展和新技术、新材料、新工艺的不断出现，工程项目规模不断扩大、形式日益复杂，工程建设过程涉及的单位和个人也越来越多，因而对建设工程管理的统筹性、协调性、时效性提出的要求就越来越高。对于这样一个复杂的系统，应用多智能体技术来保证工程建设任务的顺利进行是非常合适的。

五、结语

将来随着数字化施工的普及，我国的场地施工质量和效率必将有显著性的提高，而通过更合理的改造及加工，我们的信息模块也可以在短时期内发展到较为完整的水平。只是我国如今的施工项目对于数字化施工的利用率还不高，有些施工项目的施工成本较低和对数字化施工的优势利用认识不清导致数字化施工无用武之地。这就需要我们的管理者首先要明确数字化对施工效率的促进作用及在施工管理过程中的优势，加大对数字化人员的培训力度，使数字化技术在缩短工程周期、强化工程质量和节省资源方面发挥更大的作用，以促进数字化技术在施工过程中的利用率达到更高的水平。

参考文献：

数字化仿真技术概念篇2

2将EWB引入《数字电子技术》教学的实例

2.1抽象概念讲解

在教学过程中，常常会碰到一些很难用语言文字讲清楚的抽象概念。对于这类内容进行课堂仿真，将抽象的概念转化为形象生动的图形界面，加深学生对概念的理解，提高教学质量。

以组合电路中的竞争冒险概念讲解为例。教师首先给出竞争冒险的定义，再通过搭建如图1所示的电路进行仿真演示，当学生观察到如图2所示的尖峰脉冲波形时则会对“冒险”有了感性的认识。此时，教师再根据图1分析冒险的产生原因，即“竞争”，学生不仅不会觉得晦涩难懂反而会有种茅塞顿开的感觉。紧接着，教师提问有何办法能够消除冒险现象，学生一定会绞尽脑汁去思考，这就使得学生的学习积极性和主动性大大提高了。

2.2器件功能表讲解。学习数字电子技术的主要目的之一是掌握常用组合逻辑和时序逻辑模块电路功能和使用方法[4]。在介绍器件功能时引入EWB仿真技术，不仅能将器件功能动态呈现而且还能演示实现这一功能时器件的正确接线方式。

以74LS138译码器功能介绍为例。搭建如图3所示的电路。首先，芯片正常工作要接电源和地，16号管脚VCC接+5V电压9号管脚GND接地。其次芯片要实现译码功能G1要为高电平1而等于1，故6号管脚接电源而4号和5号管脚接地。1、2、3号管脚为信号输入端，使用三个可在电源VCC和地之间自由切换的单刀双掷开关A、B、C来实现，为了直观显示译码结果分别在Y0-Y7管脚接信号灯。搭完电路后进行仿真演示，如图A、B、C的输入为010，13号管脚Y2输出低电平0而其他输出信号均为高电平。类似的，可以验证以其他组合信号输入，最后教师根据演示结果总结74LS138的功能，以及实现译码电路的正确接线。

2.3实验教学

在实验教学中引入EWB仿真，可供选择的器件设备丰富多样，学生可以自行设计实验方案。再则引入EWB仿真，实验操作相对变的简单，初学者可预先模拟整个操作步骤，提高实际操作水平。

数字化仿真技术概念篇3

（2）需要较好的逻辑思维能力。通信理论较为抽象，学生很难把简单的建模框图与实际通信系统中的设备联系起来。

（3）需要良好的综合分析能力。“现代通信技术”课程中知识体系结构复杂，综合性强，学生不容易抓住重点、难点，难以理清头绪。

比如“数字基带传输系统”与“数字频带传输系统”和“数字信号复用系统”的知识点都有着紧密联系。但是，高职高专学生数学基础普遍较弱，自学能力不强，课程知识在短时间内难以理解和消化，学生在学习过程中有着较大的难度。所以，根据“现代通信技术”课程的分析以及高职高专学生特点，在授课过程中对课程教学内容的取舍、教学方法的设计以及实验内容的选择与设计都作出了相应的调整，同时增加了仿真技术。

1“现代通信技术”理论教学教育改革

（1）教学内容的选择

“现代通信技术”课程主要介绍的是通信系统的组成、工作原理、实现过程和分析方法，但是模拟通信系统中的调幅、调频和调相的调制和解调技术在“高频电子线路”课程中已讲过，因此“现代通信技术”课程在教学内容上以数字通信原理为主，同时还要兼顾现有的先进的数字通信系统，如移动3G系统、移动4G系统等。

（2）教学方法的设计

“现代通信技术”的传统教学方法都是逐一介绍通信系统中各个关键技术的数学模型和原理，由于理论抽象、知识点零散，使学生学习起来很难有系统的概念，更不易将简单的系统框图与实际通信系统联系起来。所以在教学方法上采用了“以线带点”的改革思路对教学内容进行设计，即以数字通信系统的模型图作为学习的总线路图，图中方框为“点”，有向线段为“线”，如图1所示。在授课时始终以通信系统的模型图为基础，以图中的节点涉及的典型技术理论分析为重点，以信号的传输流程为主线，以线带点，使学生掌握通信系统的综合分析方法。首先，讲解通信技术的实现过程不应求全求深，而是帮助学生建立数字通信技术的知识体系从而激发学生的学习兴趣，再系统阐述数字通信技术中信源编码模块、信道编码模块、传输模块（基带传输与频带传输）和同步模块等核心技术节点的说明以及每个节点在教材中的章节分配。其次，根据信号线的传输方向，对每个节点进行功能分析，例如，在调制器和解调器节点中应重点讲解数字调制技术2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的调制、解调、带宽分析、波形分析和抗噪声分析等内容，避免复杂的数学推导，要求学生掌握该节点基本理论、关键性能和指标以及分析方法。最后，教师应重点说明各节点存在的必要性以及前后节点之间的逻辑关系，让学生建立数字通信系统的整体概念，同时将简单的系统框图与实际通信系统联系数字通信系统模型图起来。

（3）引入SystemView仿真软件

SystemView仿真软件是用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真软件。“现代通信技术”的知识体系概念抽象，很多知识点单纯用口述很难直观的表达清楚，因此采用SystemView计算机仿真技术来进行系统分析和设计能够帮助学生更好理解知识点。在授课时将一些抽象难懂的知识点的仿真结果利用多媒体投影出来，使课堂教学更加形象化，让学生对知识点的理解更加清楚。比如在讲解AM调幅输出波形在改变调制指数的仿真波形时，如图2所示，教师通过调节参数来改变调制指数，学生能够很直观的观察到调制指数的改变对输出波形的影响。

2“现代通信技术”实验教学教育改革

目前实验教学中大多是对已知原理进行验证的实验，学生按照实验指导书上的实验步骤在实验箱上测试已预留好的测试点的数据、波形，然后根据实验结果写出实验报告。这种实验过程学生根本不考虑实验的基本原理和出现错误结果的原因，学生往往是动手多、动脑少，甚至在没弄懂电路原理的情况下进行测试并写出实验报告，因此有必要对实验教学内容和方法进行改革。首先，对实验指导书进行修改，其中弱化复杂的计算，只需将各个模块的功能详细说明，引导学生能自主地对所做的实验内容的原理进行分析，并抽象出系统的框图，再利用模块连接实现功能。其次，在实验中要求学生自行给定输入数据，比如HDB3的编译码，学生则自己随机给出编码的码型，并通过实验来验证输出的码型和自己在课堂所学的编码规律是否一致。同时，当学生实验过程出现问题时，教师应引导他们分析问题的原因并按照“从后往前”的方式查找故障点，而不是简单地给出问题的解决方法，通过这种方法实质的提高学生分析问题和解决问题的能力。最后，将软件仿真引入到实验教学当中并与硬件实验相结合。在做硬件实验之前要求学生应做好SystemView的仿真，然后将仿真结果在硬件实验实现，这种软件仿真和实验验证同步进行的方式使学生的实验兴趣和动手能力明显提高，让学生更加深入理解通信系统的工作原理，同时对理论学习也起到了辅助的作用。

数字化仿真技术概念篇4

中图分类号：S220文献标识码： A

1引言

围绕激烈的市场竞争，制造企业已经意识到他们正面临着巨大的时间、成本、质量、产品差异化等压力。如何快速适应市场的变化，实现从“以产定销”到“按订单生产”模式转变？数字化工厂提供了较为理想的解决方案。

2 数字化工厂概述

数字化工厂是BIM(建筑信息模型)技术、现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，同时具有其鲜明的特征。

2.1数字化工厂

2.1.1数字化工厂的概念

数字化工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，根据虚拟制造原理，在虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、优化和重组的新的生产组织方式。它是在设计建造阶段，建立全面、详实的信息，包括材料、工艺、设备运行管理等全生命周期的信息档案数据库，利用BIM(建筑信息模型)技术指导建筑物、构筑物及设备的科学使用和维护，为信息化、标准化管理提供数据基础平台，加上CAD、EEP、MEP等应用管理系统，实现工厂控制系统内部数字化信息的有效传递，既链接了生产过程的各个环节，又与企业经营管理相互联系，进而把整个企业数字化的资金信息、物流信息、生产装置状态信息、生产效率信息、生产能力信息、市场信息、采购信息以及企业所必须的控制目标都实时、准确、全面、系统地提供给决策者和管理者，帮助企业决策者和管理者提高决策的实时性和准确性以及管理者的效率，从而实现管理和控制数字化、一体化的目标。

2.1.2数字化工厂的优势

数字化工厂利用其工厂布局、工艺规划和仿真优化等功能手段，改变了传统工业生产的理念，给现代化工业带来了新的技术革命，其优势作用较为明显。

预规划和灵活性生产：利用数字化工厂技术，整个企业在设计之初就可以对工厂布局、产品生产水平与能力等进行预规划，帮助企业进行评估与检验。同时，数字化工厂技术的应用使得工厂设计不再是各部门单一地流水作业，各部门成为一个紧密联系的有机整体，有助于工厂建设过程中的灵活协调与并行处理。此外，在工厂生产过程中能够最大程度地关联产业链上的各节点，增强生产、物流、管理过程中的灵活性和自动化水平。

缩短产品上市时间、提高产品竞争力：数字化工厂能够根据市场需求的变化，快速、方便地对新产品进行虚拟化仿真设计，加快了新产品设计成形的进度。同时，通过对新产品的生产工艺、生产过程进行模拟仿真与优化，保证了新产品生产过程的顺利性与产品质量的可靠性，加快了产品的上市时间，在企业间的竞争中占得先机。

节约资源、降低成本、提高资金效益：通过数字化工厂技术方便地进行产品的虚拟设计与验证，最大程度地降低了物理原型的生产与更改，从而有效地减少资源浪费、降低产品开发成本。同时，充分利用现有的数据资料（客户需求、生产原料、设备状况等）进行生产仿真与预测，对生产过程进行预先判断与决策，从而提高生产收益与资金使用效益。

提升产品质量水平：利用数字化工厂技术，能够对产品设计、产品原料、生产过程等进行严格把关与统筹安排，降低设计与生产制造之间的不确定性，从而提高产品数据的统一性，方便地进行质量规划，提升质量水平。

2.2数字化工厂的差异性

“数字化工厂”贯穿整个工艺设计、规划、验证、直至车间生产工艺整个制造过程，在实施过程需要注意系统集成方面的问题，“数字化工厂”不是一个独立的系统，规划时，需要与设计部门的CAD/PDM系统进行数据交换，并对设计产品进行可制造性验证（工艺评审），同时，所有规划还需要考虑工厂资源情况。所以，“数字化工厂”与设计系统CAD/PDM和企业资源管理系统ERP的集成是必须的。同时，“数字化工厂”还有必要把企业已有的规划“知识”（如工时卡、焊接规范等）集成起来，整个集成的底部是PLM构架。

同时，类似于PDM系统和ERP系统，每个企业都有自己的流程和规范，考虑到很多人都在一个环境中协同工作（工艺工程师、设计工程师、零件和工具制造者、外包商、供应商以及生产工程师等），随时会创建大量的数据，所以，“数字化工厂”规划系统也存在客户化定制的要求，如操作界面、流程规范、输出等，主要是便于使用和存取等。

3 数字化工厂的实现与应用

数字化工厂以突出的功能优点，在工业生产，尤其是制造业生产中具有广泛的应用，但其实现过程也涉及多种关键技术。

3.1数字化工厂的关键技术

数字化工厂涉及的关键技术主要有：数字化建模技术、虚拟现实技术、优化仿真技术、应用生产技术。

数字化建模技术：数字化工厂是建立在数字化模型基础上的虚拟仿真系统，输入数字化工厂的各种制造资源、工艺数据、CAD数据等要求建立离散化数学模型，才能在数字化工厂软件系统内进行各种数字仿真与分析。数字化模型的准确性关系到对实际系统真实反映的精度，对于后续的产品设计、工艺设计以及生产过程的模拟仿真具有较大的影响。因此，数字化建模技术作为数字化工厂的技术基础，其作用十分关键

虚拟现实技术：虚拟现实技术能够提供一种具有沉浸性、交互性和构想性的多维信息空间，方便实现人机交互，使用户能身临其境地感受开发的产品，具有很好地直观性，在数字化工厂中具有广泛的应用前景。虚拟技术的实现水平，很大程度上影响着数字化工厂系统的可操作性，同时也影响着用户对产品设计以及生产过程判断的正确性。

优化仿真技术：优化仿真技术是数字化工厂的价值所在，根据建立的数字化模型与仿真系统给出的仿真结果及其各种预测数据，分析虚拟生产过程中的可能存在的各种问题和潜在的优化方案等，进而优化生产过程、提高生产的可靠性与产品质量，最终提高企业的效益。由此可见，优化仿真技术水平对于能否最大限度地发挥企业效益、提升企业竞争力具有十分重要的作用，其优化技术的自动化、智能化水平尤为关键。

应用生产技术：数字化工厂通过建模仿真提供一整套较为完善的产品设计、工艺开发与生产流程，但是作为生产自动化的需要，数字化工厂系统要求能够提供各种可以直接应用于实际生产的设备控制程序以及各种是生产需要的工序、报表文件等。各种友好、优良的应用接口，能够加快数字化设计向实际生产应用的转化进程。

3.2常见数字化工厂软件

由于数字化工厂技术在工业生产过程中的优越性，各知名企业竞相开发各种数字化工厂软件，其中较为常见、应用最为广泛的数字化工厂软件主要有eM-Power和Demia等。

eM-Power是由美国的Tecnomatix技术公司开发的数字化工厂软件，它在工业生产中应用十分广泛。该软件架构是建立在Oracle数据库之上的三层结构，它为企业用户提供零件制造解决方案、装配规划、工厂及生产线设计和优化、产品质量和人员绩效等主要功能。这些主要的功能模块建立在统一的数据库eM_Server中，实现整个生产制造过程的信息共享。2007年以来，西门子公司在收购了UGS（UGS于2004年收购了Tecnomatix）的基础上，推出了功能更为强大的Teamcenter 8和Tecnomatix 9，提供工厂设计及优化、制造工艺管理、装配规划与验证、开发、仿真和调试自动的制造过程和质量管理等功能，在各大企业具有广泛应用。

Delmia是由法国的Dassault公司开发的数字化工厂解决方案，该解决方案是构建在Dassault公司的PLM结构的顶层，由其专用数据库（PPR-Hub）统一管理。Delmia的体系结构主要包括：面向制造过程设计的（DPE）、面向物流过程分析的（QUEST）、面向装配过程分析的（DPM）、面向人机分析的（Human）、面向虚拟现实仿真的（Envision）、面向机器人仿真的（Robotics）、面向虚拟数控加工方针的（VNC）、面向系统数据集成的（PPR Navigato）等。它主要由面向数字化工艺规划模块、数字化仿真平台工具集以及车间现场制造执行系统的集成模块等组成。

3.3数字化工厂的应用

数字化工厂是信息化技术发展过程中出现的一种新的企业组织形式，是促进企业现代化发展的新兴技术，目前主要应用在汽车制造、航空航天等大型制造企业。

3.3.1数字化工厂技术在汽车行业的应用。

目前，数字化工厂技术在国内外汽车制造业中得到了广泛应用。在国外，如通用汽车公司使用Tecnmatix eMPower的解决方案，大大缩短了通用公司从新产品设计、制造到投放市场的时间，同时提升了其产品质量。奥迪公司使用eM-Plant进行物流规划仿真，如A3 Sportback项目。通过物流规划仿真不仅使得整个生产物流供应链之间建立起了紧密有序的联系，同时也方便对物流方案进行先期评估和可行性分析。在国内，如一汽大众在车身主拼线工艺设计中采用数字化工厂技术，改善了车身焊接工艺，提高车身焊接质量。上海大众在发动机设计和产品总装领域采用数字化工厂技术，大幅提升了公司的制造技术和产品质量。目前，华晨金杯公司引进西门子的Tecnomatix软件，对产品的总装工艺进行数字化改造。

3.3.2数字化工厂技术在飞机制造业的应用。

在飞机制造业，数字化工厂技术的先进性也得到了充分体现。如美国的洛克希德马丁公司在F35研制过程中，采用数字化工厂技术缩短了2/3的研制周期，降低了50%的研制成本，开创了航空数字化制造的先河。有如波音787飞机在研制过程中采用基于Delmia的数字化工厂技术，实现其产品的虚拟样机。空客A380飞机采用虚拟装配方案，实现整机的三维虚拟装配仿真和验证。不仅国外飞机制造企业在其产品的研制、生产过程中使用数字化工厂技术，国内的飞机制造企业也是如此。如上海飞机制造厂利用数字化工厂技术在三维环境中进行人工装配操作的数字化模拟，提高了人工操作的标准化。而西安航空动力控制公司则采用Tecnomatix的数字化工厂软件对其异型件生产线进行仿真和优化，进行技术改造探索。

3.3.3数字化工厂在铸造行业的探索

共享铸钢团《数字化工厂示范工程》拟运用先进制造理念（如虚拟制造、智能制造、绿色制造、柔性制造等）和先进铸造技术、方法，结合共享集团在铸造行业内领先的制造、技术和管理经验，全面融合先进信息化技术，建设数字化模样生产线、数字化柔性造型生产线、智能化熔炼控制系统、智能体联合控制的铸件精整线、数字化在线检测等综合集成的数字化铸造工厂，在“多品种、小批量、快捷”铸造生产方面达到同行业领先水平，建成一座在铸造行业领先的“数字化、柔性化、绿色、高效”铸造工厂，集成并创造数字化铸造新模式。

4结束语

随着计算机技术、网络技术的飞速发展，数字化工厂技术不断与现代企业相结合，已成为提升企业竞争力的新动力。在当前企业发展的新形势下，数字化工厂技术出现了新的趋势。首先，现场总线技术在数字化工厂中的应用，提升数字化工厂的现场可操作性；其次，应用网络技术，拓展数字化工厂网络互联能力；最后，数字化工厂的智能化发展，实现虚拟仿真与企业真实生产的无缝链接，打造真正的智能数字化工厂。

作者简介

郭兆祥（1976-）男，硕士研究生，从事技术质量管理工作。

参考文献.

数字化仿真技术概念篇5

二十世纪后半期，随着集成电路和计算机的不断发展，电子技术面临着严峻的挑战。由于电子技术发展周期不断缩短，专用集成电路(ASIC)的设计面临着难度不断提高与设计周期不断缩短的矛盾。为了解决这个问题，要求我们必须采用新的设计方法和使用高层次的设计工具。在此情况下，EDA(Electronic Design Automation即电子设计自动化)技术应运而生。随着电子技术的发展及缩短电子系统设计周期的要求，EDA技术得到了迅猛发展。

一、EDA技术的定义及构成

所谓EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统。它是以计算机为工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)为设计载体，以专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、单片电子系统SOC(System On a Chip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程 [J]。在此过程中，设计者只需利用硬件描述语言HDL(Hardware Description language)，在EDA工具软件中完成对系统硬件功能的描述，EDA工具便会自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。

现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。EDA技术研究的范畴相当广泛，从ASIC开发与应用角度看，包含以下子模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块和布局布线子模块等。EDA主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用VHDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。

二、EDA技术的发展

EDA 技术的发展至今经历了三个阶段：电子线路的CAD是EDA发展的初级阶段，是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。它可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。

EDA技术中级阶段已具备了设计自动化的功能。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。

高级EDA阶段，又称为ESDA (电子系统设计自动化)系统。过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom-UP)的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念：自顶而下(TOP-Down)的设计程式和并行工程(Concurrent Engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述。可进行系统级的仿真和综合。

三、基于EDA技术的电子系统设计方法

1.电子系统电路级设计

首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析和瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析和可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。

可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。

2. 系统级设计

系统级设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。

系统级设计的步骤如下：

第一步：按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。

第二步：输入VHDL代码，这是系统级设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式(框图、状态图等)，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。

第三步：将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。

第四步：利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。

第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。

第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。

四、前景展望

21世纪将是EDA技术的高速发展时期，EDA 技术是现代电子设计技术的发展方向，并着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域随着集成电路技术的高速发展，数字系统正朝着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系统级芯片(SoC，System on Chip)方向发展，借助于硬件描述语言的国际标准VHDL和强大的EDA工具，可减少设计风险并缩短周期，随着VHDL语言使用范围的日益扩大，必将给硬件设计领域带来巨大的变革。

参考文献：

[1]谭会生，张昌凡.EDA技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

数字化仿真技术概念篇6

大多数高校的工科专业都开设有电子技术课程，该课程是一门理论性和实践性都非常强的课程，需要学生扎实掌握电路原理和分析方法，具备模拟和数字电路的分析设计能力。面对日新月异的新技术和新知识，转变教育思想和教育观念，用新的理念改革教学内容和教学方法，特别是在新工科背景下推进实践教学改革[1]，从而培养工程实用型人才，一项重要的举措就是增加实践教学环节的学时，锻炼学生的实践能力。但是，一方面，受到教学条件和课程设置的限制，无法保证学生能够随时进入实验室；另一方面，传统实验不够灵活，固化的实验项目限制了学生的创造性。因此，很多学校引入了虚拟仿真技术，如电力电子实验仿真平台[2]。还有学校将虚拟仿真技术与教学平台相结合，建立了虚拟仿真实验中心，如林业技术装备虚拟仿真实验中心[3]、电子信息技术虚拟仿真实验平台[4]。本文对如何充分利用信息化教学手段，结合虚拟电子仿真技术进行研究，以期达到提高学生实践能力的目标。

一、电子技术信息化教学概述

电子技术一般分为模拟部分和数字部分，其中模拟部分理论性较强，数字部分实践性较强。对于计算机专业的学生，理论教学多为52学时。很显然，如果学生想牢固掌握知识内容，仅靠课上教学是不够的，学生还需要课下预习、复习和动手实操。为了更好地指导学生进行课下的学习，笔者建设了电子技术网络课程，方便学生自学和复习。笔者针对教学中的重点和难点，录制微课，上传至网络平台，并与学生在线交流。架设实验教学管理服务器，方便学生提交实验报告和结果。在实验教学管理系统中提交的实验结果需要学生在课下完成，引入虚拟仿真技术，学生即可灵活地利用课余时间完成实验预习和实验练习任务。

二、Multisim仿真软件

Multisim是一款非常优秀的仿真软件，利用该软件能够进行板级的模拟和数字电路仿真。该软件比SPICE简单，容易上手，并且该软件功能强大，提供了主流电子器件商生产的超过17000种电子元件。最重要的是，在学生预习和复习阶段，引入Multisim仿真软件不仅能节省大量的电气元器件、实验器材，还为实验提供了安全保障[5]。

三、虚拟仿真技术在电子技术信息化实践教学中的具体应用

数字化仿真技术概念篇7

Abstract: This paper from the basic concept and the significance of the development of 3D simulation technology, 3D platform to establish Shaoguan surveying and Mapping Institute as an example, the auxiliary city planning decision using three-dimensional simulation technology, can be in the city of real-time interactive scene simulation evaluation and analysis plan, provide more intuitive and scientific basis for planning management. In the application of engineering to promote the 3D simulation technology, how to build a good standard, database and platform system and discusses in detail to have great influence on the overall operating structure, construction method of updating maintenance measures and other supporting mechanism. Finally, several typical cases to illustrate the practical application of 3D simulation technology application in city planning work.

中图分类号：U412.1+2 文献标识码：A 文章编号：

1.引言

近年来，三维及相关技术得到了讯速发展，过去无法突破的城市复杂性描述、海量信息管理等技术瓶颈相继被攻克，计算机硬件不断提高，以虚拟现实技术、三维展示技术为核心的内容的技术得到快速发展。

三维仿真技术在规划中的应用主要是通过对城市地形、建筑及其它人工设施进行三维地理建模，形成覆盖全市的数字城市立体场景，同时结合虚拟仿真等技术，实现城市的三维可视化管理，是提高城市规划编制技术水平，实现科学规划的有效手段，是推进“数字城市”、“和谐城市”建设，实现公共事务可视化管理的基础保障，可以促进经济社会的全面可持续发展。

2.基本概念和意义

城市三维仿真是城市空间信息在计算机环境中的三维直观表达，是数字城市概念城市规划、建设、管理领域的延伸，同时也是数字城市建设的重要基础内容。城市三维仿真技术在规划中的应用前景主要有以下几个方面：

⑴ 完善韶关市数字化规划控制体系，实现城市规划精细化管理

实现从总规-控规-修规的全面三维数字化控制目标，在以往基于控规的城市规划统一管理平台的基础上进一步细化、深化和优化规划管理工作，使韶关市城市规划管理进入精细化管理阶段。

⑵ 创新规划理念和技术方法，提高规划编制的科学水平

利用三维数字城市、GIS等信息化技术，为规划编制过程中的信息采集、指标分析、方案决策、成果展示等工作提高新方法，实现控规编制的技术方法信息化和过程管理信息化，体现规划编制“科学性”、“过程性”、“动态性”特点。

⑶ 实现城市规划可视化管理，迈入规划管理数字化时代

城市三维仿真技术将全面突破传统二维空间系统诸多限制，建成三维全景数字规划支持系统，为有关领导和管理部门对城市规划、建设、管理的重大问题决策，提供准确、实时的信息支撑及直观、真实的可视化和互动操作环境。

3.工作内容及应用

韶关城市规划三维辅助决策支持系统利用三维仿真技术建立城市三维虚拟环境，在城市规划、建设的各阶段进行城市现状及规划的三维模拟描述，为决策者提供直观、科学、准确的城市规划宏观决策支持，满足规划业务审批管理的应用、成果的展示及规划方案管理和评审的需要。

韶关城市规划三维辅助决策支持系统项目主要包含软件和三维数据建模两方面的工作。项目共投入280万，计划在三年内完成。2011年6月开始进行系统开发和三维建模，2013年5月份，系统主要体系结构开发完成，并完成韶关主建城区三维模型数据生产制作。

（1） 数据建设内容

数据建设主要包括数据标准制定和三维数据建模两部分。

制定数据标准和技术规范是实现系统互联互通、资源共享的重要基础工作，也是后期数据更新、管理、维护的依据。数据标准建设主要包括：三维数据采集与制作标准、三维数据更新规范。

三维数据建模是系统建设的基础，以及各种应用和分析的依据。初次项目建设覆盖范围为主城区50平方公里的基础模型建设工作（建筑物约有30平方公里）：其中包括约15平方公里的精细模型、10平方公里的标准模型、50平方公里的地形及市政配件模型。

（2）系统特色及基础功能

体现三维场景的美观和真实性；是一套安全、可靠、稳定，功能强大的系统。在应用于实际规划工作中，发挥辅助决策作用，系统的布局合理、操作简便。可进行场景浏览漫游、重点导航、路径导航、图层控制、场景输出等。三维数据应用广泛，可广泛应用于规划、市政、城管、公安、交通、旅游、房产等行业领域。

（3）城市规划辅助决策

提供直观的三维可视化环境；提供多种空间数据、规划专题数据的叠加分析功能；三维辅助设计、建筑信息查询。规划地块查询、用地红线查询、空间量测、地形分析、规划辅助分析。方案比对、日照分析、控高分析，视域分析、通视分析、指标分析，三维标注、图形绘制、路网绘制、规划元素库、三维模型库，管网查看、管网查询、管网统计、管网分析等。4.在城市规划中的应用实例

（1）规划方案对比分析

利用虚拟的三维场景，使城市的规划工作不在于仅仅建立在平面图上做规划，三维的场景模型使规划变得更简单直观。一般人都能参与到城市的规划中去。如某个小区的三旧改造工程，通过三维仿真模型，规划前后的场景就一目了然了，为设计者提供了思路。规划前后的场景如图1所示：

图1

（2）日照分析的功能

在城市建筑规划设计时，日照分析是必不可少的一个环节。通过对待规划建筑物的高度、形状进行模拟，应用TerraExplorer Pro 提供的接口，在系统中很容易就继续日照分析。如在城市的某个小区旁欲修建一座建筑物，建筑物对小区附近的楼房的日照影响分析情况如图2、3所示：

图2建筑物上午八点钟的日照情况

图3建筑物下午15点钟的日照情况

（3）地下管线信息的查询功能

在旧城区的改造中，决策者需了解地下管线的状况。可以直接三维系统中反应出来，如图4所示：

图4

（4）建筑信息的查询功能

将前期测绘的建筑物数据属性信息输入数据库中，使用户点击具体的建筑物时能够显示其详细的属性信息，在表达上更加直观。如图5所示：

图5

5.结语

三维仿真技术能够促进规划工作从“定性分析”到“定量分析”，从“平面规划”向立体规划“的转变，实现城市规划的精细化、科学化管理。三维仿真技术的应用，明显的提高规划审批的效率和方案设计的科学科学性，避免了传统规划评审采用大量设计文稿的方式，极大提高了设计单位、业主单位和管理单位的沟通效率，协调了与周围建筑群的空间、色彩、材料，有利于体现城市的特点，促进城市的可持续发展。

参考文献：

[1]彭一刚著，建筑空间组合论，北京；建筑工业出版社，2008.

数字化仿真技术概念篇8

电影历来都是伴随着科技的进步而发展起来的一门视听艺术。技术上的每一次重大进步都丰富了电影艺术的表现手段，甚至产生电影本体的变化。电影自1895年诞生以来已经经历过三次电影史上的技术革命：1927年，有声电影的诞生为电影引入了一个新的表现维度――声音，是视听艺术成为电影的本体美学；第二次技术革命发生在20世纪30年代，它为视听艺术又提供了一个真实维度――色彩，使视听艺术的呈现形态发生了巨大变化――“还原真实”；而数字特技在《星球大战》的初步使用，开启了数字化的“假设”功能，为电影呈现“非现实”的视觉再现，我们称之为第三次技术革命。“电影史上任何电影新技术的出现，最终都将融化于发展着的电影艺术之中，从而形成电影艺术创新浪浪相逐、持续前行的历程。”①在世界电影发展史上，任何一次电影技术的革新作用，都会成为一种内驱力，推动电影艺术产生某种观念与思维的变革。

1984年，好莱坞电影《魔鬼终结者》让全世界影迷为之震撼、疯狂，特技与数字技术成就了电影史上最著名的机器人形象――终结者。12年后，又是同一个导演，采用了数字虚拟技术，在一艘世纪沉船上创造了一个不朽的爱情神话――《铁达尼号》，完成了冰山、水浪和船体扭曲等多层画面合成的具有高度真实场景的视觉画面。又是12年磨一剑，这个世界上最能挣钱的导演――詹姆斯•卡梅隆，带着电影史上“前无古人，十年无来者”的里程碑作品《阿凡达》成为全球电影界最耀眼的一颗明星。詹姆斯•卡梅隆带领全世界最顶尖的科技团队改进和发明了虚拟摄像技术、表情抓取和联合数字立体摄影机等，在电影史上开创了一个划时代的数字化电影美学。

当今，数字影像技术的广泛应用已成为新时代电影业最鲜明的特点，不但改变了传统电影的制作方式、承载方式、传播方式，还带来了影像艺术观念上的伟大变革。这是一场从电影外在样式到电影创作观念全方位的革命,“在未来的艺术史中，它对由技术革命而带来影像艺术观念革命，将成为另一个文艺复兴――数字化的文艺复兴。”②这场革命将会影响到未来的电影创作定位问题。

闪回：3D银幕犹如中国仙境般的世外桃源――潘多拉星球，在CG特效的支持下达到以假乱真不露任何痕迹的完美视觉效果，一个全新的、从未想象过的梦幻世界更是在身临其境中让人忘记是现实还是电影的虚拟。这就是划时代的电影美学特征，从内到外都渗透出天马行空的想象力，让观众真正体验“事件”发生在未来世界――关于未来“世界观”的完美体现。电影里出现的克隆技术、科技武器以及人类对外星的探索，让本片具备了真正意义的科技成果和人文关怀的时代背景。其一即体现了人类对科技技术的完美再现和未来追求；其二令观众穿透内心情感的外星世界那种天然和谐的非虚拟生活，几乎是对中国世外桃源的移花接木和膜拜之情、返璞归真的世界，也为电影披上了一层神话的色彩。在《阿凡达》中，卡梅隆亲手打造了潘多拉奇幻世界，以超想象的体验方式为观众塑造了未来世界两种截然不同的世界观和人类所追求的“自然精神”，这在电影史上绝无仅有。

《阿凡达》的问世使我们过去关于电影本体的传统美学受到了强烈的质疑，或者说数字化技术主动地催生了新的电影美学方向。从《阿凡达》电影美学上深入分析，当前数字化电影制作技术介入电影，使电影人抛弃原有的“先有电影故事，后有实现电影”的传统概念，而是“先让科技介入电影创作，再有电影故事”③的理念。我们电影人不妨把划时代的数字化电影概括为两种不同性质的美学形态：数字化技术的现实仿真与数字化技术的虚拟非现实。

数字化技术的现实仿真，顾名思义，利用数字技术来仿制现实能发生的真实性。这是当前数字时代电影制作领域的最大优势和普及性。

正如著名导演陈国星在拍摄《横空出世》说：“我们拍人们在沙漠里沸腾的场面，本来需要两万人，假设我们调不到那么多的军队，那么我们也可以用三千人来拍摄，最后再利用数字技术合成出两万人，借助于现代数字化技术的手段达到同样真实的艺术效果，同时还降低了电影的制作经费。”④数字化技术不仅为制作真实的大场面、大制作的历史影片提供了技术支持，而且也为电影特殊场景的拍摄提供了保证。在现代电影中，数字技术还在制造宏大的场面时，显示出它的无所不能的超常的仿真技艺。数字技术还为电影提供了许多化妆、美容乃至整容术。如《大战宁沪杭》使今天的上海四川路桥又重新回到了50年前它的旧日容貌。

尽管数字化影像可以 “以假乱真”，但依然不能改变人们对影像的真实性要求，不能颠覆观众对影像本体的真实性信念。所以，制作者依然根据历史或现实、艺术的真实再现或创造真实。数字化的电影实践已经表明，它在再现物质世界的客观真实、表现主观世界的心理真实、呈现审美情趣的艺术真实以及表达内心意绪的情感真实等方面都达到了传统电影手段无法企及的创作高度。

数字技术导致了电影制作方式的重大变革。以前电影的影像无论是再现现实还是利用布景道具，都是现实生活中的模仿。数字化技术参照现实的主观仿真，打破了影像真实与物质现实的相互牵连，致使传统影片的虚构故事变成了画面中的人物、场景、道具等的虚构。因此，数字化技术在提供、保障了现代电影无所不能的现实仿真的同时，也打破了我们一直遵循的完整现实复原的巴赞电影美学原则，把真实再现现实拓展至现实仿真的电影美学境地。

电影技术手段的推陈出新必然会引起电影艺术真实观念的变迁。如果说传统艺术的真实观是内容主导型的话，那么现代电影艺术的真实观就是手段主导型。电影的真实首先是影像的“真实”。在写实主义者看来，影像的真实感来源于对“物质现实的复原”，这就是摄影机的“不撒谎”真实纪录。其实，早期技术主义就打破了“物质现实”的自然形态，采用蒙太奇、特技或搭制布景等方式，对客观现实进行发挥，创造“第二度真实”。而数字化技术的虚拟现实主义则又超越了前两者，在技术主义“第二度真实”的基础上可以直接在计算机里创造虚拟的“真实”。

因此，电影数字技术直接继承了梅里爱为代表的技术主义美学思潮的传统，在科技的推动下，实现了电影制作方式由主要依靠摄像机成像到以计算机为手段的物理成像的飞跃。同时从现实技术层面上说，数字技术虚拟的真实主义，对现实的仿真“颠覆”了以巴赞为代表的写实主义美学传统。

数字化技术的虚拟非现实：与前者(对现实的仿真，或称虚拟的现实主义)相比较，数字技术介入电影的另一种性质就是再现“虚拟非现实” 形态。在这里我们把他称为虚拟表现主义。

“虚拟非现实”与前一形态的区分主要可表现为“虚拟非现实”没有现实生活的摹本，没有一个物质层面的现实与之相比较、对位。影片题材或表现手段往往是一种不可能发生或我们不可能看到的现实世界。

数字技术的逐步完善首先使侏罗纪公园的恐龙得以复活、到从未来时代回归的机器魔鬼杀手、到彗星撞击地球的引起天崩地裂海浪滔天、以致失去控制的航天飞行器穿梭狂奔在银河系的边缘。而《阿凡达》的技术创新使观众身临其境地体验了潘多拉星球那种奇绝、瑰丽、神秘的梦幻世界，切身感受阿凡达身骑龙鸟翱翔天空的速度、领会漫游夜森林的色彩，感知生命之树的呼吸与呢喃的视觉奇观。这一切的奇幻视觉都归功于詹姆斯卡梅隆团队创造的三项突破性技术：表情抓取技术、虚拟摄像技术和立体摄影机技术。这其实不是“虚拟的现实”，而是技术创造了虚拟的 “非现实”。这种带着技术融入创作的理念的先行，是我们电影理论所忽视甚至完全否认的一种电影形态和艺术功能，与传统文艺学、美学格格不入。这种超想象的现实被臆造出来后，在观赏者那里又成了物质性的、客观性的、能激起真正的生理反应和社会联想、人道情感的物质美学。但是这一回我们似乎无法把它归纳到传统文艺美学的“人化自然”中去，它已经不是一面超级现实主义的镜子，而更接近一幅出自达利笔下的超现实主义油画。

可见，数字技术及其生成的影像不但可以代替并履行传统制作技术纪录现实的功能，又能仿造“客观自然界”和表现“主观想象界”。通过电脑绘画和电脑特技加工合成后生成的数字影像能够模拟或虚拟传统电影制作手段所无法企及、无法实现的境界或事物。充分发挥创作主体的想象和才智使詹姆斯•卡梅隆在《深渊》里创造出通体透明、可随意变形的海水人，又在《终结者2》中创造了能够任意改变自己身体的液态金属人。美国影片《浩劫惊魂》以数字技术和数字影像逼真再现了洛杉矶大地震的巨大灾难，令人真切感受到天崩地裂、摩天大楼顷刻倒塌的惨烈。《幽灵》把一个生死别离的爱情故事置放于富有神秘色彩的阴阳两界之间的边缘地带，甚至表现山姆的幽灵穿越人间自然物体的过程。

数字技术在表现奇观化的物象和景象方面独具优势，难怪乔治•卢卡斯说，数字化技术“它远远超乎人们的想象，如果你着手拍摄一部电影，将你的想象力乘以十倍，你就可以进行特技制作了”。数字化电影以灾难片、科幻片、惊悚片、魔幻片、古装片等表现非自然力的片种见长。这些电影的情节、角色和数字影像的艺术可信性与艺术真实性，是建立在“现实”与“非现实”的假定性前提与基础之上，根据特定的艺术逻辑推断演绎出来的。虽然不同于客观外在生活真实，却是艺术世界中“可有”或“会有”的真实，是以人们心理感知和接受为依据的，具有主观真实性。

复制自然物象的现实仿真数字影像是自然的延伸，而虚拟非现实的变异型数字影像则是经过制作者的创造性劳动，从艺术假定性出发，对客观现实的非原样表现。无论是现实的仿真还是非现实的虚拟，这都是数字时代背景下的电影新特征。因此，数字技术不仅是一场空前的技术革命，且在一定程度上，开拓了电影审美新的境界。可以说数字技术颠覆了传统的电影美学，是一场美学革命，或者说是传统美学在新时代、新技术条件下的延伸和递进、继承与发展。

注释：

① 潘源：《数字化电影:两极震荡间求平衡》，《当代电影》，2007年第2期。

② 曹恺：《纪录与实验：DV影像前史》，中国人民大学出版社，2005年版。

数字化仿真技术概念篇9

引言

《信号与系统》是电气信息类专业本科生必修的专业基础课程，目前许多重点高等院校将它作为相关专业硕士研究生入学考试的课程。《信号与系统》这门课程体现了事物本质在物理概念、数学概念、工程概念三者相结合的产物。该课程以高等数学、复变函数、电路原理、概率论与数理统计课程为基础，是学生在学习后继专业课程如数字信号处理、DSP原理及开发应用、现代信号处理、通信原理、自动控制原理等课程的先修课程，所以《信号与系统》这门课程在教学环节中起着承上启下的重要作用，其教学质量不仅直接影响到学生对后续课程重要概念的理解和分析解决工程问题的能力，也对通信、雷达、测试、控制、生物医学工程等众多学科和工程领域起着不可低估的作用。有必要建立《信号与系统》的课程群。

1 针对高校信号与系统课群建设亟待解决的问题

《信号与系统》和《数字信号处理》作为我院电子信息工程专业的专业基础平台课，目前授课对象仅为电子信息工程专业，专业涉及面窄，与其自身的强大功能不相符；其次信号与系统作为学科基础课和数字信号处理作为专业主干课在课程开设时，为求自身体系的完整性，存在有内容重复，衔接不合理、内容综合不够、理论与实践严重脱钩等问题；再次随着信息技术的快速发展，正面临着“教什么，如何教；学什么，如何学”的严峻挑战和实现从知识型人才转变为应用型、综合型、创新性人才培养模式的思考，如何实现《信号与系统》和《数字信号处理》的授课内容与学科的发展同步及如何有效利用科学技术的发展实现理论与实践的统一是急待解决的问题。

2 课群建设的实施

2.1 课群建设的总体思路

2.1.1 教学课程的改革与整合：系统的分析《信号与系统》和《数字信号处理》两门课程自身的特点，进行有机的整合，信号与系统与数字信号处理两门课程的教学内容有着密不可分的内在联系，其中心是通过对各种不同信号的分析，实现信号的处理，达到所希望得到的信号，注重学生综合应用知识能力和自主学习能力的培养；同时针对信息技术的发展，介绍其在新兴学科和领域中的应用，进一步激发学生的学习兴趣。2.1.2 教学方法的改革：针对《信号与系统》和《数字信号处理》两门课程计算公式多、概念多、变换多等特点，注重能力培养与和学科互动，充分利用计算机技术、多媒体技术和各类仿真软件的最新成果，采用灵活的教学手段，既能展现课程的重点难点问题，又能实现师生互动，突出基本原理中所蕴含的数学概念、物理概念和工程概念，实现学生能力的提升。2.1.3 实验手段的改革：实验课时的安排是提高学生学习兴趣和学习能力的重要环节，是实现理论与实践有机结合的重要保证，因此针对两门课程的特点，分别安排借助Matlab编程知识进行验证性实验和综合设计性试验，解决理论与实践，强化学生的自我学习能力，理论上与分别于《信号与系统》和《数字信号处理》两门课程应用并行。2.1.4 课程体系的改革：针对信息处理技术的发展，在两门课程的基础上，增加Matlab应用、EDA技术和DSP技术等，形成完善的课群体系，在教材上以“易教易学和强化培养学生的工程能力和创新能力”为出发点，精选内容、加强基础、例题典型、重点突出；在文字上力求简洁明了、易教易学。

2.2 课群内各课程之间的优化整合关系

2.2.1 优化信号与系统和数字信号处理两门课程的学习内容。信号与系统主要讲授两大信号（连续时间信号与离散时间信号）的时域与变换域、两种系统（连续时间和离散时间系统）、三大变换（傅里叶、拉普拉斯、Z变换）的具体知识点需要重点讲授，系统的状态变量分析只做一般讲解。数字信号处理主要讲述离散时间信号的时域和变换域分析、离散傅里叶变换（DFT）利用时域抽样定理和频域抽样定理实现时域到频域的映射关系、基于时间和频率抽选奇偶分解的快速傅里叶变换（FFT），接着讲述无限和有限冲激数字滤波器对信号的具体实现，完成信号滤波处理的功能。2.2.2 基于MATLAB的仿真实验在课程群建设的重要性。MATLAB仿真的应用中数字信号处理工具箱的运用使得系统分析、信号的谱分析、数字滤波器的设计方面应用更为普及和广泛，应用MATLAB可以很容易地进行信号与系统的傅立叶分析、卷积运算、滤波器设计、信号滤波等工作，在信号系统的课程中安排验证性实验偏重于理论与实验的统一，在数字信号处理课程中安排综合性实验偏重于创新能力的培养。MATLAB基础及应用的理论与实践教学能够有效提高学生对数字信号进行处理的应用能力，对于分析问题、解决问题、创新能力的培养有很大的积极作用。2.2.3 EDA课程设计在课程群建设中的主导性。EDA课程设计，主要通过应用两个工具软件-Protel2004和MATLAB7.0，完成电子线路的制版和线路仿真工作，图文并茂、易学易懂，在课程设计的选题方面学生自主性选题、集思广益的探讨方案，教师以启发为主、指导为辅。学生能够有效地完成信号与系统的整机软硬件联调工作，提高自身的学习能力。课程设计的题目难度适中，展示课群的实践性和实用性，激发学生真正体会到成就感。

建立《信号与系统》课程群，使理论课与实验课相互补充，加之课程设计做为实战性的锻炼，学生的学习更加系统化、体系化。课群建设前后的课程对比如表1所示。

2.3 课群的主要教学方法

2.3.1 调整课程教学内容，加强基础，更新内容，拓展知识面，及时与学生沟通，了解教学效果，及时修正教学内容和课时安排。2.3.2 配合教学内容，具有直观教学效果的板书结合具有立体演示效果强特点的CAI多媒体课件，理论联系实践实现互动式教学。达到最佳的教学效果。2.3.3 加强实践环节，提高学生动手能力，通过举行“信号与系统及Matlab应用知识竞赛”等，通过自己动手完成系统的设计和仿真，拓展传统实验的广度和深度，激发学生学习兴趣，提高软硬件联调能力，完成综合素质的培养。2.3.4 在网络平台上提供多媒体电子教案、CAI课件、网络视频等，将全部的授课内容扩展上网，实现网络与实际教学的同步更新，并开设奖励机制、网上问答机制等。

结束语

随着电子科学和与计算机技术的发展，本文对于信号与系统课群的建设从研究目标、研究内容、教学方法提出了大胆的尝试，课群的建设“以学生为根本，培养能力为核心”笔者通过在教学实践中不断地摸索与实践，对于学生学习的主动性与创新性已经取得了阶段性的成果，但还需配合教学体制的多方面协调才能取得最佳效果，为适应时代科学技术的飞速发展与大量的应用性人才培养做出自己的贡献。

参考文献

[1]张谨，赫兹辉.“信号与系统”.北京：人民邮电出版社，1985.

数字化仿真技术概念篇10

引言：

随着通信等电子系统的快速发展，软件无线电技术得到了广泛的研究与应用。掌握软件无线电技术是电子信息工程与通信工程等专业本科教学的重要任务[1]。由于涉及到高频电子线路、信号与系统、数字信号处理、通信原理等多门课程的基础知识，软件无线电技术往往被设置为该类专业高年级学生的专业课程[2-4]。为了适应我国电子与通信领域对人才的需求，我校自2015年开始在电子与信息工程与通信工程两个本科专业开设软件无线电技术课程。

1.面临的难题

由于软件无线技术是一门系统性很强的专业课程，其教学面临较多困难，主要表现如下：

（1）知识点的广泛性

软件无线电技术涉及到软件无线电系统的天线、接收机、发射链路、信号处理前端等多个方面的知识。要求学生应先修的课程众多。学生应修过天线原理、高频电子线路、信号与系统、数字信号处理、通信原理等多门课程，否则对其中的诸多原理的理解将存在较多困难。比如，对接收机中下变频与前端模拟滤波器Q值的关系的理解需要高频电子线路的知识；而对数字滤波器与下变频过程中数据抽取的关系的理解需要具有数字信号处理的专业知识；而对软件无线电的阵列数字波束形成的理解需要天线原理与数字信号处理两个方面的知识。

（2）知识点抽象性突出

软件无线电技术中的原理往往具有抽象性，这一点类似于数字信号处理中的算法原理。在看似简单的处理背后是深层次的抽象原理。知识的抽象性给课堂教学造成了较大的困难。比如数字波束形成技术的原理即具有较强的抽象性。天线在没有转动的情况下，通过数字加权即可实现天线转动，其原理的讲解涉及到数字信号的瞬时相位、天线阵元信号的同步相干处理等多方面的抽象性很强的专业知识点。

（3）知识点的实践性强

由于软件无线电技术是一门应用技术，面向的是通信系统的设计，因此具有很强的实践性。与常规的信号处理不同，软件无线电需要明确数字化接收前端的模拟处理过程，具体的参数设计对系统性能的理解，以及具体的滤波器设计方法对处理性能的影响等，这些知识必须结合应用才能完成讲解，因而具有实践性。

（4）知识点的系统性强

知识点的系统性主要体现在针对软件无线电系统设计，从前端天线设计、发射链路设计、接收链路设计等其设计是一体的。某一参数的设计需要统一考虑对整个系统的性能的影响，因此设计具有系统性。但是，知识的讲解具有分散性，必须将知识点从前向后进行讲解，该过程使得系统性设计方法很难体现。

2.采取的教学措施

针对上节所述的软件无线电技术面临的教学难题，采用了多种教学方法进行实践，具体包括如下几个方面：

（1）注重与以往专业基础课知识的对接

针对软件无线电技术涉及的知识面广泛的特点，在教学过程中注重对以往所学知识的提示与对接。如在讲授前端模拟滤波器设计中的Q值选取问题时，首先回顾了高频电子线路中的关于滤波器Q值的定义与性质的讲解。通过该知识点的回顾，在进行后续分析时可以有效提高学习效果。

（2）采用Matlab仿真辅助抽象知识的理解

针对该课程学习过程中的知识点的抽象性难题，采用利用Matlab进行仿真设计的辅助教学方法。Matlab作为算法与理论研究的利器，广泛的应用在科学研究之中。在多个具有抽象性的知识点的讲解中，利用Matlab进行仿真说明，取得了良好的效果。比如在对于带通采样定理的讲解过程中，采用低于信号频率的采样率实现了对单频信号的采样，分析了参数变化对仿真结果的影响，并给出了仿真图形。在讲解该定理的公式推导与概念的同时，给出具体的仿真例子，取得了良好的教学效果。

（3）采用Matlab仿真实现系统参数性能分析

具体的系统设计方法的效果具有很强的实践性，很难再教学中予以说明。为了达到好的教学效果，在讲授系统设计时同样结合Matlab仿真给出生动具体的例子，对学生理解起到了良好的效果。在讲解中频采样的采样率选取的过程中，通过仿真计算给出某一中频信号频率与带宽条件下的采样率，将采样后的信号以图形的形式呈现，直观简洁，便于学生理解。

（4）教学过程中采用多种反馈方法实现知识的系统性教学

由于知识点具有系统性，在讲解课程知识的开始，不涉及后续的知识，针对单点知识分别进行讲解。而在课程进展到后期，则在知识讲解的过程中，注重对前面知识点的应用，以及对其他课程所学知识点的应用。比如，针对数字波束形成的讲解过程中，串联讲解了数字下变频与中频采样的相关知识。而后者是前面章节的相关内容，而在之前的讲解中仅讲解了基本概念，学生对其应用的理解并不全面。结合数字波束形成技术的讲解，则使得学生可以全面理解数字下变频的概念，并真正理解中频采样的基本原理与设计方法。

3.结束语

全面分析了软件无线电技术课程在教学过程中的诸多难题。针对该类难题，详细讨论了所采用的应对措施。对相关课程知识点的回顾、采用Matlab辅助教学以及系统反馈教学方法的使用，有效地克服了软件无线电技术课程讲授中面临的知识面广、概念抽象、实践性与系统性强等诸多难点。通过在教学时间中的实际应用，表明所给出的方法取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1] 陈祝明，《软件无线电技术基础》第一版，高等教育出版社，2007.4

数字化仿真技术概念篇11

作者简介：黄葆华（1963-），女，浙江平湖人，南京理工大学通信工程学院，副教授；魏以民（1973-），男，江苏扬州人，南京理工大学通信工程学院，副教授。（江苏　南京　210007）

基金项目：本文系2011～2012年度理工大学教育教学研究项目（GJ1102016）的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）35-0050-02

“通信原理”是信息、通信类专业本科学生一门重要的专业基础课，也是许多院校硕士研究生入学考试科目。这门课程以“概率论与数理统计”、“高等数学”、“信号与系统”等课程为基础，并且对后继的“移动通信系统”、“卫星通信系统”、“无线通信系统”、“光纤通信系统”、“计算机网络”等专业课程有着重大的影响，在教学环节中起着过渡的作用，其地位极其重要。由于涉及大量的数学知识和专业基础知识，在学习过程中学生普遍感到这门课理论性强，涉及的抽象概念较多，很多原理难以理解。如何将理论与实践、原理与应用紧密结合是课程教学面临的较大问题。在当前课堂教学占主体、实践环节还不够完善的情况下，将计算机仿真技术引入课堂教学，通过计算机仿真不仅使复杂的理论变得易于理解，使抽象的概念变得形象、生动，使学生在听视结合中获得深刻的印象，并加深对原理和概念的理解，还可激发学员的学习兴趣，使学员积极主动地参与教学过程，充分发挥学生在学习中的主观能动性，实现“教学相长”，使教学效果产生质的飞跃。

一、通信原理仿真软件

在通信原理系统级的仿真中，最适用的仿真软件主要有Mablab中的SIMULINK仿真平台和SystemView仿真软件。

1.Matlab中的SIMULINK仿真平台[1]

SIMULINK是Math works公司的Matlab仿真软件中提供的一个交互式动态仿真平台。它允许用户使用模块框图来代替系统，用户只要用鼠标简单拖拉就可构造出复杂的仿真模型，使用户摆脱了繁琐编程的困扰而集中精力来观察系统的工作原理，或调整系统的参数来分析系统的特性变化。利用SIMULINK搭建通信系统仿真模型的主要优点是可以充分利用Matlab强大的计算功能，其缺点是其仿真界面的可读性及可懂性略差，因此SIMULINK更适合于需要进行较复杂数学计算的通信系统仿真。

2.SystemView仿真软件[2]

美国Elanix公司推出的动态系统仿真软件是一个优秀的EDA软件，能够提供完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性和非线性系统的设计与仿真。SystemView是基于Windows操作系统的仿真软件，具有非常友好的界面，无需与复杂的程序语言打交道，不用编写程序，用户只需用鼠标点击、拖动图符即可完成复杂系统的构建、仿真和分析。SYSTEMVIEW的图符资源十分丰富，包括基本库和专业库。基本库中有加法器、乘法器、多种信号源、接收器、各种函数运算器等。专业库有通信、逻辑、数字信号处理、射频/模拟等。

SystemView仿真软件具有简单、直观、灵活、功能强大的优点。与SIMULINK相比，其仿真界面更为清晰易懂，操作步骤更为简便易行。因此，SystemView更适合于“通信原理”的课堂仿真。

二、SystemView在“通信原理”课堂教学中的应用

1.有效提高课堂效率

“通信原理”课程目前的教学时数普遍在60学时左右，但教学内容却很多，除了重点讲授课程的核心内容，还要复习课程必备的数学和专业基础知识，同时要介绍通信领域新理论新技术，因此课堂教学的时间安排非常紧张。另外，这门课涉及大量的原理方框图和波形图。尽管这些图形可以在备课时准备，但是，一方面PPT投影上的图形都是静止的、死板的；另一方面，授课过程是教与学的互动过程，为使学生更好地理解讲授内容，很多图形需要临时在黑板上画，耗费大量时间。如果在授课时应用计算机仿真就能很好地解决这个问题。例如，在讲解数字振幅调制时，可在PPT上给出数字振幅调制器的组成原理图，如图1所示。

由图1可见，数字振幅调制器由三个部件构成：产生M进制数字基带信号的信源、提供余弦波的载波发生器、数字基带信号和载波相乘的相乘器。此数字振幅调制器在SystemView仿真软件上很容易实现，因为调制器所需部件在SystemView软件中都有现成的图符，只需用鼠标进行几次点击、拖动和连线即可。因此，可在课堂上引导学生根据图1所示的组成原理图共同完成仿真模型的构建，如图2所示。

运行系统由图符4和图符3可显示M进制数字基带信号及已调信号MASK的波形，点击图符0可改变进制数M的取值，即可得到各种进制的MASK信号波形。进入分析窗还可观察MASK信号的功率谱及带宽，由此可进一步理解MASK信号频带利用率与进制M之间的关系。

可见，在课堂讲授中结合SystemView仿真既直观方便又能吸引学生的注意力，故能有效提高课堂效率。

2.使抽象的内容更为生动具体

“通信原理”课程中涉及许多较为抽象的内容，但这些内容包含的概念、原理或技术在实际中有着广泛的应用，因此授课时希望能讲解得更透彻些。如果单纯靠理论讲授，学生在接受时或多或少存在一些困难。而使用计算机仿真不但可以丰富授课内容，更可以使抽象的内容变得生动和具体。例如，关于OQPSK和QPSK调制技术，OQPSK信号中相邻载波之间最大相位跳变的绝对值为90度，而QPSK相邻载波之间最大相位跳变的绝对值则为180度。理论上可以证明：[3]OQPSK与QPSK的理论功率谱是完全相同的，但由于相邻码元之间载波相位的跳变值不同，使得它们经带限非线性信道传输后，OQPSK功率谱的带外辐射较小，因此对邻道产生的干扰也小，所以实际应用中OQPSK的功率谱特性比QPSK好。为了验证这个结论，同时也为了使学员对这部分内容有更深刻的理解，授课时可用SystemView仿真软件构建OQPSK和QPSK调制器、运行系统，分别产生OQPSK和QPSK信号，然后在分析窗中再对它们进行FFT变换，求得它们的功率谱，以此确认它们理论功率谱完全相同。再用Systemview中提供的带通滤波器和限幅器来仿真带限非线性信道，使OQPSK和QPSK分别通过带限非线性信道后，再在分析窗中对这两种信号求功率谱，就可得到通过带限非线性信道后的OQPSK和QPSK信号的功率谱，由此可以清楚地看到OQPSK功率谱的带外辐射明显比QPSK的小。类似问题还很多，如DQPSK与PI/4DQPSK之间的情况也是这样。像这类抽象的、不易理解的教学内容，只要合理运用计算机仿真都可以得到很好的解决。

3.弥补数学分析上的不足

在“通信原理”课程授课中经常碰到这样的问题：某个问题的结论很重要，而且这些结论往往是后面所讲授内容的基础，但得到结论的理论证明所涉及的数学内容超出了本科生的学识范围，或者推导这些结论需花费太多的时间。如“数字调制技术”一章中各种调制方式的功率谱公式，推导这些公式不仅要用到超出本科生数学知识的周期平稳随机过程的概念，而且过程相当繁琐。因此，在通信原理教材上，除个别作了不太严格的解释外，其他的都直接给出公式。“数字基带传输”这章也有类似的问题，在介绍数字基带传输的各种码型时，强调AMI码和HDB3码在实际中得到广泛应用的原因是它们有优越的功率谱特性，如高低频分量小、功率集中在码元速率一半的频率附近、无直流分量等。但遗憾的是，“数字基带传输”一章中虽然专门对数字基带信号的功率谱进行了分析，但经推导得到的功率谱公式只适用于二电平信号，对AMI和HDB码这些多电平信号则无能为力，要想推得它们的功率谱公式，同样需要较为深入的数学和相当繁琐的过程。[4]所以有些教材上索性不提它们的功率谱，还有一些教材则稍微提一下AMI和HDB3码的功率谱图。事实上，信号的功率谱分析是非常重要的，从功率谱可知道此调制信号功率集中的区域、带宽大小、带外辐射如何等。

这些教学问题同样可以用计算机仿真来解决。在课堂授课时，可根据AMI码、HDB3码的编码规则及各种调制信号产生的框图，用SystemView构建AMI码和HDB3码编码器以及各种调制器的仿真模型。[5]模型简单的可在课堂上与学生一起构建，模型复杂的课前预先构建。运行系统，即可产生所需信号，在SystemView的分析窗中对信号作FFT变换就可得到信号的功率谱图。从功率谱图上，信号功率谱的形状（变化规律）、功率集中在什么区域、带宽与信号速率之间的关系等一目了然。这样，不仅提高了学生的学习兴趣和感性认识，而且也使教学内容更连贯、更完整。

4.激发学生的学习积极性

教学过程是由“教”和“学”两个方面构成。研究教学不能仅停留在“教”上，还应当对学生的“学”进行研究。在“通信原理”这样理论性较强的课程中引入可视化很强的仿真教学能有效地提高学生的学习积极性，对提高教学质量和教学效果起到积极的作用。具体体现在以下几个方面：

（1）实现创新性学习。将计算机仿真引入课堂教学能有效调动学生的注意力、激发学生的兴趣、调节教学气氛，帮助学生在理解知识、巩固知识的同时，使学生在兴趣的驱使下积极思考，对学习内容进行“刨根问底”式的探究，真正将教师传授知识的过程转变为学生在教师指导下探究知识的过程。

（2）培养学生获得知识的能力。仿真需要理论的指导，反过来仿真可以验证理论的正确性，在任何一个环节的理解上出现偏差都无法获得正确结果。因此通过对所学原理和系统的反复仿真使学生在实践、认识、再实践、再认识的过程中深刻理解所学知识，同时也增加了进一步获取新知识的兴趣，为今后的学习和工作打下扎实的基础。

（3）培养学生的科研能力。仿真能使“静态”的原理、系统“动”起来，学生对仿真产生了浓厚的兴趣，不仅提高了课堂的学习效果，而且在课外时间里，学生通过对所学内容的进一步仿真提出了很多新的看法和方案，从而增强学生的实际动手能力、用学到的理论知识分析问题和解决问题的能力。

四、结束语

在“通信原理”课堂中引入SystemView仿真的教学实践证明，利用SystemView仿真在通信类的基础课和专业课中进行辅助教学使得原理课程中相对枯燥乏味的理论知识变得生动起来，对于提高学生的学习效率和学习积极性、培养学生的科研能力都有很大的帮助。

参考文献：

[1]徐洪梅，熊建设，石雷.计算机仿真技术在通信原理实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2006，23（8）：88-80.

[2]孙屹，戴妍峰.SystemView通信仿真开发手册[M].北京：国防工业出版社，2004.

[3]王士林，等.现代数字调制技术[M].北京：人民邮电出版社，1987.

数字化仿真技术概念篇12

作者简介：王勤（1982-），男，湖北武汉人，中南民族大学电子信息工程学院，讲师；唐红文（1969-），女，湖北武汉人，中南民族大学电子信息工程学院，副教授。（湖北 武汉 430074）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0192-02

“通信原理”是高等院校电子信息类专业学生的专业基础课程，涉及“信号与系统”、“概率论与数理统计”和“高频电子线路”等多门先修课程，具有理论性强、知识面广、抽象概念多的特点。[1]学生对概念往往不易理解，难以建立完整的通信系统知识体系。为了提高教学质量，很多高校开设出相应的实验课程，使得学生能够进一步消化课堂上所学的理论知识，加深学生对通信系统工作原理的理解。[2-5]中南民族大学属于民族类高等院校，学生由多民族组成，对课程知识的接受程度存在较大差异性。针对这一情况，本着“因材施教，以生为本”的教学理念，我们对通信原理课程的实践教学进行了一定的探索与研究，通过设计不同层次的实践教学内容，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力，努力提高实践教学质量，取得了满意的教学效果。

一、以验证性实验为基础，加深学生对基本概念的理解

验证性实验主要是以实验箱为平台，学生利用相关测试点完成数据记录与波形观测并结合原理进行分析验证的一种演示性实验，是“通信原理”课程实践教学活动的基础。在教学中，教师根据现代通信理论的发展趋势，以数字通信的基础理论为重心，按照由浅入深、由简单到综合的原则精心设计与优化实验教学。实验内容主要包含有数字基带信号、数字调制解调技术、同步技术、PCM编解码、时分复用数字基带/频带传输通信系统等多个实验项目。通过验证性实验，学生能够更好地掌握数字通信的基本知识点，结合实验箱了解通信原理的物理实现方式，有效提高了实验技能。如在数字基带信号实验中，学生可通过示波器观测了解NRZ码、AMI码以及HDB3码等基带信号波形特点，通过修改实验箱参数并观测结果来比较它们之间的优缺点。整个实验过程比理论教学更加直观，加深了学生对数字基带信号相关概念的理解，教学效果好。

二、引入仿真性实验，提高学生对通信系统框架的认识

验证性实验意在使学生将课堂上所学的知识在实验中得到验证，达到加深印象、巩固基础知识的目的，但也存在一定的局限性。如实验箱硬件模块固定，灵活度不高；知识点覆盖不全面；学生容易将精力过多关注在单一测试点的数据上而忽视对通信系统整体模型的思考。因此在实验教学环节，我们开设有仿真性实验课程，使学生通过软件仿真方式建立通信系统模型，以便更好地理解与掌握通信系统原理。

SystemView是美国ELANIX公司研发的用于系统仿真分析的可视化软件工具，可构造出各种复杂的模拟、数字以及模数混合系统，适合现代通信系统的设计、仿真和方案论证。[3]软件提供丰富的设计资源，包含大量的信号源、接收端、功能块、算子图符以及函数库，可供用户调用；同时界面友好，用户只需通过鼠标点击以及拖动图符便可完成系统的构建与仿真分析，无需编程，学生能够较快地上手完成相关的实验设计与仿真。

在实验设计上，借助SystemView仿真软件平台开设数字通信相关实验，包括ASK、FSK、PSK以及MSK等多种数字通信系统设计。仿真实验内容与验证性实验相互印证，有助于学生对知识点的掌握。在实验过程中，学生利用软件能够对通信系统进行灵活设计，极大地激发学生的主观能动性，增强了学生对系统模型的认识。同时学生可通过修改相关参数动态地观察仿真实验结果，从而更为直观形象地理解各种参数对通信系统性能的影响。此外，当实验结果不正确时，学生也可在系统中自由加入仿真观测点，利用逐步分析与测量的方式来排除问题，有效提高了学生的综合设计能力。

以2FSK实验为例，2FSK是一种通过载波频率的变化来携带二进制信息的调制方式，其系统的调制与解调实现方案有多种。在这里采用键控方式调制基带信号，并利用相干解调法完成解调，同时在系统中加入了高斯白噪声以模拟信道传输过程。整体系统仿真设计模型如图1所示。在系统完成搭建后，可通过软件的分析窗口利用波形、频谱或眼图等方式观测结果。如观测2FSK信号的时域波形（图2（a）），调制信号的功率谱密度（图2（b））以及正确相干解调后获得的基带信号（图2（c））。整个实验可以使学生更好地理解2FSK系统模型，并能与在实验箱上所做的验证性实验进行对比参考，有效激发了学生的学习兴趣。

三、利用FPGA平台开展设计性实验，增强学生的创新意识

在课程实践教学过程中，对于学有余力、愿意潜心钻研的学生，为了更好地拓宽他们的视野与知识面，在完成仿真及验证性实验教学要求的前提下可以开展设计性实验工作。设计性实验是指老师只给出实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。[4]实验具有开放性的特点，重在培养学生综合设计能力、实验动手能力、自主学习能力和查阅文献的能力，增强学生的创新意识。在实验中，我们把设计与EDA技术的发展趋势相结合，考虑到FPGA技术具有集成度高、速度快和现场可编程的特点，其研发周期短、实现灵活，在当今通信领域中的应用日益广泛，因此将FPGA设计引入通信原理实践环节。设计性实验基于FPGA平台可实现通信系统的各种功能模块，主要内容包括M序列设计、信道编解码技术、位/帧同步提取、数字信号传输性能分析等多种实验。

以数字信号传输性能分析实验为例，学生需设计完成一种简易的数字信号传输性能分析系统。其核心是利用FPGA平台产生数字信号和伪随机噪声，经过滤波器模拟信道传输后，由FPGA对信号进行分析提取同步信息，最后通过示波器观测眼图，根据眼图特征直观地评估系统的码间干扰和噪声的影响。其系统结构框图如图3所示。

在实验中，学生可通过FPGA编程生成M序列伪随机信号，分别作为数字传输信号以及伪随机噪声；搭建模拟电路实现低通滤波功能；在FPGA中利用数字锁相环方法提取接收端的同步时钟，最后利用该时钟作为示波器的外触发信号，从而显示出接收信号对应的眼图。图4为在示波器上所观测到的正确实验结果。其中（a）为未加入伪随机噪声的眼图，（b）为加入了伪随机噪声的眼图。实验涉及通信原理课程中的伪随机序列、信道、同步技术、眼图等多个理论知识，设计实现方案与FPGA技术紧密结合有效提高了学生对通信专业知识、电路设计、FPGA设计等知识技术的综合运用能力以及创新设计能力。

四、总结

通过不断的探索与研究，我们逐步建立了一套完整的包含仿真、验证以及设计等多种不同层次实验内容的通信原理课程实践教学体系。在实践教学中，我们针对学生接受知识的能力因材施教；坚持理论与实践相结合、仿真平台与硬件平台相结合、验证性实验与开放性设计相结合；努力培养学生整体思考问题、分析问题、解决问题的能力。实践证明，通过这些教学活动的开展，学生能够更好地掌握通信原理的基本概念，对通信系统的认识进一步加深，学生的视野和知识面得到了拓展；同时学生的主观能动性得到了很好的发挥，动手能力得到了锻炼，综合运用知识的能力以及创新意识得到了有效提高，为学生之后从事相关专业领域的工作与学习打下了良好的基础。

参考文献：

[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].第六版.北京：国防工业出版社，2006.

[2]郭有喜，高媛媛.层次化实验体系在通信原理教学中的应用[J].中国电力教育，2012，（31）：109-110.