通信原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與改革

【摘要】實(shí)驗(yàn)是通信原理課的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，本文在對(duì)原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行重新梳理的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信新技術(shù)的發(fā)展，規(guī)劃了系統(tǒng)級(jí)的仿真實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)，為本課的教學(xué)提供了有力的支撐。

【關(guān)鍵詞】通信原理實(shí)驗(yàn) 原理驗(yàn)證 仿真實(shí)驗(yàn) 開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）08-0227-02

通信原理是信息與通信工程學(xué)科的核心骨干課程，主要講授調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼、同步、復(fù)用等原理，知識(shí)點(diǎn)多原理復(fù)雜，概念抽象數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，老師難講好，學(xué)生難學(xué)懂。為了幫助學(xué)生對(duì)原理的理解和提高工程實(shí)踐能力，全國(guó)各高校的通信原理課普遍設(shè)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但大部分高校的實(shí)驗(yàn)都是原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于拓展學(xué)生的視野和激發(fā)他們的創(chuàng)新潛能。根據(jù)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合通信技術(shù)飛速發(fā)展的實(shí)際，并從我院新一輪教學(xué)改革要求出發(fā)，將通信原理課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)做了大幅度的調(diào)整，按原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分類，并對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)改革。

1.原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到與所授原理內(nèi)容相一致的結(jié)果的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就是課堂重點(diǎn)講授的關(guān)鍵性原理，原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生將理論與實(shí)際通信信號(hào)進(jìn)行對(duì)比印證，加深對(duì)通信原理的理解，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)通信電路的具體認(rèn)識(shí)，并可幫助學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的組成及工作過(guò)程產(chǎn)生初步的理解。這類實(shí)驗(yàn)主要包括模擬調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)、多進(jìn)制數(shù)字調(diào)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和編碼與解碼實(shí)驗(yàn)。

1.1模擬調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)

模擬調(diào)制實(shí)驗(yàn)主要包括振幅調(diào)制（AM）、單邊帶調(diào)制（SSB）、雙邊帶調(diào)制（DSB）和頻率調(diào)制傳輸系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可觀察對(duì)比調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的波形，通過(guò)改變參數(shù)設(shè)置，分析通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方法及抗噪聲性能分析，圖1和圖2是雙邊帶調(diào)制的MATLAB仿真過(guò)程及結(jié)果。做此實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生熟悉DSB調(diào)制解調(diào)的原理，獨(dú)立建模并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

1.2多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為順應(yīng)數(shù)字通信系統(tǒng)的多進(jìn)制技術(shù)趨勢(shì)，在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中將傳統(tǒng)的二進(jìn)制改為多進(jìn)制，開(kāi)設(shè)QPSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、π/4DQPSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、MSK及GMSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

QPSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察基帶調(diào)制信號(hào)和QPSK調(diào)制信號(hào)的波形和頻譜，掌握QPSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)方法。

π/4DQPSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，π/4DQPSK調(diào)制是一種正交相移鍵控技術(shù)，它能夠進(jìn)行非相干解調(diào)，從而使接收機(jī)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。在實(shí)驗(yàn)中，觀察π/4DQPSK調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)與基帶信號(hào)波形，分析兩者關(guān)系和調(diào)制信號(hào)頻譜。在增大頻差和減小頻差的情況下，觀察接收端I路和Q路的矢量圖，掌握接收端解調(diào)器眼圖信號(hào)的觀測(cè)和抗噪聲性能分析。

MSK及GMSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，高斯最小頻移鍵控（GMSK）是由最小頻移鍵控（MSK）演變來(lái)的一種簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)制方法，在實(shí)驗(yàn)中將調(diào)制的不歸零（NRZ）數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)調(diào)制高斯脈沖濾波器，使其頻譜中的旁瓣水平進(jìn)一步下降，能量更加集中。觀察GMSK和MSK調(diào)制信號(hào)包絡(luò)和頻譜，通過(guò)增大信道噪聲功率，分析系統(tǒng)的抗噪聲性能，進(jìn)而掌握兩種系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)基本原理。

1.3編解碼實(shí)驗(yàn)

編解碼內(nèi)容主要依靠的是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，其生成矩陣和監(jiān)督矩陣的轉(zhuǎn)換過(guò)程不方便用硬件電路來(lái)體現(xiàn)，而且實(shí)驗(yàn)的直觀性不強(qiáng)，因此多要求學(xué)生編寫程序，并通過(guò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)。要示學(xué)生對(duì)生成矩陣和監(jiān)督矩陣的原理及應(yīng)用有較深刻的理解。圖3和圖4就是（2，1，2）卷積碼編解碼VHDL在ModelSim中的仿真實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

作為以硬件為主的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的補(bǔ)充，增加基于計(jì)算機(jī)的通信仿真實(shí)驗(yàn)。通信仿真軟件可以方便、直觀、形象地構(gòu)建通信系統(tǒng)，提供豐富的集成模塊資源，并具有強(qiáng)大的分析能力，可對(duì)硬件開(kāi)發(fā)提供方案論證和實(shí)踐指導(dǎo)?，F(xiàn)代通信原理仿真實(shí)驗(yàn)可以利用ModelSim、Matlab/Simulink、SystemView等多種通信仿真軟件進(jìn)行原理實(shí)驗(yàn)。例如，分析BFSK系統(tǒng)的輸出信噪比對(duì)誤碼率的影響時(shí)，一方面可以進(jìn)行理論推導(dǎo)，同時(shí)可以進(jìn)行快速仿真，學(xué)生可以任意改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，甚至可以根據(jù)需求改變功能模塊及其連接，通過(guò)設(shè)置不同條件的仿真要求，來(lái)達(dá)到訓(xùn)練考察學(xué)生動(dòng)手能力的目的。

CDMA是一種以擴(kuò)頻調(diào)制為基礎(chǔ)的多址連接技術(shù)，信號(hào)具有隱蔽性、保密性和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信中。以硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的難度很大，但通過(guò)仿真手段可很方便地搭建系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握m序列的產(chǎn)生及其性能分析方法，CDMA產(chǎn)生方法及接收信號(hào)頻譜變化的特點(diǎn)，圖5和圖6分別是系統(tǒng)仿真和信源頻譜圖。

3.開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)

通信理論發(fā)展很快，當(dāng)前通信系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用的QPSK、MSK、GMSK及廣泛應(yīng)用的CDMA等傳輸系統(tǒng)無(wú)法在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，只能依靠老師講解的傳統(tǒng)方式教學(xué)。為了提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，應(yīng)增設(shè)開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)際通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)，并利用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)和制作單元實(shí)驗(yàn)電路。

開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)順應(yīng)了大量使用DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)通信功能的新趨勢(shì)，增設(shè)了在此基礎(chǔ)上的QPSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、π/4DQPSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、MSK及GMSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、CDMA傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、漢明編碼譯碼實(shí)驗(yàn)、可變分頻器實(shí)驗(yàn)、m序列的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)、幀同步實(shí)驗(yàn)、CDMA擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、卷積編碼器實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)具體通信電路的設(shè)計(jì)，提高了學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。

利用開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，吸收學(xué)生參加科研和實(shí)驗(yàn)改革，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力、探索能力和創(chuàng)新能力。開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造思維的一條有效途徑，對(duì)于求知欲強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)興趣濃、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，老師應(yīng)鼓勵(lì)他們做自己愛(ài)好的項(xiàng)目或組成團(tuán)隊(duì)參加具體的課題或項(xiàng)目的研究。

綜上所述，三種類型實(shí)驗(yàn)層次分明、目的明確、循序漸進(jìn)，既有簡(jiǎn)單也有復(fù)雜，既有基礎(chǔ)也有提高，既能鞏固知識(shí)點(diǎn)也能激發(fā)創(chuàng)新思維。本學(xué)期按照這個(gè)實(shí)驗(yàn)課程規(guī)劃實(shí)施，從學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性、掌握知識(shí)點(diǎn)多少、創(chuàng)新能力等角度來(lái)看，已經(jīng)取得明顯的效果。作為新時(shí)期的教育工作者，只有從各個(gè)方向加入新的思維、新的舉措，因材施教，與時(shí)俱進(jìn)，不斷革新，才能將一門基礎(chǔ)理論性強(qiáng)、涉及知識(shí)面廣、技術(shù)更新快的課程教學(xué)水準(zhǔn)進(jìn)一步得到提高。