通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

摘要：針對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱模式和計(jì)算機(jī)仿真模式存在的弊端，探索出新的逐級(jí)提高的三級(jí)教學(xué)模式。首先進(jìn)行模塊化的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行模塊功能自主實(shí)現(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，最后上升為結(jié)合硬件描述語言和硬件平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐表明，新的教學(xué)模式能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和科技創(chuàng)新能力，有效地提高了通信原理的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：通信原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）29-0073-02

通信原理課程是通信工程、信息工程、網(wǎng)絡(luò)工程、信息對(duì)抗等電子信息類專業(yè)的一門重要理論課程，也是一般專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的“橋梁”課程，承擔(dān)著從一般基礎(chǔ)理論到實(shí)踐應(yīng)用、從個(gè)體功能到整體系統(tǒng)的重要過渡，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生通信理論分析與綜合應(yīng)用能力有著非常重要的作用。[1]

然而，該門課程理論性強(qiáng)，公式和相關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁多，許多概念和原理非常抽象，這就需要在理論教學(xué)中合理而高效地引入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將枯燥抽象的概念和原理具體化、形象化。這樣，既可以讓學(xué)生深入地掌握理論知識(shí)，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

一、通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)模式

目前的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的通信原理綜合實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容找到相應(yīng)的電路板模塊，然后按照實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行簡單的連接電路和撥動(dòng)開關(guān)就可以利用示波器觀察輸出波形和相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)操作簡單，驗(yàn)證效果直觀形象，能夠加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的理解。

然而，這種實(shí)驗(yàn)箱模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合思維能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力方面所起的作用不大，主要體現(xiàn)在：第一，學(xué)生在做這類實(shí)驗(yàn)時(shí)往往不考慮實(shí)驗(yàn)原理，不做電路分析，只是機(jī)械地在實(shí)驗(yàn)箱電路板上進(jìn)行連線測試，在預(yù)留的測試點(diǎn)觀察波形和數(shù)據(jù)，甚至波形和數(shù)據(jù)是否正確都不知道。實(shí)驗(yàn)做完后，通過抄寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟和公式，簡單整理數(shù)據(jù)便形成了實(shí)驗(yàn)報(bào)告，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告幾乎是千篇一律。第二，這類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)動(dòng)手調(diào)節(jié)部分少，實(shí)驗(yàn)過程中也幾乎不會(huì)遇到操作難點(diǎn)，這樣經(jīng)過兩到三次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)這種就是“看波形”的實(shí)驗(yàn)不再感興趣，學(xué)習(xí)積極性下降，自然影響對(duì)通信原理理論知識(shí)的理解和掌握。

2.計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)模式，一臺(tái)套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括通信原理綜合實(shí)驗(yàn)箱、示波器、萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、誤碼測試儀等，并且一般情況下需要購置20臺(tái)套才能基本滿足實(shí)驗(yàn)開課需求，花費(fèi)非常大。因此，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)是很好解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)緊張的教學(xué)模式。

通常應(yīng)用于通信原理課程實(shí)驗(yàn)的仿真軟件主要有兩種[2，3]：一是Matlab中的Simulink仿真平臺(tái)。該平臺(tái)可以進(jìn)行交互式的動(dòng)態(tài)仿真，用戶可以利用模塊框圖方便地設(shè)計(jì)出仿真模型，不需要對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行任何的硬件和軟件設(shè)計(jì)，仿真過程簡單，結(jié)果形象。二是System View軟件。利用該軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需從配置的圖符中調(diào)出有關(guān)圖符，進(jìn)行各個(gè)圖符的參數(shù)設(shè)置和相互間的連線，即可進(jìn)行仿真操作，給出分析結(jié)果。

計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式開設(shè)簡單，方式靈活，既可以在多媒體課堂教學(xué)中演示，也可以以作業(yè)的形式讓學(xué)生課后練習(xí)，能很好地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象概念的理解和感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)通信原理理論部分的理解和掌握；然而，計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)模式同傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱模式類似，只能給學(xué)生提供直觀形象的波形展示，理解整個(gè)通信系統(tǒng)的模塊組成，而各模塊功能如何具體實(shí)現(xiàn)學(xué)生仍然未知，限制了學(xué)生從認(rèn)知系統(tǒng)到設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力提高過程。

二、通信原理三級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)上述通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端，筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，摸索出一條行之有效的三級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑打?yàn)證性實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)逐級(jí)提高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。我校的通信原理實(shí)驗(yàn)課程通常包含10課時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)和一周左右的課程設(shè)計(jì)，因此前兩級(jí)實(shí)驗(yàn)安排在課程實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，而綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)安排在課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行。具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如下：

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

該級(jí)實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生掌握各類通信系統(tǒng)的模塊構(gòu)成以及通信信號(hào)在經(jīng)各模塊處理后的波形變化，使學(xué)生對(duì)抽象的通信原理理論有直觀形象的感性認(rèn)識(shí)。這部分實(shí)驗(yàn)可以通過通信原理實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行或者利用更靈活的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)。在此以Simulink平臺(tái)并以DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。首先利用Simulink提供的模塊庫，找到構(gòu)建系統(tǒng)所需的信號(hào)發(fā)生器、DSB AM調(diào)制模塊、高斯信道模塊、DSB AM解調(diào)模塊以及波形顯示模塊（如圖1所示），然后設(shè)置相關(guān)模塊的仿真參數(shù)并連接即可。由于實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)有限，該級(jí)實(shí)驗(yàn)可以分解為課程實(shí)驗(yàn)、課堂演示實(shí)驗(yàn)以及課后作業(yè)式實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能盡可能多地完成一些典型的通信系統(tǒng)。

2.仿真實(shí)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)

初級(jí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以簡單地對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證與演示，但學(xué)生對(duì)模塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)原理缺乏細(xì)節(jié)性認(rèn)識(shí)和掌握，因此也就無法較深刻地理解掌握理論知識(shí)?；诖?，讓學(xué)生脫離仿真軟件模塊，自主實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模塊功能既能促進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的深刻理解，又能增強(qiáng)算法實(shí)現(xiàn)能力，為后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)打下較好的基礎(chǔ)。以圖1為例，DSB AM調(diào)制模塊主要考慮實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的乘積運(yùn)算；高斯信道模塊可以用已調(diào)信號(hào)和高斯噪聲信號(hào)的加法運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)；而DSB AM解調(diào)模塊則除了進(jìn)行待解調(diào)信號(hào)與載波信號(hào)的乘法運(yùn)算外，還需設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)乘積信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。從該例可以看出，只有對(duì)DSB AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)有非常清晰的原理性認(rèn)知，才能有的放矢地設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真性算法；同時(shí)，借助前一級(jí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所觀察到的波形規(guī)律，可以很輕松地對(duì)仿真性的波形結(jié)果進(jìn)行判定，以方便算法中相關(guān)參數(shù)和設(shè)計(jì)性結(jié)構(gòu)的調(diào)試。顯然，這一過程對(duì)通信原理相關(guān)知識(shí)從理論到實(shí)踐有了更透徹清晰的理解和掌握。

3.綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

通常情況下，學(xué)生在學(xué)習(xí)通信原理課程前已經(jīng)學(xué)習(xí)過有關(guān)EDA技術(shù)的課程。EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，它以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，采用硬件描述語言，以可編程器件為實(shí)驗(yàn)載體，可實(shí)現(xiàn)源代碼編程、自動(dòng)邏輯編譯、邏輯分割、邏輯綜合、布局布線、邏輯優(yōu)化和仿真等功能，并以ASIC、SOC芯片為目標(biāo)器件，是以電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動(dòng)化的設(shè)計(jì)技術(shù)。[4]因此，將EDA技術(shù)引入到綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，也需要利用硬件描述語言（如VHDL語言）進(jìn)行軟件編程，是學(xué)生硬件和軟件綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

為方便說明，以簡單的振幅鍵控（ASK）解調(diào)系統(tǒng)為例，其相應(yīng)的建模方框圖如圖2所示。解調(diào)器包括分頻器、計(jì)數(shù)器、寄存器和判決器等。分頻器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻得到與發(fā)端數(shù)字載波相同的數(shù)字載波信號(hào)；寄存器在時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)把數(shù)字ASK信號(hào)存入到寄存器中；計(jì)數(shù)器利用分頻器輸出的載波信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)，在其上升沿到來時(shí)對(duì)寄存器中的ASK載波個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值m > 3時(shí)輸出為“1”，否則輸出為“0”；判決器以數(shù)字載波作為判決時(shí)鐘，對(duì)計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，并輸出解調(diào)后的基帶信號(hào)。根據(jù)上述建模思想進(jìn)行VHDL語言編程，然后進(jìn)行編譯和時(shí)序仿真后，下載到FPGA目標(biāo)器件中，以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)功能。

該級(jí)實(shí)驗(yàn)主要采用課程設(shè)計(jì)的形式，也可以以科技創(chuàng)新活動(dòng)的形式開展。時(shí)間相對(duì)充裕，學(xué)生可以有充分的時(shí)間查找資料，論證設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過該級(jí)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為學(xué)生以后進(jìn)入工作崗位提供很好的動(dòng)手鍛煉機(jī)會(huì)。

三、三級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇虒W(xué)成效

多年來，筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，兼顧理論教學(xué)需要和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不斷調(diào)整上述各級(jí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和要求，取得了明顯的成效。首先，通信原理課程的學(xué)習(xí)興趣提高，課程不及格率呈逐年下降趨勢；其次，學(xué)生進(jìn)行電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣明顯增強(qiáng)，報(bào)名參加校級(jí)和全國性電子設(shè)計(jì)大賽的人數(shù)逐年增加，也取得了較好的成績。如2013年有15組學(xué)生分別獲得全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽湖北賽區(qū)一、二、三等獎(jiǎng)；再次，考研學(xué)生以通信原理作為專業(yè)課的人數(shù)逐年增加，畢業(yè)論文選題為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的也明顯增多。

四、結(jié)語

采用三級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，由易到難，循序漸進(jìn)推進(jìn)通信系統(tǒng)的認(rèn)知和設(shè)計(jì)，能有效克服學(xué)生的畏難情緒，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能更深刻地理解和掌握通信原理相關(guān)理論和知識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工作實(shí)踐打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]達(dá)新宇，陳校平，邱偉，等.通信原理實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].第二版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[2]張水英，徐偉強(qiáng).通信原理及Matlab/Simulink仿真[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3]羅衛(wèi)兵，孫樺，張捷.System View動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[4]段吉海，黃智偉.基于CPLD/FPGA的數(shù)字通信系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：王祝萍）