通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新研究

【摘 要】實(shí)驗(yàn)是通信原理課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，本文在對(duì)該課程一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、原則基礎(chǔ)上，根據(jù)通信新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，探索并規(guī)劃了一些系統(tǒng)級(jí)開發(fā)性實(shí)驗(yàn)，為通信原理教學(xué)提供新思路。

【關(guān)鍵詞】通信原理實(shí)驗(yàn) 通信新技術(shù) 探索 開發(fā)性實(shí)驗(yàn)

通信原理是通信與信息工程學(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，其內(nèi)容繁多復(fù)雜、涉及面廣、技術(shù)發(fā)展快，數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)和抽象概念多，不易理解。對(duì)于通信原理課程的教學(xué)，僅僅依托傳統(tǒng)教學(xué)模式的理論講授是不夠的，理論講授與實(shí)驗(yàn)并舉，已成為全國(guó)高校的普遍模式，而且通信專業(yè)越強(qiáng)的高校，其實(shí)驗(yàn)課時(shí)比重就越大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就越豐富。

通信理論發(fā)展很快，在日常生活通信系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用的QPSK、MSK、GMSK等調(diào)制方式的無線傳輸系統(tǒng)，已無法在簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行全系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，但若只依靠教員講解原理這樣的傳統(tǒng)教學(xué)方式，又而造成教學(xué)項(xiàng)目缺失，且教員難教、學(xué)員難學(xué)等教學(xué)效率低下問題。針對(duì)這一突出問題，已開設(shè)了大量地原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于那些學(xué)習(xí)有余力、追求更高學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)員來講還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了化解這一矛盾，同時(shí)響應(yīng)素質(zhì)教育改革的號(hào)召，在原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)就顯得十分必要。

目前，幾乎所有實(shí)際應(yīng)用的無線通信系統(tǒng)，都采用了超大規(guī)模集成電路與軟件數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，這實(shí)質(zhì)上是軟件無線電思想的具體應(yīng)用。自主開發(fā)性實(shí)驗(yàn)則也順應(yīng)了大量使用ARM、FPGA、CPLD和DSP等超大規(guī)模集成電路與軟件數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)通信功能這一新趨勢(shì)，在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上增設(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)、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)等，這些實(shí)驗(yàn)主要供研究生和做畢設(shè)的本科生在教員指導(dǎo)下使用，但這些實(shí)驗(yàn)并不像原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一樣，有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等實(shí)驗(yàn)詳細(xì)操作流程，可供參考的資料僅僅是原理資料和完成目標(biāo)。

幀同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中重要組成部分，又被稱為時(shí)鐘同步或時(shí)鐘恢復(fù)。在接收數(shù)字信號(hào)時(shí)，為了對(duì)接收碼元積分以求得碼元能量以及每個(gè)接收碼元抽樣判決，必須知道每個(gè)接收碼元準(zhǔn)確的起止時(shí)刻[1]。在設(shè)置開發(fā)性實(shí)驗(yàn)伊始，以循序漸進(jìn)為原則，設(shè)定了幀同步實(shí)驗(yàn)、卷積編譯碼器實(shí)驗(yàn)、GMSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等?，F(xiàn)就幀同步實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)講解開發(fā)性實(shí)驗(yàn)的操作過程。首先，將學(xué)員納入某科研小組（組長(zhǎng)為負(fù)責(zé)該實(shí)驗(yàn)的教員），接受小組管理；其次，將實(shí)驗(yàn)過程中需要用到的資料（鎖相環(huán)相關(guān)資料）、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（FPGA試驗(yàn)箱）交給學(xué)員，并根據(jù)學(xué)員自身知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)難易程度給出一段時(shí)間（一般不超過一周）對(duì)這些資料進(jìn)行學(xué)習(xí)、消化，完成后，學(xué)員以文檔形式要給出數(shù)字鎖相環(huán)總體設(shè)計(jì)框圖和具體實(shí)現(xiàn)方案，再通過小組討論，確定完整方案后即可付諸實(shí)施（從小組討論到確定方案最多不超過3天）；再次，由小組組長(zhǎng)根據(jù)方案和實(shí)驗(yàn)難易程度情況將實(shí)驗(yàn)分成若干環(huán)節(jié)，并要求他們?cè)谝?guī)定時(shí)間內(nèi)（每環(huán)節(jié)一般不超過一周）完成每一環(huán)節(jié)既定目標(biāo)；最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中得到的數(shù)據(jù)、調(diào)試記錄、文檔等給出1～2天時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和總結(jié)。

假定將某位學(xué)員納入某科研小組后，經(jīng)過一周時(shí)間資料重點(diǎn)學(xué)習(xí)后，最終確定如圖1所示開發(fā)性實(shí)驗(yàn)——數(shù)字鎖相環(huán)的原理實(shí)現(xiàn)框圖。根據(jù)框圖小組組長(zhǎng)可將數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)分成四個(gè)階段，分別為：第一階段——鑒相器和N分頻器實(shí)現(xiàn)；第二階段——K變模可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)；第三階段——脈沖加減器實(shí)現(xiàn)；第四階段——系統(tǒng)整體調(diào)試、驗(yàn)證。

在確定以上四階段后，即可制定每一階段的實(shí)現(xiàn)周期：第一階段1天，第二和第三階段分別為3天，第四階段4天。每一階段的完成情況都需要小組討論、確定實(shí)際完成既定目標(biāo)情況或修改方案，討論通過后，方可進(jìn)行下一階段。通過以上四階段的進(jìn)行，可以看出這類實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于最后的系統(tǒng)調(diào)試、驗(yàn)證階段。該階段要求將前幾個(gè)相互獨(dú)立的階段成果連接起來，作為一個(gè)完整小系統(tǒng)來調(diào)試，如果這個(gè)小系統(tǒng)還是其他更大系統(tǒng)的一部分時(shí)，要評(píng)估該小系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性、健壯性，就必須將該小系統(tǒng)放入大系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試、驗(yàn)證。如果說前三個(gè)階段是鍛煉學(xué)員的學(xué)習(xí)能力、編程能力、仿真能力，那么在第四階段將小系統(tǒng)放入大系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試、驗(yàn)證，往往是鍛煉學(xué)員調(diào)試能力、故障定位能力、故障排除能力、創(chuàng)新能力最好時(shí)機(jī)，因而需要教員善于引導(dǎo)、善于授漁。從這里也不難看出，開發(fā)性實(shí)驗(yàn)不僅僅是對(duì)學(xué)員各種能力的鍛煉、提高，同時(shí)也是對(duì)教員自身素質(zhì)的一種較高要求。因而，開發(fā)性實(shí)驗(yàn)的開展受益是多方面的。

通過以上例子的詳細(xì)講解，不難發(fā)現(xiàn)開發(fā)性實(shí)驗(yàn)是對(duì)具體通信鏈路的軟硬件模塊化、模塊再設(shè)計(jì)，并對(duì)這些設(shè)計(jì)進(jìn)行了合理有效的規(guī)劃，使學(xué)員能腳踏實(shí)地的完成每一個(gè)過程。這樣不僅可以鞏固書本上的理論知識(shí)，還可以提高學(xué)員對(duì)通信原理課程的創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力和規(guī)劃能力。

利用開發(fā)性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，吸收學(xué)員參加科研和實(shí)驗(yàn)改革，培養(yǎng)學(xué)員分析問題的能力、探索能力和創(chuàng)新能力。開發(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)員，教員應(yīng)鼓勵(lì)他們做自己愛好的項(xiàng)目或組成團(tuán)隊(duì)參加具體的課題或項(xiàng)目研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理（第6版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.