通信原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)改革

陳紅霞，馬中華，陳朝陽(yáng)

(集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

“通信原理”是現(xiàn)代通信技術(shù)的入門級(jí)課程，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，這門課程內(nèi)容豐富，涵蓋了數(shù)字/模擬調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸、模擬信號(hào)的數(shù)字化、信息熵及信源編碼、信道及信道容量、信道編碼、擴(kuò)頻通信等多個(gè)方面，課程公式和數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多、概念抽象、原理枯燥、理論復(fù)雜[1-3]。其中許多概念，學(xué)生基本上第一次接觸，不容易理解。因此，如何讓學(xué)生喜歡并更好地學(xué)習(xí)這門課程，加深對(duì)課程中基本理論及基本概念的理解；如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力及分析解決通信工程實(shí)際問(wèn)題的能力，是通信原理教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急。充分利用軟、硬件實(shí)驗(yàn)條件，精心設(shè)計(jì)既有理論深度又有趣味的實(shí)驗(yàn)，將教學(xué)內(nèi)容移植到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使枯燥、抽象的概念和原理具體化是解決問(wèn)題的重要的手段和途徑[4-5]。為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，近年來(lái)，集美大學(xué)信息工程學(xué)院通信實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)允許的情況下，主要從以下幾方面對(duì)通信原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行探索和改革。

一 升級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

原有的實(shí)驗(yàn)箱使用年限已久，工作不穩(wěn)定，且以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只需機(jī)械地在相應(yīng)插孔中插入導(dǎo)線，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作即可實(shí)現(xiàn)[6-7]。學(xué)生往往只觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽略實(shí)驗(yàn)結(jié)果是怎樣實(shí)現(xiàn)的、甚至不知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否，使得學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力得不到充分的鍛煉，也起不到通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深理論知識(shí)的作用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，購(gòu)置一批二次開發(fā)模塊，從而擁有一套仿真引擎和數(shù)學(xué)模型的模塊級(jí)仿真平臺(tái)。模塊的管腳可以完全開放給學(xué)生，學(xué)生不僅可以完成大量單元性和系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，還可以按照自己的設(shè)定，寫出相應(yīng)的程序進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)際現(xiàn)象，極大地提高了學(xué)生的開發(fā)與創(chuàng)新能力，可以作為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)大賽、學(xué)生科研的平臺(tái)。

二 更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

集美大學(xué)信息工程學(xué)院通信原理實(shí)驗(yàn)面向的專業(yè)有通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)，其中有本學(xué)院的，也有二級(jí)學(xué)院的。而原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置主要以驗(yàn)證性為主，偏重于基本原理驗(yàn)證和基本操作技能訓(xùn)練，缺乏層次性、綜合性，實(shí)驗(yàn)數(shù)量少、水平低，不能滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的需求。筆者在認(rèn)識(shí)到不足的情況下，對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和安排進(jìn)行改革，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整為驗(yàn)證性、系統(tǒng)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次。實(shí)驗(yàn)的方式、時(shí)間和地點(diǎn)的安排靈活多樣，采用課內(nèi)課外、軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行。

(一)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是為了形象說(shuō)明理論課程中的基本原理，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解而設(shè)置的，面向三個(gè)專業(yè)所有層次的學(xué)生開設(shè)[8]。實(shí)驗(yàn)采用軟硬件相結(jié)合的方式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前利用與實(shí)驗(yàn)箱配套的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，然后統(tǒng)一到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作和驗(yàn)證，并結(jié)合理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的仿真模塊與實(shí)際硬件模塊一致，撥碼開關(guān)、可調(diào)電阻、復(fù)位按鈕等可調(diào)器件均可自由調(diào)節(jié)，并配有多種虛擬儀器儀表，操作方式與操作習(xí)慣同實(shí)際儀器完全一致，可在任意測(cè)試點(diǎn)測(cè)試和觀察信號(hào)，方便學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及課后進(jìn)一步進(jìn)行信號(hào)分析，保證了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和效率。實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排與理論課同步進(jìn)行。

(二)系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)

對(duì)于通信專業(yè)的學(xué)生，在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，即可深入學(xué)習(xí)各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電路結(jié)構(gòu)、原理和實(shí)現(xiàn)方法，并理論聯(lián)系實(shí)際，靈活地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)電路，將各個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即：信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、復(fù)用解復(fù)用、信源、信道、濾波、同步等多個(gè)環(huán)節(jié)連成一個(gè)有機(jī)的整體，自主構(gòu)造出一個(gè)基本的通信系統(tǒng)[9]。如：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)、數(shù)字程控交換系統(tǒng)、CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)及模擬調(diào)制系統(tǒng)等通信系統(tǒng)。通過(guò)部分功能的開發(fā)及整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，加深對(duì)通信基本算法理論的認(rèn)識(shí)和理解，有利于學(xué)生逐漸建立起系統(tǒng)級(jí)的概念，理解通信系統(tǒng)中各要素的作用，全面完整地掌握通信系統(tǒng)知識(shí)，大大提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力[10]。(見圖1、圖2)

圖1 HDB3線路編碼通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

圖2 1通道為時(shí)分復(fù)用模塊的FS波形 2通道為時(shí)分復(fù)用模塊的復(fù)用輸出波形

此時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中每幀共4個(gè)時(shí)隙，第0時(shí)隙是幀頭信號(hào)01110010，第1時(shí)隙是PCM編碼輸出數(shù)據(jù)，第2時(shí)隙是撥碼開關(guān)復(fù)用信號(hào)的DoutMUX數(shù)據(jù)，第3時(shí)隙是時(shí)分復(fù)用模塊上的撥碼開關(guān)信號(hào)S1，此時(shí)S1對(duì)應(yīng)撥碼為11111111(見圖3)。

圖3 1通道為信號(hào)源模塊輸出的MUSIC信號(hào) 2通道為PCM譯碼模塊的音頻輸出

通過(guò)對(duì)傳輸前后信源的比較，讓學(xué)生了解實(shí)際工作中通信延時(shí)、傳輸失真、能量衰減對(duì)信號(hào)的影響，并通過(guò)適當(dāng)方法加以改善，如提高PCM編譯碼環(huán)節(jié)的采樣頻率等。

該實(shí)驗(yàn)采用的是PCM編譯碼對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行抽樣量化，傳輸方式選擇的是HDB3線路編譯碼。學(xué)生也可以根據(jù)自己的理解程度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使用其他方式進(jìn)行信源編譯碼及傳輸，并對(duì)比其區(qū)別。通過(guò)實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生加深對(duì)HDB3線路編譯碼以及時(shí)分復(fù)用兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和掌握，同時(shí)建立起實(shí)際信號(hào)傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框架。

(三)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

有能力的學(xué)生，在掌握一定的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，還為其提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件，使學(xué)生能靈活地、創(chuàng)造性地綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)和技能。學(xué)生可先通過(guò)集美大學(xué)信息工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的仿真軟件ADS(Advanced Design System)對(duì)各種通信系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析(見圖4)。再結(jié)合安捷倫通用儀器如矢量信號(hào)發(fā)生器、混合信號(hào)示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻普分析儀等，通過(guò)實(shí)際產(chǎn)生的物理信號(hào)，對(duì)通信電路和系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析[11-12]。從部分功能的開發(fā)到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生循序漸進(jìn)具備創(chuàng)新能力。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力方面所起的作用是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)無(wú)法替代的，這部分內(nèi)容安排在畢業(yè)設(shè)計(jì)或各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽時(shí)段進(jìn)行。

圖4 ACPR的測(cè)量電路

實(shí)驗(yàn)采用PI/4 DQPSK調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)ADS中RF電路的包絡(luò)仿真分析調(diào)制器的性能，使得學(xué)生在模擬電路和系統(tǒng)中衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的性能參數(shù)。比如實(shí)驗(yàn)中的ACPR(鄰道功率比)，最后可以將該電路集成到頂層設(shè)計(jì)的DSP原理圖中。結(jié)果測(cè)量的是主信道和鄰近的上下兩個(gè)信道的頻譜。學(xué)生通過(guò)改變調(diào)制方式，對(duì)比主信道和相鄰兩個(gè)信道的功率比，了解鄰道功率對(duì)主信道的影響，通過(guò)最優(yōu)化設(shè)計(jì)使得ACPR滿足系統(tǒng)的要求，從而加深對(duì)各種調(diào)制方式的理解(見圖5)。

圖5 PI/4 DQPSK調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)頻譜

三 改進(jìn)教學(xué)方法

對(duì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法加以改進(jìn)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)和能力的有效措施。傳統(tǒng)的教學(xué)理論和實(shí)踐重“教”而不重“學(xué)”，體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用，忽視學(xué)生的主體地位。因而，筆者除了采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法外，還輔助如下方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(一)豐富教學(xué)手段

諸如基本操作、基本知識(shí)、基本技能訓(xùn)練的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，除實(shí)驗(yàn)教材外，輔之以各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)CAI課件、錄像，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)。使學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和相關(guān)理論，并規(guī)范其操作，再按教材方案定時(shí)到實(shí)驗(yàn)室完成。要求學(xué)生學(xué)會(huì)和掌握基本的測(cè)試和測(cè)量方法[13]。

(二)推廣計(jì)算機(jī)在通信實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

上完理論課后，主講教師布置課后作業(yè)，讓學(xué)生利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)(如MATLAB、Systemview)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期的仿真，并分析參數(shù)與性能的關(guān)系。再在實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課堂上通過(guò)儀器測(cè)量，進(jìn)行可變參數(shù)器件的調(diào)整，對(duì)得到的結(jié)果加以分析，并仔細(xì)與仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)。軟硬件相結(jié)合的方法，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解更加透徹，熟悉和了解計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)的方法，開闊思路和視野，提高自主學(xué)習(xí)的興趣和熱情[14-15]。

(三)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法和考核方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，遇到問(wèn)題，不是簡(jiǎn)單地幫學(xué)生解決，而是采用提問(wèn)和引導(dǎo)的方式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況和相關(guān)理論，啟發(fā)、鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)問(wèn)題和現(xiàn)象進(jìn)行思考、討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出有關(guān)問(wèn)題讓學(xué)生回答。實(shí)驗(yàn)考核采用綜合性考核，不僅僅以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為評(píng)分的依據(jù)，而且把重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收上?？疾閷W(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和操作能力，考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。評(píng)分方法的這一改變使學(xué)生更認(rèn)真準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，更專心聽教師講解，更積極地思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使得實(shí)驗(yàn)的成功率大大提高，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

四 結(jié)束語(yǔ)

以上改革方案，目前已在集美大學(xué)2012級(jí)、2013級(jí)、2014級(jí)通信工程、電子工程、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)中實(shí)施，在實(shí)踐教學(xué)中取得了明顯的效果。學(xué)生一改往日被動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度，主動(dòng)利用課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合科技創(chuàng)新、電子設(shè)計(jì)等競(jìng)賽將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，大大提高了學(xué)習(xí)的積極性和處理問(wèn)題的能力，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)非常有效，得到學(xué)生的好評(píng)。在2014—2016年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，有2組同學(xué)獲全國(guó)三等獎(jiǎng)、1組同學(xué)獲省級(jí)三等獎(jiǎng)。在2014—2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，1項(xiàng)獲國(guó)家級(jí)立項(xiàng)，2項(xiàng)獲省級(jí)立項(xiàng)。今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，根據(jù)學(xué)生反饋的信息，還將不斷完善，以期達(dá)到更好效果。