西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子信息工程學(xué)院 伍 丹

西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院 任文藝 姜建剛

通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與改進(jìn)

西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子信息工程學(xué)院 伍 丹

西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院 任文藝 姜建剛

針對(duì)通信原理課程理論性強(qiáng)、概念抽象等特點(diǎn)，通過精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程、引入實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)等方面提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)方法。實(shí)踐結(jié)果證明，該改進(jìn)方案不僅提高學(xué)生學(xué)習(xí)通信原理課程的積極性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

通信原理：仿真平臺(tái)：實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通信原理課程是一切通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)[1]，電子信息類課程中很多專業(yè)課如移動(dòng)通信、現(xiàn)代通信技術(shù)等都以通信原理為先修課，在通信類專業(yè)的人才培養(yǎng)中起到關(guān)鍵的作用。而面對(duì)如此抽象而復(fù)雜的理論知識(shí)，學(xué)生難以與實(shí)際的通信系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系。如何加深學(xué)生對(duì)通信理論知識(shí)的理解，并且將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通信原理實(shí)驗(yàn)課將起到關(guān)鍵性作用。以往的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱開設(shè)一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，一方面限制學(xué)生的實(shí)際操作能力，另一方面限制學(xué)生創(chuàng)新、工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱基于硬件模塊化設(shè)計(jì)，無法順應(yīng)通信技術(shù)的快速變革。因此，為了緊跟通信技術(shù)快速變革的發(fā)展腳步，順應(yīng)高等教育教學(xué)改革的深入，需要將通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行研究和改進(jìn)。

1.精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生實(shí)踐能力

現(xiàn)在普遍使用的通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備是各個(gè)廠家開發(fā)的實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有一定的缺陷[2]：1）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行簡(jiǎn)單連線，采用示波器觀看過程波形，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不需要經(jīng)過思考，就可以完成實(shí)驗(yàn)。2）這類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與度不高，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。同時(shí)，該類實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力沒有提高。

因此，為擺脫早期實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置單調(diào)測(cè)量波形這種模式，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師應(yīng)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可將部分驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展為設(shè)計(jì)性以及綜合型實(shí)驗(yàn)。比如將DBPSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)改為DBPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。前者，只需要進(jìn)行相應(yīng)的連線，將對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)與示波器相連，就可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果；而后者，在仿真設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可以自己構(gòu)造信號(hào)源模塊，數(shù)字DBPSK調(diào)制模塊，DBPSK解調(diào)模塊。同時(shí)，還可以增加測(cè)試誤碼率，在理想信道條件下或者高斯信道條件下，可以查看調(diào)制之前與解調(diào)之后的信號(hào)是否完全相同。同時(shí)，在解調(diào)模塊中，學(xué)生可以選擇相干解調(diào)或者差分相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。由此可見，進(jìn)行改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的能力，增強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)，解決了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的問題。該實(shí)例中，學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)掌握了DBPSK調(diào)制原理，低通濾波器的設(shè)計(jì)，DBPSK的解調(diào)方案等多個(gè)模塊的原理和方法，加深了對(duì)數(shù)字調(diào)制解調(diào)過程的理解。

2.加強(qiáng)理論預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)課堂測(cè)評(píng)

通信原理課程理論性強(qiáng)，比較抽象，并且其先修課程如隨機(jī)信號(hào)分析、概率論、信號(hào)與系統(tǒng)等都比較難，從而學(xué)生在學(xué)習(xí)和理解上難度增加。在實(shí)驗(yàn)過程中，是將理論知識(shí)學(xué)以致用。如果學(xué)生對(duì)理論知識(shí)不理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不夠清楚，那么到實(shí)驗(yàn)室就會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間從而達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。因此，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，要求學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)主要包括以下幾個(gè)部分：1）了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)的基本原理；2）寫出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)；3）對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果做到心中有數(shù)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)就不會(huì)感到不知所措，并且得到最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)自行判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

其次，除了加強(qiáng)理論知識(shí)的預(yù)習(xí)，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行測(cè)評(píng)。在很多學(xué)生觀念中，對(duì)實(shí)驗(yàn)抱有輕視的態(tài)度，認(rèn)為只要理論課程掌握好，實(shí)驗(yàn)課程無所謂。這種想法有致命性錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)室是理論知識(shí)學(xué)以致用的場(chǎng)所，是理論知識(shí)與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的銜接點(diǎn)。因此，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效的測(cè)評(píng)與考核，是檢驗(yàn)學(xué)生理論知識(shí)掌握的重要環(huán)節(jié)。比如，在進(jìn)行抽樣定理與信號(hào)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一方面學(xué)生需要了解抽樣定理原理框圖，另一方面就是需要了解一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)—奈奎斯特準(zhǔn)則。因此，在學(xué)生進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，指導(dǎo)老師可以對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的抽樣頻率以及濾波器截止頻率進(jìn)行隨意設(shè)置，學(xué)生根據(jù)自己的理解，判斷出哪些情況下信號(hào)可以完全恢復(fù)，以及能夠恢復(fù)或者不能夠恢復(fù)的原因。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)，可以將結(jié)果反饋到教師的課程教學(xué)中，從而了解學(xué)生知識(shí)掌握情況。

3.引入仿真平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力

常用的通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就是傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)箱。前面已經(jīng)有提到運(yùn)用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的局限性。比如實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，易老化，并且學(xué)生較難通過實(shí)驗(yàn)箱建立通信系統(tǒng)模型，缺乏對(duì)通信系統(tǒng)模塊的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)。

Matlab軟件是美國(guó)Mathworks公司推出的一套功能強(qiáng)大的仿真軟件[3]。其中，Simulink是Matlab仿真軟件中提供的一個(gè)交互式動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，其模塊庫(kù)里包含許多可用于通信系統(tǒng)建模的模塊。學(xué)生可利用Matlab軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建流程圖，然后使用Simulink模塊框圖來搭建通信系統(tǒng)。通信仿真的優(yōu)點(diǎn)是靈活設(shè)計(jì)，極大地激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力得到鍛煉；仿真平臺(tái)人機(jī)交互界面友好，學(xué)生能實(shí)時(shí)觀察信號(hào)節(jié)點(diǎn)原理波形，可通過雙擊模塊實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如信號(hào)的頻率，濾波器的帶寬等，加深學(xué)生對(duì)通信鏈路的認(rèn)識(shí)。如圖1所示，運(yùn)用Simulink簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了一個(gè)QPSK調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)，通過設(shè)置可以直觀看出信號(hào)經(jīng)過信道前后的星座圖，如圖2所示。同時(shí)也可以調(diào)用誤碼率模塊查看系統(tǒng)誤碼情況。

圖1 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真電路

圖2 QPSK信號(hào)經(jīng)過信道前后星座圖

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程進(jìn)行補(bǔ)充，加強(qiáng)通信原理的理論知識(shí)預(yù)習(xí)以及課堂的實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)，同時(shí)將Matlab仿真平臺(tái)引入到實(shí)驗(yàn)中，把抽象難懂的通信理論、通信系統(tǒng)、信號(hào)波形等內(nèi)容直觀顯示。這樣不僅提高學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力，為學(xué)生在以后的科研或者工作中都打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].6版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[2]徐彥凱,雙凱,姜珊.通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011(06).

[3]張鳴,李白萍.Matlab仿真在通信原理課程中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012(11).