軍隊(duì)院?！巴ㄐ旁怼钡膶?shí)驗(yàn)教學(xué)改革

吳 俊，徐 丹，羅 勇

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

我校的“通信原理”課程經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了多項(xiàng)教學(xué)成果，先后多次被評(píng)為大學(xué)及海軍優(yōu)秀課程。但其實(shí)驗(yàn)教學(xué)與國(guó)內(nèi)其它重點(diǎn)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，還需要進(jìn)一步完善。為了完成海軍優(yōu)秀課程建設(shè)的目標(biāo)，并充分考慮軍隊(duì)院校通信專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)際需求，我們制定了對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方案。

1 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型的改革

四種類(lèi)型，以煅煉學(xué)生的綜合思維能力、創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

我們一方面精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，盡可能把驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的綜合性實(shí)驗(yàn)。另一方面增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)設(shè)虛擬仿真性實(shí)驗(yàn)，并鼓勵(lì)有能力的學(xué)生在完成已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上積極開(kāi)展自主研究性實(shí)驗(yàn)。改革后的總體實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如表1所示。

該課程實(shí)驗(yàn)類(lèi)型由原來(lái)單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)調(diào)整為驗(yàn)證性、綜合設(shè)計(jì)性、虛擬仿真性以及自主研究性

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改革

我們以前采用的通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是通信原理實(shí)驗(yàn)箱和Matlab通信仿真平臺(tái)。這兩種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各有優(yōu)缺點(diǎn)［1］。

實(shí)驗(yàn)箱的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以接觸到實(shí)際的硬件電路，學(xué)習(xí)使用各種儀器，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺少(如頻譜儀、誤碼儀等);實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，有的實(shí)驗(yàn)不能做(如模擬調(diào)制實(shí)驗(yàn))。由于都是模塊化設(shè)計(jì)，學(xué)生不能深入了解電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不能自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自主發(fā)揮的空間比較小。

表1 總體實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

Matlab通信仿真平臺(tái)是借助仿真軟件，自行編寫(xiě)代碼來(lái)完成通信系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，對(duì)學(xué)生建立通信系統(tǒng)很有幫助。使用仿真軟件實(shí)驗(yàn)投入少，維護(hù)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是在仿真設(shè)計(jì)中采用的都是模型，學(xué)生的理解僅停留在模型表面，缺乏對(duì)模型具體電路的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)。因?qū)W(xué)生的編程能力和綜合能力要求都比較高，在有限幾個(gè)學(xué)時(shí)完成Matlab實(shí)驗(yàn)對(duì)部分學(xué)生而言稍顯困難。

我們最新增加的System View通信仿真平臺(tái)與Matlab的不同在于，它不需要自行編寫(xiě)代碼，而是應(yīng)用已有庫(kù)中的模塊來(lái)完成通信系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試［2］。它一方面保留了軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)靈活性，一方面也具有同實(shí)驗(yàn)箱一樣的上手快，易操作等優(yōu)點(diǎn)。它比實(shí)驗(yàn)箱效率更高，效果更好，且成本低。

考慮到通信領(lǐng)域里越來(lái)越多地采用軟件無(wú)線(xiàn)電方式，即用FPGA等可編程芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，它是一種比較新的設(shè)計(jì)方法。我們已將FPGA設(shè)計(jì)引入實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，其缺點(diǎn)是學(xué)生需要有一定的知識(shí)基礎(chǔ)，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)。

我們綜合考慮上述幾種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，按以下環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn):為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)“通信原理”理論知識(shí)的理解，并讓學(xué)生對(duì)實(shí)際通信電路有感性的認(rèn)識(shí)，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(表中①-⑥項(xiàng))采用通信原理實(shí)驗(yàn)箱;為了讓學(xué)生熟悉一般通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，表中⑦項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用System View仿真;為了提高學(xué)生綜合編程能力和創(chuàng)新能力，表中⑧項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用FPGA設(shè)計(jì)(基于通信原理實(shí)驗(yàn)箱的FPGA二次開(kāi)發(fā)模塊完成)。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

3.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

除了表中抽樣定理實(shí)驗(yàn)③和時(shí)分復(fù)用實(shí)驗(yàn)④屬于基本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，①、②、⑤項(xiàng)都為綜合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即在搭建起的完整的通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證，而不是在單個(gè)模塊基礎(chǔ)上的驗(yàn)證。學(xué)生有了系統(tǒng)的概念，對(duì)各個(gè)模塊的作用和區(qū)別也會(huì)有更加清醒的認(rèn)識(shí)和理解，驗(yàn)證的效果也會(huì)更好。

(1)基帶傳輸編譯碼實(shí)驗(yàn)①

該實(shí)驗(yàn)較之以前單一芯片即可完成的碼型變換實(shí)驗(yàn)，增加了同步模塊和基帶信號(hào)形成模塊，使之成為一個(gè)簡(jiǎn)單的基帶傳輸系統(tǒng)。學(xué)生可以搭建一個(gè)基帶傳輸系統(tǒng)，從中了解到基帶信號(hào)的產(chǎn)生、信道信號(hào)的形成、接收濾波器的工作原理、同步信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理、基帶信號(hào)編譯碼過(guò)程和抽樣判決等基帶通信系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)較之以前的碼型變換實(shí)驗(yàn)，觀察的碼型增多，包括NRZ碼、RZ碼、AMI碼、HDB3碼、CMI碼和BPH碼等多種常用碼型。

(2)頻帶傳輸調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)②

該實(shí)驗(yàn)擴(kuò)充為調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，增加了載波同步和位同步模塊，目的也是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)整個(gè)頻帶傳輸系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)而不僅僅是對(duì)調(diào)制解調(diào)的認(rèn)識(shí)。學(xué)生對(duì)調(diào)制方式的選擇有了更大的靈活性，可以選擇2ASK、2FSK和2PSK(2DPSK)等基礎(chǔ)方式，也可以選擇稍復(fù)雜的QPSK(OQPSK)和QAM等調(diào)制方式。

我們的培訓(xùn)對(duì)象是全體農(nóng)村教師，所以他們的培訓(xùn)需求是我們選擇培訓(xùn)形式的重要依據(jù)。通過(guò)前期調(diào)研收回的有效問(wèn)卷，我們發(fā)現(xiàn)，教師都希望“送培下鄉(xiāng)”活動(dòng)能夠創(chuàng)新培訓(xùn)模式、重視培訓(xùn)過(guò)程、更新培訓(xùn)內(nèi)容。因此我們?cè)谒团鄷r(shí)間上，在學(xué)校工作日以一個(gè)學(xué)期一次為主展開(kāi)，集中在2～3天內(nèi)完成整個(gè)活動(dòng)流程，盡量不占用他們的休息時(shí)間。在送培形式上，首先是一線(xiàn)骨干教師講授示范課，其次是區(qū)域?qū)W科帶頭人組織互動(dòng)評(píng)課，再次是網(wǎng)絡(luò)教研與集中面授相結(jié)合的學(xué)科研修。

(3)信道編譯碼實(shí)驗(yàn)⑤

該實(shí)驗(yàn)也同樣遵循上述原則。學(xué)生要搭建一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)字通信系統(tǒng)的環(huán)境，可以自由選擇編譯碼方式(漢明碼、循環(huán)碼和卷積碼等)。

3.2 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

我們把模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)⑥作為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，出于以下兩點(diǎn)考慮:第一，模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸一貫是“通信原理”的重點(diǎn)內(nèi)容，目前常見(jiàn)的通信系統(tǒng)都是把模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化傳輸?shù)模缡謾C(jī)、有線(xiàn)電視等，因此該實(shí)驗(yàn)實(shí)用性較強(qiáng)。第二，模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸所涉及到的通信技術(shù)和手段比較多，因此該實(shí)驗(yàn)的綜合性和可設(shè)計(jì)性均較強(qiáng)，比較適合作為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示，涉及到的技術(shù)基本涵蓋了通信系統(tǒng)的各個(gè)方面。對(duì)學(xué)生而言，需要掌握的知識(shí)比較多，具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。

圖1 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖

以往的模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸實(shí)驗(yàn)，我們僅考慮了A/D和D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程(如PCM編譯碼過(guò)程)，而沒(méi)有考慮其它方面，而且PCM的編譯碼通常也是僅用一個(gè)芯片自環(huán)完成，沒(méi)有考慮系統(tǒng)的概念，學(xué)生僅僅看到一個(gè)正弦波輸入，緊接著又看到一個(gè)同樣的正弦波輸出，這中間是如何編碼的又是如何解碼的基本沒(méi)搞清楚。我們現(xiàn)在把PCM編碼模塊和譯碼模塊分開(kāi)，同時(shí)還在中間插入實(shí)際系統(tǒng)中通常會(huì)有的信道編譯碼、載波調(diào)制和解調(diào)模塊，以及同步模塊等，使之成為一個(gè)完整的模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)。再增加時(shí)分復(fù)用的技術(shù)傳輸多路信源，使整個(gè)系統(tǒng)的綜合性更強(qiáng)。

A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程除了可以采用PCM編碼，還可選擇CVSD編碼以及調(diào)量調(diào)制方式等;載波調(diào)制解調(diào)過(guò)程可以選擇 2ASK、2FSK、2PSK、QPSK和 QAM等，也是根據(jù)學(xué)生的不同能力來(lái)自行選擇。

此外，除了信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波可以作為輸入信號(hào)源，還增加了麥克風(fēng)輸入以及音樂(lè)信號(hào)輸入，接收端增加了耳麥和揚(yáng)聲器，以增添實(shí)驗(yàn)樂(lè)趣。

3.3 虛擬仿真性實(shí)驗(yàn)

SystemView通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)⑦較之于以前的Matlab通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，減少了編寫(xiě)代碼環(huán)節(jié)，學(xué)生可以利用現(xiàn)成的模塊完成復(fù)雜通信系統(tǒng)的搭建。學(xué)生利用虛擬的信源和示波器查看系統(tǒng)搭建的效果，改進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)和模塊設(shè)置，可操作性強(qiáng)，教學(xué)效果明顯，可以在有限學(xué)時(shí)內(nèi)完成。

我院的SystemView通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)不同于一般高校，主要開(kāi)設(shè)以下具有軍隊(duì)特色和實(shí)用價(jià)值的題目以供學(xué)生選擇設(shè)計(jì):①甚低頻通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計(jì)與仿真;②短波通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計(jì)與仿真;③超短波通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計(jì)與仿真;④衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計(jì)與仿真。

這些選題的針對(duì)性比較強(qiáng)，需要學(xué)生對(duì)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)有一定了解，對(duì)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和綜合設(shè)計(jì)能力有一定的要求。

3.4 自主研究性實(shí)驗(yàn)

自主研究性實(shí)驗(yàn)主要靠學(xué)生自身能力來(lái)完成，教師只能從旁引導(dǎo)。沒(méi)有學(xué)生在課下刻苦鉆研，僅憑一兩個(gè)學(xué)時(shí)，自主研究性實(shí)驗(yàn)是很難完成的。

FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)⑧是使用通信原理實(shí)驗(yàn)箱自帶的FPGA二次開(kāi)發(fā)模塊的自主研究性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生籍助硬件實(shí)驗(yàn)箱、范例、參考書(shū)及教師引導(dǎo)，有了這些較好的自主研究性實(shí)驗(yàn)條件，較之以前的Matlab軟件編程實(shí)驗(yàn)，可獲得更好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

我們對(duì)實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)進(jìn)行考評(píng)，實(shí)行百分制，實(shí)驗(yàn)①至實(shí)驗(yàn)⑥滿(mǎn)分10分，實(shí)驗(yàn)⑦和⑧滿(mǎn)分20分。每個(gè)實(shí)驗(yàn)又分基礎(chǔ)檔和提高檔兩種不同難度級(jí)別，完成基礎(chǔ)檔實(shí)驗(yàn)任務(wù)8分，完成提高檔實(shí)驗(yàn)任務(wù)10分。實(shí)驗(yàn)課不滿(mǎn)60分視為“通信原理”課程不及格。目前通信原理實(shí)驗(yàn)課改革正朝著構(gòu)建的集軟件仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)于一體的實(shí)驗(yàn)體系方向發(fā)展，努力開(kāi)展多視角實(shí)驗(yàn)教學(xué)［3］。利用該實(shí)驗(yàn)體系，對(duì)于同一知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生首先采用軟件仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和研究;然后在硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并將二者的結(jié)果進(jìn)行比較和分析;最后學(xué)生還可隨時(shí)隨地通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行自主性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

［1］ 徐彥凱.通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索［J］.2011(6):316 ～335.

［2］ 蔡麗萍，洪利，盧曉軒.基于System View的通信原理系統(tǒng)軟件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25(8):899-901.

［3］ 屈曉旭.構(gòu)建三位一體的通信原理課程多視角實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系［J］.西安:高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2011(11).:18-19