通信原理實驗教學(xué)改革與實踐

許正榮，賈賢龍，李 陽，陳祎瓊

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計算機(jī)學(xué)院，安徽合肥 230036；2.合肥工業(yè)大學(xué)實驗室與裝備處，安徽合肥 230009）

通信原理實驗課程是通信、電子信息工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)實驗課，是通信原理課程教學(xué)工作的重要組成部分。隨著現(xiàn)代通信和計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字通信和通信新技術(shù)的研究將更為重要，也給通信原理的實驗教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，部分學(xué)校通信原理實驗課的開展方式主要是利用實驗箱教學(xué)，電路結(jié)構(gòu)相對固定，多數(shù)實驗只需作導(dǎo)線連接和可變電阻器的更換與阻值的調(diào)節(jié)，學(xué)生獨立思考和自主設(shè)計實驗的機(jī)會很少，也很難收到理想的教學(xué)效果［1］。

我校的專業(yè)設(shè)置大多以農(nóng)業(yè)為主，通信與電子信息工程專業(yè)通信原理實驗課的開設(shè)僅有七八年時間，在實驗教學(xué)上存在著實驗室建設(shè)規(guī)模小、實驗知識點單一、實驗設(shè)備需要更新等問題。同時，通信原理課程涵蓋知識面較廣，主要涉及高頻電子線路、信號與系統(tǒng)、隨機(jī)過程等課程［1］，概念多而難以理解，學(xué)生很難做到得心應(yīng)手。為了進(jìn)一步提高通信原理實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生成為具有科學(xué)思維方法和較強(qiáng)動手能力的高素質(zhì)的工程技術(shù)人才，我們從多個方面完善和改革該課程的實驗教學(xué)，并以2FSK（二進(jìn)制頻移鍵控）信號［2］的產(chǎn)生及FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實現(xiàn)為例，闡述多種方法結(jié)合在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢。

1 教學(xué)內(nèi)容

當(dāng)前，數(shù)字通信、通信新技術(shù)以及現(xiàn)代通信的網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化和智能化將成為時代前進(jìn)的主要標(biāo)志。為了提高專業(yè)的適應(yīng)性、培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，通信原理實驗課程的教材和教學(xué)內(nèi)容必須與科技發(fā)展同步。因此，我們認(rèn)真分析研究了國內(nèi)外多種與該課程相關(guān)的經(jīng)典教材，結(jié)合我校通信類專業(yè)的辦學(xué)特色和學(xué)分制教學(xué)特點，自編了一套實驗教材。同時，我們在內(nèi)容設(shè)置上從2個方面進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修改。

首先，我們將實驗內(nèi)容進(jìn)行分類，設(shè)置為基礎(chǔ)型和提高型實驗?；A(chǔ)型實驗以實驗箱上的驗證實驗為主，包括各個單一知識點的演示、2個或多個知識點的簡單綜合，例如單一的數(shù)字調(diào)制實驗等。而提高型實驗則以軟件仿真為主，輔之硬件驗證與測試環(huán)節(jié)，主要包括各個知識點的設(shè)計性與綜合性實驗［3］，例如數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)實驗等。其次，針對我校學(xué)生自身存在的差異性，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上適當(dāng)采用“菜單式”實驗，保證不同程度的學(xué)生“吃飽吃好”。對于基礎(chǔ)知識薄弱的學(xué)生，可以通過完成全部基礎(chǔ)型實驗和小部分提高型實驗而達(dá)到學(xué)習(xí)目的；對于學(xué)有余力和潛心鉆研的學(xué)生，則可以在完成實驗教學(xué)要求的前提下，再根據(jù)自己的興趣和特長，選擇合適的提高型實驗，實現(xiàn)自己的目標(biāo)。通過教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置，不同程度的學(xué)生都可以循序漸進(jìn)地掌握實驗方法，提高實驗技能。

2 教學(xué)手段

2.1 注重基礎(chǔ)型實驗，以提高動手能力

對于基礎(chǔ)型實驗，我們注重提高實驗教學(xué)的理論層次，讓學(xué)生掌握通信原理實驗中的基本概念、基本電路和基本方法，培養(yǎng)他們綜合運用各種實驗調(diào)試方法與技能。每次實驗課，在教師的指導(dǎo)下，將學(xué)生分成1～2人的小組，每小組成員獨立完成實驗電路圖分析、導(dǎo)線連接、數(shù)據(jù)測試與實驗記錄，實驗完成后每位學(xué)生都必須分析數(shù)據(jù)、遞交實驗報告。在本學(xué)期結(jié)束之前隨機(jī)抽取實驗，適當(dāng)增減限制條件進(jìn)行實驗測試，并作為實驗考核的內(nèi)容之一。通過基礎(chǔ)實驗的訓(xùn)練，絕大多數(shù)學(xué)生的動手操作能力都得到了明顯的提高。

2.2 加強(qiáng)提高型實驗，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子線路的傳統(tǒng)設(shè)計方法逐漸被現(xiàn)代設(shè)計方法所替代。而運用Matlab、SystemView、LabView、QuartusⅡ等仿真軟件在現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計中顯得越來越重要［3－6］。當(dāng)然，對于不同的軟件仿真手段在教學(xué)仿真演示中的優(yōu)點和不足，需要根據(jù)教學(xué)仿真目的的不同而進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。例如，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用不同糾錯編碼方式的目的是提高通信系統(tǒng)的可靠性，而糾錯編碼的理論性很強(qiáng)，許多概念也較難理解。為此在讓學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的同時，輔之驗證性、設(shè)計性、研究性的實驗是非常必要的。我們選用糾錯編碼中較典型的一種糾錯編碼——循環(huán)碼，在Qu－artusⅡ軟件中進(jìn)行實驗的設(shè)計輸入、仿真驗證、編程下載和硬件測試，簡單靈活地讓學(xué)生體驗了差錯控制的全過程［5］。基于軟件仿真的實驗教學(xué)，使每個通信原理實驗都具有非常好的系統(tǒng)性和靈活性，從而可以大大提高學(xué)生對實驗的興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

2.3 結(jié)合科研活動，以升華教學(xué)效果

科研活動本身是一種在已有知識基礎(chǔ)上進(jìn)行的探索性活動，先前所學(xué)知識和積累的經(jīng)驗在科研工作中會被直接或間接利用。在大學(xué)實驗教學(xué)過程中，一定要重視對學(xué)生科研能力的培養(yǎng)，并將那些與授課內(nèi)容關(guān)聯(lián)的科研成果內(nèi)化為教學(xué)內(nèi)容，以實際問題引出思考，讓學(xué)生看到和學(xué)到所學(xué)知識的應(yīng)用。例如在2FSK 教學(xué)中，產(chǎn)生相位連續(xù)的2FSK 的方法主要有傳統(tǒng)的壓控振蕩器法和現(xiàn)代的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），我們選用現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的方法（科研課題的一部分），將多門課程（如可編程邏輯器件的應(yīng)用、信號處理、自動化、數(shù)學(xué)等）及多種軟件（如Matlab 中的DSPBuilder、simulink、modelsim、quartus2、labview 等）相結(jié)合，多方法、多渠道去解決問題，既讓學(xué)生提高了將所學(xué)理論知識轉(zhuǎn)化為認(rèn)識和解決實際問題的能力，也在較大程度上激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力。

另外，積極鼓勵學(xué)生參加課外科技活動也是運用科研活動促進(jìn)教學(xué)的很好的方式之一。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以參與多種創(chuàng)新大賽，例如，大學(xué)生科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生電子大賽、建模大賽等。這些活動有利于學(xué)生擴(kuò)大知識面，建立合理的知識結(jié)構(gòu)，同時，也能讓學(xué)生將所學(xué)知識串聯(lián)起來，進(jìn)而提高動手能力、創(chuàng)新能力、概括能力、文字表達(dá)能力，甚至溝通能力。

3 教學(xué)實踐

產(chǎn)生2FSK 信號是現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)中的一個典型實驗，2FSK 有相位不連續(xù)（discrete phase frequency shift keying，記作DPFSK）和相位連續(xù)（continuous phase frequency shift Keying，記作CPFSK）2種類型，CPFSK 具有較高的頻譜利用率和恒包絡(luò)特性。對于二進(jìn)制DPFSK 實驗，我們可以在實驗箱上直接完成，而二進(jìn)制CPFSK，我們則采用一種新型的頻率合成技術(shù)——DDS（direct digital synthesizer），即直接數(shù)字合成器。主要是運用DDS方法生成頻率可控的正弦信號，利用數(shù)字基帶信號控制DDS的頻率字輸入，從而產(chǎn)生相位連續(xù)的調(diào)制波形［7－11］。

3.1 設(shè)計流程

利用Altera公司的DSP 開發(fā)工具DSP Builder建立的二進(jìn)制CPFSK 信號產(chǎn)生模型，將Matlab／Simulink的設(shè)計文件（.mdl）轉(zhuǎn)成相應(yīng)的硬件描述語言VHDL設(shè)計文件（.vhd），以及用于控制綜合與編譯的TCL腳本，最后由FPGA／CPLD 開發(fā)工具QuartusⅡ來完成［12－13］。設(shè)計流程圖如圖1所示。

3.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

在圖2 所示的二進(jìn)制CPFSK 產(chǎn)生模型中，DDS結(jié)構(gòu)由8位累加器作為相位累加器，采用改變相位增量來控制頻率的方法，可以產(chǎn)生相位連續(xù)的調(diào)制波形。此2FSK 模塊輸出的是無符號的調(diào)制波形（初始值為128），在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)輸出Out8 需要經(jīng)過DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過低通濾波器后產(chǎn)生最終的模擬輸出信號。

圖1 設(shè)計流程圖

圖2 基于DDS的二進(jìn)制CPFSK 信號的產(chǎn)生模型

3.3 實驗仿真

3.3.1 系統(tǒng)級仿真

使用Matlab中的Simulink可以更加方便地對系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時間流的系統(tǒng)級仿真（如圖3所示），使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來。在圖3中，高電平控制的時候，正弦波的頻率較高，而低電平的時候正好相反，高頻約為低頻的4倍。

圖3 Simulink模型仿真波形

3.3.2 RTL級功能仿真

系統(tǒng)驗證仿真正確后，使用 ModelSim 完成VHDL描述的RTL 級功能仿真，生成.mdl文件，是針對具體的硬件結(jié)構(gòu)的。如果不考慮時延，則其RTL功能仿真與系統(tǒng)級仿真結(jié)果完全一致。

3.3.3 門級時序仿真

為了更加精確地反映電路的全部硬件特性，需要進(jìn)行門級的時序仿真。在QuartusⅡ環(huán)境下，先編譯.vhd文件，選擇目標(biāo)器件EP1K30TC144－3［7］，再次編譯、仿真。時序仿真波形如圖4 所示。第一個數(shù)字128為無符號CP2FSK 已調(diào)波形的初始值。

圖4 使用QuartusⅡ的仿真波形

3.4 實驗驗證

最后，我們在實驗箱上測試驗證二進(jìn)制CPFSK的仿真結(jié)果。引腳鎖定后，選擇實驗?zāi)Ｊ?，再將設(shè)計下載到目標(biāo)器件EP1K30TC144－3 中，當(dāng)變換控制鍵為高電平或低電平時，實驗箱上的數(shù)碼管顯示燈分別快閃爍或慢閃爍，即頻率分別為f1（高頻）或f2（低頻）變化；此外，在高速D／A 轉(zhuǎn)換器的輸出端，可以用示波器觀測到相位連續(xù)的2FSK 信號（見圖5）。實驗結(jié)果與理論結(jié)果相比，有一定的時延。

圖5 實驗所得的CP2FSK 信號波形

4 結(jié)束語

在分析我校通信原理實驗教學(xué)特點的基礎(chǔ)上，提出一些完善和改革舉措。并提出一種基于DDS方法產(chǎn)生二進(jìn)制CPFSK 信號的實驗方案，該方案是單純在實驗箱上進(jìn)行驗證性實驗的有益補充與提高，充分體現(xiàn)了軟件仿真在通信原理實驗教學(xué)上的優(yōu)勢，使原本生疏難懂的實驗充滿了靈活性和挑戰(zhàn)性。實踐證明，這些措施的綜合運用在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析和解決問題的能力、正確的思維方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等方面起著不可替代的作用。

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