“通信原理”大作業(yè)教學(xué)的探索與實(shí)踐

蔣鈴鴿，蘇胤杰

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海200240)

“通信原理”是通信工程專業(yè)(包括信息工程、電子工程和無線電技術(shù)等專業(yè))的一門主干專業(yè)課［1]。本系在“通信原理”課程教學(xué)改革的過程中，對(duì)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，在安排了傳統(tǒng)的習(xí)題形式的作業(yè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，又特別安排了以軟件仿真形式為主的大作業(yè)。

1 大作業(yè)的內(nèi)容設(shè)置

“通信原理”，主要分為模擬通信和數(shù)字通信兩部分。由于數(shù)字通信發(fā)展迅速，并且已成為當(dāng)前通信發(fā)展的主流，因此它成為本課程越來越重要的內(nèi)容。本文主要圍繞數(shù)字通信的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)本課程大作業(yè)的內(nèi)容，具體包括以下五個(gè)分項(xiàng)。

1)數(shù)字調(diào)制是現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)的重要組成部分，除了數(shù)字幅度調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制這三種基本的調(diào)制方式以外，近年來又陸續(xù)出現(xiàn)了一些新的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，如QAM和MSK等，這些內(nèi)容都是本課程教學(xué)的重點(diǎn)。大作業(yè)首先要求學(xué)生編程產(chǎn)生一組隨機(jī)的0、1二進(jìn)制比特序列，分別用2ASK，2FSK，2PSK和2DPSK四種調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制參數(shù)自定，并要求給出前16個(gè)比特所對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形;在此基礎(chǔ)上，大作業(yè)進(jìn)一步要求對(duì)QAM和MSK這兩種調(diào)制技術(shù)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，觀察和記錄實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)域信號(hào)。

2)為了加深學(xué)生對(duì)通信中隨機(jī)信號(hào)和噪聲的基本概念以及與之相關(guān)的隨機(jī)過程和概率分布的數(shù)學(xué)知識(shí)的理解，課內(nèi)大作業(yè)要求學(xué)生通過查找相關(guān)資料，編寫高斯白噪聲的產(chǎn)生函數(shù)，通過仿真實(shí)驗(yàn)，觀察和記錄疊加高斯白噪聲后的已調(diào)信號(hào)波形，直觀地體驗(yàn)實(shí)際通信中噪聲對(duì)傳輸信號(hào)的影響。

3)數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)的解調(diào)分為相干和非相干兩種方式，并且不同的數(shù)字調(diào)制方式所對(duì)應(yīng)的接收機(jī)解調(diào)模型也有所區(qū)別。為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各種解調(diào)模型的記憶，加深其對(duì)解調(diào)原理的理解，大作業(yè)首先要求學(xué)生分別給出2ASK，2FSK，2PSK和2DPSK四種已調(diào)信號(hào)通過高斯白噪聲信道后的相干解調(diào)和(或)非相干解調(diào)的原理框圖，給出判決前觀測(cè)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式;隨后通過編程，仿真實(shí)現(xiàn)各模型的解調(diào)過程。對(duì)于無法進(jìn)行非相干解調(diào)的某些調(diào)制方式，要求學(xué)生在作業(yè)報(bào)告中闡述原因，以此幫助其理解相干和非相干這兩種解調(diào)方式的區(qū)別，從而能正確地掌握它們的應(yīng)用。

4)為了使學(xué)生掌握數(shù)字通信中接收機(jī)的判決原理和方法，加深對(duì)抗噪聲性能的理解，大作業(yè)要求學(xué)生根據(jù)接收機(jī)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過編程，仿真實(shí)現(xiàn)各接收模型的判決過程，并且從判決結(jié)果統(tǒng)計(jì)出各自在不同比特信噪比(Eb/N0)下的誤比特率(Pb)，從而給出Pb與Eb/N0(dB)的曲線。

5)大作業(yè)要求學(xué)生將4)中仿真得到的誤比特率曲線與各自的理論值曲線進(jìn)行比較和分析;還要求比較和討論1)和3)中各調(diào)制與解調(diào)方式的差錯(cuò)性能差異。

作為輔助“通信原理”課程教學(xué)的一種作業(yè)形式，該大作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)之一在于其內(nèi)容的安排可以具有一定的靈活性。因此，針對(duì)本課程教學(xué)中反映出的新情況以及對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的新要求，我們還在不斷豐富和完善大作業(yè)的內(nèi)容。例如，作為當(dāng)前流行的圖形化開發(fā)環(huán)境，LabVIEW實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)建程序模塊化，易于調(diào)試、理解和維護(hù)，而且程序編程簡單、直觀［4]。在我們的課堂教學(xué)中，基于LabVIEW的教學(xué)演示已收到良好的效果。有此基礎(chǔ)，我們準(zhǔn)備圍繞課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)前通信發(fā)展的新技術(shù)，在今后的大作業(yè)內(nèi)容設(shè)置上增加基于LabVIEW平臺(tái)的仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)一步豐富課內(nèi)大作業(yè)的內(nèi)容。

2 大作業(yè)的開展形式

大作業(yè)以軟件仿真實(shí)驗(yàn)為主要形式，是對(duì)傳統(tǒng)的書面習(xí)題型作業(yè)的一種補(bǔ)充。大作業(yè)不同于常規(guī)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，其具有更加靈活新穎的開展形式，充分賦予了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。作業(yè)開展采用如下形式。

1)本課程的大作業(yè)由學(xué)生以小組為單位，兩人一組，自行組合。課內(nèi)布置后利用課外時(shí)間完成。在完成作業(yè)的過程中，鼓勵(lì)小組之間進(jìn)行交流與討論，提出問題，拓展思路。

2)在大作業(yè)進(jìn)行的過程中，教師與學(xué)生之間通過電子郵件進(jìn)行交流，我們鼓勵(lì)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)展開討論和學(xué)習(xí)。我系的信息傳輸與處理實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器上開設(shè)了專門的ftp空間，向?qū)W生發(fā)布有關(guān)大作業(yè)的說明資料，并且針對(duì)作業(yè)進(jìn)行過程中學(xué)生提出的共性問題，及時(shí)地反饋指導(dǎo)意見。

3)為了提高學(xué)生獨(dú)立思考能力，我們鼓勵(lì)學(xué)生用所掌握的C、C++、Matlab及Java等不同編程語言進(jìn)行嘗試，以期達(dá)到實(shí)驗(yàn)方法的多樣化［3]。

4)我們還鼓勵(lì)學(xué)生在完成大作業(yè)安排的限定任務(wù)以外，對(duì)本課程內(nèi)其他一些感興趣的內(nèi)容自主地進(jìn)行編程仿真、驗(yàn)證和研究。

5)學(xué)生在完成大作業(yè)后應(yīng)提交一份報(bào)告，作為大作業(yè)成績?cè)u(píng)定的依據(jù)。該成績最終作為平時(shí)成績的一部分計(jì)入“通信原理”課程的總成績。在作業(yè)報(bào)告中，學(xué)生可以將大作業(yè)過程中的心得和體會(huì)向教師反饋。我們也會(huì)根據(jù)學(xué)生的建議，進(jìn)一步調(diào)整和完善大作業(yè)設(shè)計(jì)。

3 大作業(yè)的積極作用

1)目的明確，形式新穎，我們利用了當(dāng)前學(xué)生熱衷于借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)“通信原理”課程的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生通過校園網(wǎng)，在我校的電子布告欄系統(tǒng)上就大作業(yè)的相關(guān)內(nèi)容展開了熱烈的討論，其中涌現(xiàn)出不少好的觀點(diǎn)和方法。

2)仿真實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比分析可以加深學(xué)生對(duì)書本上理論知識(shí)的理解。例如，在2ASK非相干解調(diào)時(shí)，學(xué)生將仿真得到的誤碼率曲線與理論值曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在小信噪比時(shí)有所偏差。學(xué)生明確了課本上給出的理論公式是在大信噪比條件下的近似公式。部分學(xué)生還通過查閱資料和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，獲得了精確表達(dá)式，并通過編程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

3)用數(shù)學(xué)方法解決具體問題

例如，數(shù)字帶通系統(tǒng)可以采用不同的調(diào)制和解調(diào)方式來實(shí)現(xiàn)，然而在不同的方式下推導(dǎo)判決門限與差錯(cuò)概率所使用的基本的數(shù)學(xué)方法是相同的。

4)引導(dǎo)學(xué)生鉆研專業(yè)知識(shí)，擴(kuò)大知識(shí)面

例如，本課程教材沒有涉及高斯白噪聲的產(chǎn)生方法，在大作業(yè)開展過程中，學(xué)生在老師的提示下通過查閱相關(guān)的資料，根據(jù)瑞利變量與高斯變量之間的聯(lián)系，編程實(shí)現(xiàn)了高斯白噪聲的產(chǎn)生函數(shù)。

5)提高分析和解決綜合性問題的能力

例如，學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同調(diào)制和解調(diào)方式的誤比特率曲線，對(duì)各種方式的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及差錯(cuò)性能進(jìn)行總結(jié)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將調(diào)制、AWGN信道和接收解調(diào)綜合成完整的數(shù)字帶通系統(tǒng)，通過編程予以實(shí)現(xiàn)。

6)對(duì)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了輔助作用

該作業(yè)形式使得學(xué)生可以利用相對(duì)充裕的課外時(shí)間，加深對(duì)課程重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容的理解。在培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考和研究性學(xué)習(xí)能力的同時(shí)，又在課堂教學(xué)之外開辟了師生教學(xué)交流的新平臺(tái)

4 結(jié)語

我系“通信原理”課程大作業(yè)的內(nèi)容安排目的明確和規(guī)范，形式新穎，優(yōu)點(diǎn)突出，對(duì)課程教學(xué)起到了重要的輔助作用。教學(xué)實(shí)踐的效果表明，該新穎的作業(yè)形式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生更好地理解和掌握了課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，理清了眾多知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，有效地提高了教學(xué)的質(zhì)量。同時(shí)還促進(jìn)了學(xué)生的獨(dú)立思考，培養(yǎng)和增強(qiáng)了學(xué)生研究性學(xué)習(xí)以及分析、解決綜合性問題的能力。學(xué)生在受益的同時(shí)也積極獻(xiàn)策，提出了許多有益的建議。我們將在增強(qiáng)大作業(yè)內(nèi)容的豐富性、新穎性等方面繼續(xù)努力，使這一新穎的作業(yè)形式得到進(jìn)一步的完善。

［1] 韓聲棟，蔣鈴鴿，劉偉.通信原理［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008

［2] 姚遠(yuǎn)，董世龍，凌毓?jié)?，吳彥文，姜玲?“通信原理”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(3)

［3] 蔣鈴鴿，黃繼翔.“通信原理”多元化教學(xué)的探索實(shí)踐［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，3(31)

［4] 劉翠響，王寶珠，賈志成.LabVIEW在“高頻電子線路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6)