仿真技術論文：仿真技術在高校教育中的運用
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本文作者：李淵、楊宇、胡之惠 單位：上海電機學院通信工程系
在現(xiàn)代信息實驗教學中，積累經(jīng)驗并應進行改革探索，并針對應用型人才需采用虛擬和實際相結合、軟件與硬件相結合的模式?？梢钥闯?，現(xiàn)代仿真技術在信息學科教學，特別是實驗教學中具有廣闊的應用發(fā)展前景。仿真技術的應用和發(fā)展，必將加快信息學科實驗教學的深化改革，促進了教育觀念的改變是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實驗手段。
信息學科教學中仿真技術的應用
目前，國內外眾多高校在信息類課程的教學過程中，對計算機的仿真技術做了大量有意義的探索，并取得了相對豐碩的研究成果。
（1）通信專業(yè)教學中的仿真技術。近年來，隨著通信技術和計算機技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的設計手段和設計方法通常不能夠適應目前通信系統(tǒng)急劇增加的復雜性要求。在通信專業(yè)的實際教學過程中，基于相關常用的仿真軟件，通信系統(tǒng)的仿真技術也已逐漸成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)設計以及對其定性進行驗證的重要手段[5,6]。例如，對通信系統(tǒng)整體設計并測試其性能；同時，在復雜的環(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能力。但由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實際測試設備價格高昂，而且系統(tǒng)也往往具有不可測試特性。例如，在日常的實驗教學中教育單位不太可能對實際營運中的通信網(wǎng)絡性能進行測試。因此，這使得高校相關信息專業(yè)的教學實踐環(huán)節(jié)面臨挑戰(zhàn)。這樣，基于相關軟件與算法對其進行仿真就成為一種理想的選擇。通常，通信系統(tǒng)中各個功能模塊的軟件實現(xiàn)、通信過程中各個節(jié)點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)代計算機仿真技術來完成。其中，仿真算法可以直接映射為系統(tǒng)設計中的硬件。而基于仿真工具的軟件無線電技術使得通信信號處理方法得到廣泛應用。此外，計算機仿真技術對通信系統(tǒng)不同模塊的性能分析也有著不可替代的作用。例如，在基帶信號處理過程中可以通過合適的仿真軟件來實現(xiàn)傳輸信號的相應變換。從而得出預編碼、自適應均衡、信道編解碼、信源編解碼以及信息安全算法等等。此外，在復雜、時變的信息傳輸環(huán)境中，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的數(shù)字信號處理相關算法更將會趨于復雜[7,8]。例如，在科研和教學中涉及到的信道估計的自適應算法、MIMO技術、通信網(wǎng)絡中的多用戶檢測算法、信道編解碼算法等技術的實現(xiàn)，必須利用仿真技術對算法在實際通信環(huán)境中的適應性進行驗證和評估。
（2）基于硬件設計教學中的仿真技術。實現(xiàn)微處理器和數(shù)字信號處理芯片是現(xiàn)代信息系統(tǒng)設計的硬件基礎。系統(tǒng)中各個硬件模塊的實現(xiàn)通?；谟布抡婕夹g的理論與先進的微型計算機的相互結合進行分析。因此，仿真技術在信息專業(yè)教學過程中硬件的控制實現(xiàn)中也就有著重要的應用[7]。在實際硬件仿真教學中，基于不同仿真平臺，例如Max+plus、QuartusII等軟件,通過VHDL、VerilogHDL等語言對系統(tǒng)進行設計，同時對系統(tǒng)的物理器件性能進行仿真。在目前很多信息系統(tǒng)的電路設計中，這主要表現(xiàn)為從基于硬件的集成電路模式逐步轉為一些硬件仿真軟件編程來實現(xiàn)的映射模式。
（3）網(wǎng)絡協(xié)議教學中的仿真技術應用。在通常信息學科的網(wǎng)絡協(xié)議教學中，其復雜性已經(jīng)很難通過傳統(tǒng)的數(shù)學分析來完成。而在更高層的協(xié)議設計教學過程中，通信網(wǎng)絡協(xié)議中所涉及的仿真代碼可以將其設為相應通信協(xié)議可以實現(xiàn)的核心代碼。因此，在信息學科教學中，仿真方法在網(wǎng)絡及其協(xié)議的復雜性中也有著重要的應用[9，10]。為了準確、快速地對信息學科教學過程中的網(wǎng)絡協(xié)議性能完成評估。同時，如果采用計算機仿真技術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，通過對實驗室中網(wǎng)絡系統(tǒng)進行建模，從而進一步實現(xiàn)參數(shù)的選擇和調整，并能夠快速模擬系統(tǒng)在真實環(huán)境中的行為表現(xiàn)?；谏鲜龅姆抡婕夹g，可對教學中所應用的信號處理算法、信息傳輸協(xié)議等及其相關性能做出評估以便進一步改進。因此，算法和協(xié)議的仿真成為實際系統(tǒng)中功能實現(xiàn)的重要手段。為了考查網(wǎng)絡系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性和利用效率，在實際的現(xiàn)代信息系統(tǒng)中提出了各種復雜且具有層次結構的協(xié)議，進而構建結合無數(shù)節(jié)點的通信網(wǎng)絡?？梢钥闯?，基于仿真平臺的仿真技術對實際環(huán)境中網(wǎng)絡協(xié)議仿真分析評估中有著不可分割的地位。
總之，在信息學科的教學實踐中，基于平臺的計算機仿真技術有著重要的應用。透過仿真技術，學生基于已有的理論可以對比傳統(tǒng)信息理論技術所研究的對象深入學習和研究。此外，通過仿真技術可以在仿真過程中實時修改系統(tǒng)參數(shù)，同時能夠評估參數(shù)變化對系統(tǒng)整體性能的影響，使其更加接近真實環(huán)境。
常用仿真軟件
目前，在信息學科的實際教學中，適用于系統(tǒng)中各個功能模塊的軟件仿真軟件較多，例如Matlab，Labview，SystemView等。其中，Matlab／Simulink是目前廣泛應用于科研和教學中較為常見的仿真與計算平臺。均可完成教學中所遇到的仿真實驗和數(shù)值計算，例如可以通過Matlab實現(xiàn)信息系統(tǒng)仿真中的數(shù)值計算、算法驗證等分析等領域。而Simulink是Matlab中最重要的組件之一，它對系統(tǒng)能夠提供一個動態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，并具有適應面廣、效率高和靈活等優(yōu)點。此外，Scilab也是一個開放源碼的科學計算仿真軟件。而常用的硬件仿真軟件早些時候所常用的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，在信息科學專業(yè)教學中的工程建模、科學計算以及性能分析等方面有著重要的應用，特別是在信息相關專業(yè)的課程實驗以及畢業(yè)設計中有著廣泛的作用。因此，開設計算機仿真課程能系統(tǒng)地利用科學計算和系統(tǒng)仿真工具，深入理解信息學科中專業(yè)課程的基本思想、原理和實踐。
結語
總之，在現(xiàn)代信息技術的教學過程中，如何更加有效的分析復雜信息系統(tǒng)，并通過仿真實驗對實際信息系統(tǒng)的模塊建模和性能分析對信息學科專業(yè)教學有著不可替代的意義。教學中如何利用各種不同的軟硬件仿真平臺，是將信息學科理論和實踐進行結合的關鍵。同時，仿真技術能夠進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。因此，如何基于信息理論，形象、直觀地將專業(yè)知識生動的傳授給學生，是計算機仿真技術在信息學科教學中最終的目的。
