數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探

摘 要：文章就驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)將SystemView通信仿真軟件引入到綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最后增加了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)踐證明，以上方法很好的解決了數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

關(guān)鍵詞：通信原理課程 實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)改革 實(shí)踐創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

數(shù)字通信原理是電子信息類專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，該課程的特點(diǎn)是：理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)表達(dá)式多，概念籠統(tǒng)復(fù)雜，而相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，不僅可以幫助學(xué)生理解和掌握該課程的基本內(nèi)容，而且還可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，如何更好地開展數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的綜合能力具有重要意義。

目前，我校的數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)仍停留在實(shí)驗(yàn)箱這種傳統(tǒng)的硬件設(shè)備上，學(xué)生只需進(jìn)行連線操作，然后使用示波器測(cè)量波形即可完成。這種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一，實(shí)驗(yàn)電路極少采用現(xiàn)行的邏輯編程器件或數(shù)字信號(hào)處理芯片，有的雖然采用了邏輯編程器件，但信號(hào)已經(jīng)在這種器件中編好，學(xué)生無(wú)法真正使用這些邏輯編程器件或數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)效果有限。在實(shí)驗(yàn)性質(zhì)上，大多都采用“N+1”的模式，“N”為驗(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的學(xué)習(xí)積級(jí)性不高，而“1”為綜合性實(shí)驗(yàn)，這種模式缺少設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法滿足學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)平臺(tái)的選取上，采用軟硬件相結(jié)合的辦法，以實(shí)驗(yàn)箱為硬平臺(tái)，將CPLD/FPGA可編程器件引入進(jìn)來(lái)，強(qiáng)化學(xué)生的硬件編程能力。同時(shí)將SystemView通信仿真軟件作為軟平臺(tái)，構(gòu)建模塊化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，充分利用各種平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲扇　膀?yàn)證性實(shí)驗(yàn)”+“綜合性實(shí)驗(yàn)”+“設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”，不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲扇〔煌膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，改進(jìn)教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析和解決問(wèn)題，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

一、結(jié)合電子技術(shù)基礎(chǔ)理論，改進(jìn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

1 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，是為了幫助學(xué)生理解數(shù)字通信原理課程中抽象的原理和復(fù)雜的概念。比如：脈沖編碼調(diào)制PCM編譯碼原理、增量調(diào)制編譯碼系統(tǒng)和糾錯(cuò)譯碼實(shí)驗(yàn)等。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選取上，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備，每個(gè)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排上緊跟相應(yīng)的理論教學(xué)，這要求實(shí)驗(yàn)教師與理論課老師緊密協(xié)作，有助于學(xué)生及時(shí)消化課堂上還不太理解的知識(shí)點(diǎn)。此類實(shí)驗(yàn)主要由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟自主完成，所以在編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書時(shí)應(yīng)適當(dāng)加入相應(yīng)的通信原理理論，同時(shí)要求學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生某種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

2 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

實(shí)驗(yàn)電路一般由很多元器件和各種專用集成芯片組成。由于這些元器件和芯片本身的特性，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)難免會(huì)遇到這樣或是那樣的問(wèn)題，此時(shí)我們會(huì)引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析出現(xiàn)問(wèn)題的原因，然后解決問(wèn)題，真正做到將理論與實(shí)踐相結(jié)合，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如：在做PCM編譯碼時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要先將CPLD可編程芯片產(chǎn)生的方波送人同步信號(hào)源模塊轉(zhuǎn)換成正弦波，然后將這個(gè)正弦波作為模擬信號(hào)送入到PCM編碼輸入端，有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)經(jīng)方波轉(zhuǎn)換出來(lái)的正弦波出現(xiàn)了嚴(yán)重的頂部失真，而有些則出現(xiàn)了底部失真的問(wèn)題。這時(shí)，教師不應(yīng)該只指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整電路中的某個(gè)元件來(lái)解決問(wèn)題，而應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和高頻電子線路等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)分析電路圖，找到產(chǎn)生問(wèn)題的原因。實(shí)際上這個(gè)問(wèn)題是由于送入到同步信號(hào)源模塊輸出級(jí)射級(jí)跟隨器的信號(hào)幅值過(guò)大或過(guò)小造成，射級(jí)跟隨器采用三級(jí)管實(shí)現(xiàn)，在模擬電子技術(shù)中，輸人電壓幅值過(guò)大會(huì)使三級(jí)管器件工作在截止?fàn)顟B(tài)，而輸入電壓幅值過(guò)小會(huì)使之工作在飽和狀態(tài)。教師在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)，不光要讓學(xué)生知道解決問(wèn)題的方法，而且還要讓學(xué)生明白為什么要這樣做，只有這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)才有熱情和積極性。

二、將System view通信仿真軟件引入到綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)

基于System view的通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱相比，更趨于綜合性和系統(tǒng)性，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)所學(xué)通信原理知識(shí)的整體認(rèn)識(shí)，建立系統(tǒng)概念，同時(shí)引導(dǎo)他們向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)過(guò)渡。

1 實(shí)現(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)準(zhǔn)確的模擬仿真

SystemView通信仿真軟件是一款用于構(gòu)建視圖化系統(tǒng)模型的開發(fā)工具，可用于通信類、電子信息類專業(yè)中涉及的系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建、仿真、分析和評(píng)估。它由信號(hào)源、器件庫(kù)、分析工具構(gòu)成。利用SystemView軟件進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要編程，不需要搭建復(fù)雜的硬件電路。反映的物理概念和現(xiàn)象直觀明確，模塊化設(shè)計(jì)便于全面了解系統(tǒng)構(gòu)成和各模塊的功能，對(duì)通信系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)也可重新設(shè)置，分析參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)相應(yīng)輸出信號(hào)的頻域和時(shí)域的波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察分析。實(shí)驗(yàn)得出的信號(hào)波形不會(huì)像實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)那樣存在或多或少的失真和延時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。比如，利用SystemView提供的信號(hào)源、相乘器，濾波器、延遲器、抽樣判決器等功能模塊能準(zhǔn)確的模擬2FSK、2PSK/DPSK等數(shù)字通信系統(tǒng)。

2 使學(xué)生更好地把握通信系統(tǒng)模塊功能，提高學(xué)習(xí)效果

在使用SystemView通信仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真之前，學(xué)生必須對(duì)各模塊的功能非常熟悉。比如，在做2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、2PSK/2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)及眼圖實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先利用SystemView提供的功能模塊組建2FSK、2PSK/DPSK等系統(tǒng)，然后結(jié)合眼圖來(lái)檢測(cè)信道噪聲和碼間串?dāng)_對(duì)各種數(shù)字通信系統(tǒng)通信質(zhì)量的影響，用以加深學(xué)生對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)組成原理的總體把握和理解，依據(jù)模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的所起的具體功能，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)模塊中的重要參數(shù)，如，對(duì)于濾波器模塊，需要設(shè)計(jì)濾波器的類型和帶寬，這樣有助于學(xué)生對(duì)各個(gè)模塊功能的更深層次的理解，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

三、增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1 培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生掌握一定的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，還要求他們能靈活地、創(chuàng)造性地綜合運(yùn)用這些知識(shí)和技能。它在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力方面所起的作用是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)無(wú)法代替的。在進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)注意啟發(fā)引導(dǎo)，發(fā)揮學(xué)生的主體性，對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)非常有效。對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，教師先介紹設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)題目，學(xué)生通過(guò)查資料、咨詢等方式，獨(dú)自設(shè)計(jì)初步方案，計(jì)算實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，要求學(xué)生充分利用通信系統(tǒng)仿真軟件System View，學(xué)生設(shè)計(jì)的方案仿真通過(guò)后，可畫出原理圖，設(shè)計(jì)安裝布線圖，列出元件清單，經(jīng)教師指導(dǎo)修改后，才可開始焊接制作。制作完成后，由學(xué)生獨(dú)自調(diào)試反復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定參數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求后由教師驗(yàn)收。最后，由學(xué)生撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程自始至終由學(xué)生獨(dú)立思考，獨(dú)立設(shè)計(jì)，自己動(dòng)手。

2 因材施教地設(shè)置設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

由于學(xué)生的基礎(chǔ)和專長(zhǎng)不同，我們?cè)诎才旁O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容時(shí)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目的難度是有所區(qū)別的，以便于學(xué)生根據(jù)自身特點(diǎn)來(lái)選擇適合自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最大限度地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。例如：

課題1 時(shí)分復(fù)用TDMA硬件系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

要求：設(shè)計(jì)一個(gè)含有兩路用戶的TDMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，輸出的兩路時(shí)分復(fù)用信號(hào)波形觀察直觀，明了，盡量不失真，沒(méi)有毛刺和抖動(dòng)，波形穩(wěn)定性效果好；采用PCM編譯碼芯片TP3067搭試電路；主時(shí)鐘工作在2048kHZ，幀同步脈沖為8kHZ脈沖序列，編碼時(shí)鐘為2048kHZ，這些信號(hào)要求采用CPLD／FPGA可編程器件實(shí)現(xiàn)；傳輸?shù)膬陕酚脩粜畔⒎謩e用正弦波信號(hào)和三角波信號(hào)模擬。

課題2 用同步正交鎖相環(huán)提取位同步信號(hào)的硬件電路設(shè)計(jì)

要求：設(shè)計(jì)一個(gè)PSK調(diào)制解調(diào)器，要求調(diào)制器輸出的載波失真度<3％，在無(wú)干擾時(shí)，解調(diào)器能正確還原輸入調(diào)制器的偽隨機(jī)碼，提取出的位同步信號(hào)波形沒(méi)有毛刺和抖動(dòng)，波形穩(wěn)定性效果好；調(diào)制載波為1024kHZ正弦波，輸入調(diào)制器的數(shù)字基帶信號(hào)采用周期為15的偽隨機(jī)碼，其速率為32kb/s，這些信號(hào)要求用CPLD/FPGA可編程器件實(shí)現(xiàn)。

其中，課題1要求學(xué)生初步掌握了PCM編譯碼原理后，綜合運(yùn)用此原理來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，要求采用CPLD/FPGA可編程器件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)也較簡(jiǎn)單，專門針對(duì)基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，而課題2要求學(xué)生熟練的掌握PSK調(diào)制解調(diào)原理和鎖相環(huán)的用法，然后才可能設(shè)計(jì)電路，且要求采用可編程器件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)也較復(fù)雜，專門針對(duì)基礎(chǔ)較扎實(shí)、硬件編程能力強(qiáng)的學(xué)生。綜上所述，它們滿足了不同層次的學(xué)生自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，達(dá)到了因材施教的目的。

四、結(jié)束語(yǔ)

在近兩年的數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過(guò)程中，采用這種軟硬件相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，注重引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決問(wèn)題，同時(shí)增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力也得到了顯著增強(qiáng)。

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(文字編輯、責(zé)任校對(duì)：龐龍斌)