通信原理課程實(shí)踐教學(xué)探索

王勤?唐紅文?朱翠濤

摘要：針對通信原理課程理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣、抽象概念多的特點(diǎn)，對課程的實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行了探索。有機(jī)地結(jié)合實(shí)驗(yàn)箱、Systemview仿真軟件和FPGA設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)，開展仿真性、驗(yàn)證性以及設(shè)計(jì)性等多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)得到了極大的提高，有效地改善了通信原理實(shí)踐教學(xué)效果。

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

作者簡介：王勤（1982-），男，湖北武漢人，中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，講師；唐紅文（1969-），女，湖北武漢人，中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，副教授。（湖北 武漢 430074）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0192-02

“通信原理”是高等院校電子信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及“信號(hào)與系統(tǒng)”、“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”和“高頻電子線路”等多門先修課程，具有理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣、抽象概念多的特點(diǎn)。[1]學(xué)生對概念往往不易理解，難以建立完整的通信系統(tǒng)知識(shí)體系。為了提高教學(xué)質(zhì)量，很多高校開設(shè)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，使得學(xué)生能夠進(jìn)一步消化課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，加深學(xué)生對通信系統(tǒng)工作原理的理解。[2-5]中南民族大學(xué)屬于民族類高等院校，學(xué)生由多民族組成，對課程知識(shí)的接受程度存在較大差異性。針對這一情況，本著“因材施教，以生為本”的教學(xué)理念，我們對通信原理課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了一定的探索與研究，通過設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，努力提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，取得了滿意的教學(xué)效果。

一、以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，加深學(xué)生對基本概念的理解

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是以實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)，學(xué)生利用相關(guān)測試點(diǎn)完成數(shù)據(jù)記錄與波形觀測并結(jié)合原理進(jìn)行分析驗(yàn)證的一種演示性實(shí)驗(yàn)，是“通信原理”課程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)。在教學(xué)中，教師根據(jù)現(xiàn)代通信理論的發(fā)展趨勢，以數(shù)字通信的基礎(chǔ)理論為重心，按照由淺入深、由簡單到綜合的原則精心設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包含有數(shù)字基帶信號(hào)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、同步技術(shù)、PCM編解碼、時(shí)分復(fù)用數(shù)字基帶/頻帶傳輸通信系統(tǒng)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更好地掌握數(shù)字通信的基本知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)箱了解通信原理的物理實(shí)現(xiàn)方式，有效提高了實(shí)驗(yàn)技能。如在數(shù)字基帶信號(hào)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過示波器觀測了解NRZ碼、AMI碼以及HDB3碼等基帶信號(hào)波形特點(diǎn)，通過修改實(shí)驗(yàn)箱參數(shù)并觀測結(jié)果來比較它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程比理論教學(xué)更加直觀，加深了學(xué)生對數(shù)字基帶信號(hào)相關(guān)概念的理解，教學(xué)效果好。

二、引入仿真性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對通信系統(tǒng)框架的認(rèn)識(shí)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)意在使學(xué)生將課堂上所學(xué)的知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，達(dá)到加深印象、鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的目的，但也存在一定的局限性。如實(shí)驗(yàn)箱硬件模塊固定，靈活度不高；知識(shí)點(diǎn)覆蓋不全面；學(xué)生容易將精力過多關(guān)注在單一測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)上而忽視對通信系統(tǒng)整體模型的思考。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，我們開設(shè)有仿真性實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生通過軟件仿真方式建立通信系統(tǒng)模型，以便更好地理解與掌握通信系統(tǒng)原理。

SystemView是美國ELANIX公司研發(fā)的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，可構(gòu)造出各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字以及模數(shù)混合系統(tǒng)，適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和方案論證。[3]軟件提供豐富的設(shè)計(jì)資源，包含大量的信號(hào)源、接收端、功能塊、算子圖符以及函數(shù)庫，可供用戶調(diào)用；同時(shí)界面友好，用戶只需通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊以及拖動(dòng)圖符便可完成系統(tǒng)的構(gòu)建與仿真分析，無需編程，學(xué)生能夠較快地上手完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，借助SystemView仿真軟件平臺(tái)開設(shè)數(shù)字通信相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括ASK、FSK、PSK以及MSK等多種數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相互印證，有助于學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生利用軟件能夠?qū)νㄐ畔到y(tǒng)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，極大地激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生對系統(tǒng)模型的認(rèn)識(shí)。同時(shí)學(xué)生可通過修改相關(guān)參數(shù)動(dòng)態(tài)地觀察仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而更為直觀形象地理解各種參數(shù)對通信系統(tǒng)性能的影響。此外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確時(shí)，學(xué)生也可在系統(tǒng)中自由加入仿真觀測點(diǎn)，利用逐步分析與測量的方式來排除問題，有效提高了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

以2FSK實(shí)驗(yàn)為例，2FSK是一種通過載波頻率的變化來攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式，其系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)實(shí)現(xiàn)方案有多種。在這里采用鍵控方式調(diào)制基帶信號(hào)，并利用相干解調(diào)法完成解調(diào)，同時(shí)在系統(tǒng)中加入了高斯白噪聲以模擬信道傳輸過程。整體系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)模型如圖1所示。在系統(tǒng)完成搭建后，可通過軟件的分析窗口利用波形、頻譜或眼圖等方式觀測結(jié)果。如觀測2FSK信號(hào)的時(shí)域波形（圖2（a）），調(diào)制信號(hào)的功率譜密度（圖2（b））以及正確相干解調(diào)后獲得的基帶信號(hào)（圖2（c））。整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生更好地理解2FSK系統(tǒng)模型，并能與在實(shí)驗(yàn)箱上所做的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比參考，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、利用FPGA平臺(tái)開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

在課程實(shí)踐教學(xué)過程中，對于學(xué)有余力、愿意潛心鉆研的學(xué)生，為了更好地拓寬他們的視野與知識(shí)面，在完成仿真及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的前提下可以開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)工作。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指老師只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。[4]實(shí)驗(yàn)具有開放性的特點(diǎn)，重在培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、自主學(xué)習(xí)能力和查閱文獻(xiàn)的能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，我們把設(shè)計(jì)與EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢相結(jié)合，考慮到FPGA技術(shù)具有集成度高、速度快和現(xiàn)場可編程的特點(diǎn)，其研發(fā)周期短、實(shí)現(xiàn)靈活，在當(dāng)今通信領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，因此將FPGA設(shè)計(jì)引入通信原理實(shí)踐環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基于FPGA平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能模塊，主要內(nèi)容包括M序列設(shè)計(jì)、信道編解碼技術(shù)、位/幀同步提取、數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析等多種實(shí)驗(yàn)。

以數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生需設(shè)計(jì)完成一種簡易的數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析系統(tǒng)。其核心是利用FPGA平臺(tái)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)和偽隨機(jī)噪聲，經(jīng)過濾波器模擬信道傳輸后，由FPGA對信號(hào)進(jìn)行分析提取同步信息，最后通過示波器觀測眼圖，根據(jù)眼圖特征直觀地評估系統(tǒng)的碼間干擾和噪聲的影響。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過FPGA編程生成M序列偽隨機(jī)信號(hào)，分別作為數(shù)字傳輸信號(hào)以及偽隨機(jī)噪聲；搭建模擬電路實(shí)現(xiàn)低通濾波功能；在FPGA中利用數(shù)字鎖相環(huán)方法提取接收端的同步時(shí)鐘，最后利用該時(shí)鐘作為示波器的外觸發(fā)信號(hào)，從而顯示出接收信號(hào)對應(yīng)的眼圖。圖4為在示波器上所觀測到的正確實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中（a）為未加入偽隨機(jī)噪聲的眼圖，（b）為加入了偽隨機(jī)噪聲的眼圖。實(shí)驗(yàn)涉及通信原理課程中的偽隨機(jī)序列、信道、同步技術(shù)、眼圖等多個(gè)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案與FPGA技術(shù)緊密結(jié)合有效提高了學(xué)生對通信專業(yè)知識(shí)、電路設(shè)計(jì)、FPGA設(shè)計(jì)等知識(shí)技術(shù)的綜合運(yùn)用能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

四、總結(jié)

通過不斷的探索與研究，我們逐步建立了一套完整的包含仿真、驗(yàn)證以及設(shè)計(jì)等多種不同層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的通信原理課程實(shí)踐教學(xué)體系。在實(shí)踐教學(xué)中，我們針對學(xué)生接受知識(shí)的能力因材施教；堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合、仿真平臺(tái)與硬件平臺(tái)相結(jié)合、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與開放性設(shè)計(jì)相結(jié)合；努力培養(yǎng)學(xué)生整體思考問題、分析問題、解決問題的能力。實(shí)踐證明，通過這些教學(xué)活動(dòng)的開展，學(xué)生能夠更好地掌握通信原理的基本概念，對通信系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，學(xué)生的視野和知識(shí)面得到了拓展；同時(shí)學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了很好的發(fā)揮，動(dòng)手能力得到了鍛煉，綜合運(yùn)用知識(shí)的能力以及創(chuàng)新意識(shí)得到了有效提高，為學(xué)生之后從事相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的工作與學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）