融合專業(yè)知識(shí)的精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)

王海燕　徐永強(qiáng)　李世寶

摘要：本文以多徑傳播誤碼率性能評(píng)估的MATLAB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，闡述“MATLAB與通信仿真”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的思路與方法。通過多徑傳播誤碼率性能評(píng)估的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，融合多項(xiàng)通信技術(shù)，將多個(gè)MATLAB程序設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行貫串，建成綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，并合理改進(jìn)考核體系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，深受學(xué)生好評(píng)。

關(guān)鍵詞：MATLAB；通信仿真；精品實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真；誤碼率性能

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）44-0269-02

精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是以素質(zhì)教育理念為先導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為宗旨，在現(xiàn)有的硬件設(shè)施和軟件條件的基礎(chǔ)上，基于先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和符合認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)模式、方法和切實(shí)有效的教學(xué)手段對(duì)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施的一項(xiàng)改革措施[1，2]。

本文以多徑傳播誤碼率性能評(píng)估的MATLAB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，闡述“MATLAB與通信仿真”課程精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的相關(guān)問題。

一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的理念和設(shè)計(jì)思想

“MATLAB與通信仿真”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)突出學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生自主探究。具體項(xiàng)目建設(shè)中，緊緊圍繞使學(xué)生掌握MATLAB綜合程序設(shè)計(jì)及熟悉通信系統(tǒng)建模與仿真的基本方法這一核心任務(wù)，以融合通信專業(yè)知識(shí)精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例進(jìn)行MATALB多知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練為理念，其項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)思想如圖1所示，具體如下。

（一）“模塊劃分、分而治之”的思想

基于該思想，將圖1中仿真框圖中的各個(gè)子框視為模塊，針對(duì)各模塊對(duì)應(yīng)要實(shí)現(xiàn)的功能，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，使上一子框?qū)?yīng)功能函數(shù)的輸出都是下一子框?qū)?yīng)功能函數(shù)的輸入。

（二）“逐步分解、循序漸進(jìn)”的思想

充分考慮低年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，針對(duì)難以理解的通信模塊，盡量避開原理內(nèi)容的講解，并緊緊圍繞相應(yīng)模塊要完成的功能，通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)用例的設(shè)計(jì)，逐步引導(dǎo)學(xué)生理解并完成相應(yīng)模塊功能的函數(shù)設(shè)計(jì)。如交織編碼的算法實(shí)現(xiàn)概況起來主要有兩步：①產(chǎn)生交織序號(hào)；②利用交織序號(hào)產(chǎn)生交織數(shù)據(jù)?？稍O(shè)計(jì)循序漸進(jìn)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)案例如下，學(xué)生按下述2個(gè)分解案例的提示很容易寫出相應(yīng)的程序，并最終完成目標(biāo)交織函數(shù)的編寫。

實(shí)驗(yàn)1 交織序號(hào)的產(chǎn)生用例：按如圖2所示步驟，完成自然序號(hào)打亂輸出的四步操作。

實(shí)驗(yàn)2 交織數(shù)據(jù)的產(chǎn)生用例：按如圖3所示樣例，使任意隨機(jī)源序列按實(shí)驗(yàn)1交織序號(hào)的產(chǎn)生方法，生成交織序列。

（三）“前導(dǎo)后拓、真實(shí)具體”的思想

首先，針對(duì)項(xiàng)目中的多徑信道建模的難點(diǎn)，將基于多徑傳播的每個(gè)同學(xué)自己錄制的聲音回聲信號(hào)的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)設(shè)置為前導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在生動(dòng)形象的通信體驗(yàn)中，學(xué)會(huì)運(yùn)用矩陣補(bǔ)零及同維矩陣相加兩個(gè)簡(jiǎn)單的MATLAB知識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多徑信號(hào)的時(shí)延表示，理解了多徑信道的建模方法。另外，針對(duì)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的目的和所得SNR-BER曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)知抽象的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)利用誤碼率性能評(píng)估的結(jié)果，完成相應(yīng)信噪比信道狀況條件下的Lena圖像數(shù)據(jù)的傳輸，通過觀察接收端恢復(fù)圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量，驗(yàn)證多徑傳播對(duì)實(shí)際信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。這種真實(shí)具體的通信體驗(yàn)，使學(xué)生能切實(shí)體會(huì)到“學(xué)有所用”，能更大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

（四“層次化、個(gè)性化”的思想

結(jié)合實(shí)際通信系統(tǒng)誤碼率性能優(yōu)化的技術(shù)措施，設(shè)計(jì)了包括不同調(diào)制方式（BPSK/QPSK）、不同信道環(huán)境（AWGN/多徑）、不同信道編碼的3個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)方案供不同學(xué)生選擇：

實(shí)驗(yàn)方案1：BPSK在AWGN-多徑信道下的SNR-BER誤碼率性能評(píng)估，并讀出誤碼率為10^-3的SNR值，傳輸某一黑白圖像，以驗(yàn)證所得SNR-BER誤碼率性能的準(zhǔn)確性。該方式是一種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。因所有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容已在教學(xué)課堂講授，要求最低，適用于學(xué)習(xí)吃力或一般的學(xué)生群體。

實(shí)驗(yàn)方案2：BPSK和QPSK調(diào)制在AWGN-多徑信道下的SNR-BER誤碼率性能比較，進(jìn)一步通過交織編碼對(duì)QPSK調(diào)制進(jìn)行性能優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。本方案相比方案1，難度適中，適用于學(xué)習(xí)中等的學(xué)生群體。

實(shí)驗(yàn)方案3：信源信號(hào)的bit速率等于100kbit/s，要求用Simulink與MATLAB交互使用的sim命令行方式仿真BPSK和QPSK在AWGN信道及AWGN-萊斯多徑信道中的SNR-BER性能。該方案除了方案2的內(nèi)容外還包括課堂內(nèi)未講解需經(jīng)查閱文獻(xiàn)資料方可完成的內(nèi)容，如萊斯多徑信道的特性的內(nèi)容，該方式能夠最大限度地保證設(shè)計(jì)的靈活性和工程能力的鍛煉，但因?yàn)樯婕暗轿粗v解的內(nèi)容，所以難度最大，適用于學(xué)有余力的學(xué)生群體。

二、結(jié)語

“MATLAB與通信仿真”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)后，課題組多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果調(diào)查，總體滿意率均在98%以上。其中94%的學(xué)生喜歡這種循序漸進(jìn)、層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，且有85%以上的學(xué)生愿意選擇高分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)；但也有3%的學(xué)生感覺自己的基礎(chǔ)較差，只能選擇低分值的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)他們也表示這種層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)更能調(diào)動(dòng)自主學(xué)習(xí)的積極性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張嫻，王士芬，徐竟成.建設(shè)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目深化創(chuàng)新人才教育[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（11）：87-89.

[2]顧朝志，蔡麗萍，盧曉軒.“通信原理”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)[J].江蘇：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（5）：103-105.

Abstract：The ideas and methods of construction of elaborate experimental project are introduced in this paper based on MATLAB experimental design of multipath propagation bit error rate performance evaluation. By Construction of virtual experiment platform based on multipath propagation error rate performance evaluation，different communication technologies have been integrated. So that much MATLAB program design knowledge points could be combined and integrated into the comprehensive，design oriented experiment.The evaluation system is also be improved.The experimental teaching effect is well.

Key words：MATLAB；communication simulation；elaborate experiment；virtual simulation；bit error rate performance