仿真技術(shù)論文：仿真技術(shù)在高校教育中的運(yùn)用

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本文作者：李淵、楊宇、胡之惠 單位：上海電機(jī)學(xué)院通信工程系

在現(xiàn)代信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積累經(jīng)驗(yàn)并應(yīng)進(jìn)行改革探索，并針對(duì)應(yīng)用型人才需采用虛擬和實(shí)際相結(jié)合、軟件與硬件相結(jié)合的模式?？梢钥闯?，現(xiàn)代仿真技術(shù)在信息學(xué)科教學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。仿真技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，必將加快信息學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化改革，促進(jìn)了教育觀念的改變是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實(shí)驗(yàn)手段。

信息學(xué)科教學(xué)中仿真技術(shù)的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外眾多高校在信息類課程的教學(xué)過程中，對(duì)計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)做了大量有意義的探索，并取得了相對(duì)豐碩的研究成果。

（1）通信專業(yè)教學(xué)中的仿真技術(shù)。近年來，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法通常不能夠適應(yīng)目前通信系統(tǒng)急劇增加的復(fù)雜性要求。在通信專業(yè)的實(shí)際教學(xué)過程中，基于相關(guān)常用的仿真軟件，通信系統(tǒng)的仿真技術(shù)也已逐漸成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及對(duì)其定性進(jìn)行驗(yàn)證的重要手段[5,6]。例如，對(duì)通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)并測試其性能；同時(shí)，在復(fù)雜的環(huán)境中無線電通信以及抗干擾通信系統(tǒng)的抵抗衰落和多徑效應(yīng)能力。但由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實(shí)際測試設(shè)備價(jià)格高昂，而且系統(tǒng)也往往具有不可測試特性。例如，在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教育單位不太可能對(duì)實(shí)際營運(yùn)中的通信網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測試。因此，這使得高校相關(guān)信息專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)面臨挑戰(zhàn)。這樣，基于相關(guān)軟件與算法對(duì)其進(jìn)行仿真就成為一種理想的選擇。通常，通信系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)、通信過程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的智能化性能分析等系統(tǒng)及其部分功能的模擬大都基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來完成。其中，仿真算法可以直接映射為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的硬件。而基于仿真工具的軟件無線電技術(shù)使得通信信號(hào)處理方法得到廣泛應(yīng)用。此外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)不同模塊的性能分析也有著不可替代的作用。例如，在基帶信號(hào)處理過程中可以通過合適的仿真軟件來實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的相應(yīng)變換。從而得出預(yù)編碼、自適應(yīng)均衡、信道編解碼、信源編解碼以及信息安全算法等等。此外，在復(fù)雜、時(shí)變的信息傳輸環(huán)境中，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)算法更將會(huì)趨于復(fù)雜[7,8]。例如，在科研和教學(xué)中涉及到的信道估計(jì)的自適應(yīng)算法、MIMO技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)中的多用戶檢測算法、信道編解碼算法等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，必須利用仿真技術(shù)對(duì)算法在實(shí)際通信環(huán)境中的適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。

（2）基于硬件設(shè)計(jì)教學(xué)中的仿真技術(shù)。實(shí)現(xiàn)微處理器和數(shù)字信號(hào)處理芯片是現(xiàn)代信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)中各個(gè)硬件模塊的實(shí)現(xiàn)通常基于硬件仿真技術(shù)的理論與先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)的相互結(jié)合進(jìn)行分析。因此，仿真技術(shù)在信息專業(yè)教學(xué)過程中硬件的控制實(shí)現(xiàn)中也就有著重要的應(yīng)用[7]。在實(shí)際硬件仿真教學(xué)中，基于不同仿真平臺(tái)，例如Max+plus、QuartusII等軟件,通過VHDL、VerilogHDL等語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的物理器件性能進(jìn)行仿真。在目前很多信息系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，這主要表現(xiàn)為從基于硬件的集成電路模式逐步轉(zhuǎn)為一些硬件仿真軟件編程來實(shí)現(xiàn)的映射模式。

（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)中的仿真技術(shù)應(yīng)用。在通常信息學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)中，其復(fù)雜性已經(jīng)很難通過傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析來完成。而在更高層的協(xié)議設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中所涉及的仿真代碼可以將其設(shè)為相應(yīng)通信協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)的核心代碼。因此，在信息學(xué)科教學(xué)中，仿真方法在網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議的復(fù)雜性中也有著重要的應(yīng)用[9，10]。為了準(zhǔn)確、快速地對(duì)信息學(xué)科教學(xué)過程中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能完成評(píng)估。同時(shí)，如果采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以避免掉大量的理論性能分析過程中出現(xiàn)的障礙。另外，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇和調(diào)整，并能夠快速模擬系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的行為表現(xiàn)?；谏鲜龅姆抡婕夹g(shù)，可對(duì)教學(xué)中所應(yīng)用的信號(hào)處理算法、信息傳輸協(xié)議等及其相關(guān)性能做出評(píng)估以便進(jìn)一步改進(jìn)。因此，算法和協(xié)議的仿真成為實(shí)際系統(tǒng)中功能實(shí)現(xiàn)的重要手段。為了考查網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和利用效率，在實(shí)際的現(xiàn)代信息系統(tǒng)中提出了各種復(fù)雜且具有層次結(jié)構(gòu)的協(xié)議，進(jìn)而構(gòu)建結(jié)合無數(shù)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。可以看出，基于仿真平臺(tái)的仿真技術(shù)對(duì)實(shí)際環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真分析評(píng)估中有著不可分割的地位。

總之，在信息學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，基于平臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)有著重要的應(yīng)用。透過仿真技術(shù)，學(xué)生基于已有的理論可以對(duì)比傳統(tǒng)信息理論技術(shù)所研究的對(duì)象深入學(xué)習(xí)和研究。此外，通過仿真技術(shù)可以在仿真過程中實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)能夠評(píng)估參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，使其更加接近真實(shí)環(huán)境。

常用仿真軟件

目前，在信息學(xué)科的實(shí)際教學(xué)中，適用于系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的軟件仿真軟件較多，例如Matlab，Labview，SystemView等。其中，Matlab／Simulink是目前廣泛應(yīng)用于科研和教學(xué)中較為常見的仿真與計(jì)算平臺(tái)。均可完成教學(xué)中所遇到的仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，例如可以通過Matlab實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)仿真中的數(shù)值計(jì)算、算法驗(yàn)證等分析等領(lǐng)域。而Simulink是Matlab中最重要的組件之一，它對(duì)系統(tǒng)能夠提供一個(gè)動(dòng)態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，并具有適應(yīng)面廣、效率高和靈活等優(yōu)點(diǎn)。此外，Scilab也是一個(gè)開放源碼的科學(xué)計(jì)算仿真軟件。而常用的硬件仿真軟件早些時(shí)候所常用的Max+plus、QuartusII；英國Labcenter公司開發(fā)的用來電路分析與實(shí)物仿真軟件ProteusISIS；以及FPGA的仿真軟件Foundation和ISE等。

上述這些常用的軟硬件仿真軟件，在信息科學(xué)專業(yè)教學(xué)中的工程建模、科學(xué)計(jì)算以及性能分析等方面有著重要的應(yīng)用，特別是在信息相關(guān)專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中有著廣泛的作用。因此，開設(shè)計(jì)算機(jī)仿真課程能系統(tǒng)地利用科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真工具，深入理解信息學(xué)科中專業(yè)課程的基本思想、原理和實(shí)踐。

結(jié)語

總之，在現(xiàn)代信息技術(shù)的教學(xué)過程中，如何更加有效的分析復(fù)雜信息系統(tǒng)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際信息系統(tǒng)的模塊建模和性能分析對(duì)信息學(xué)科專業(yè)教學(xué)有著不可替代的意義。教學(xué)中如何利用各種不同的軟硬件仿真平臺(tái)，是將信息學(xué)科理論和實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合的關(guān)鍵。同時(shí)，仿真技術(shù)能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。因此，如何基于信息理論，形象、直觀地將專業(yè)知識(shí)生動(dòng)的傳授給學(xué)生，是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在信息學(xué)科教學(xué)中最終的目的。