文/張炎生 譚艷春 廖珊

1 通信原理實(shí)踐的背景

當(dāng)今社會(huì)，通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，高等教育的教學(xué)內(nèi)容必需要緊密結(jié)合當(dāng)前的科技發(fā)展?！锻ㄐ旁怼纷鳛橥ㄐ殴こ?、電子信息工程等專業(yè)的核心課程，又是移動(dòng)通信、光纖通信等后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，該課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、涉及面寬等特點(diǎn)。開(kāi)設(shè)通信原理實(shí)踐教學(xué)就是為了讓學(xué)生能理論與實(shí)踐結(jié)合，從而來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)理論知識(shí)的掌握，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。但是，目前大多數(shù)通信原理實(shí)踐教學(xué)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，還存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容局限性大、實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺少創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)方法缺少綜合性等問(wèn)題。主要表現(xiàn)為：實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是圍繞各廠家提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)開(kāi)設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，局限性大，學(xué)生缺少創(chuàng)造思維的空間；實(shí)驗(yàn)過(guò)程是通過(guò)實(shí)驗(yàn)前教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，然后學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)電路的連接、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量或用示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，將理論教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，因而學(xué)生缺少自主創(chuàng)新的培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)方法主要以課程單元內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)整體的概念，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)際用途沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí)，學(xué)生缺少綜合能力的培養(yǎng)。

綜上所述，為了培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，提高學(xué)生對(duì)通信原理課程學(xué)習(xí)的效果。對(duì)通信原理實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行改革勢(shì)在必行，具有十分重要的意義。

圖1：通信原理實(shí)踐教學(xué)改革技術(shù)路線

2 基于硬件系統(tǒng)仿真的通信原理實(shí)踐

（1）以學(xué)校的實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有實(shí)踐條件為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加或補(bǔ)充實(shí)踐教學(xué)設(shè)備和儀器。

（2）以現(xiàn)有通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備中各實(shí)驗(yàn)?zāi)K為主，以學(xué)生利用電子元件自制實(shí)驗(yàn)單元為輔，完善各單元實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要的硬件條件。

（3）以單元實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為基礎(chǔ)，以通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)貫穿通信原理課程各知識(shí)點(diǎn)為目標(biāo)。

（4）以學(xué)生自行設(shè)計(jì)模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)為主，老師給予適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)為輔，開(kāi)展系統(tǒng)仿真綜合性實(shí)踐教學(xué)。

（5）學(xué)生自行對(duì)設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)按各知識(shí)點(diǎn)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和分析，然后以小組或班級(jí)為單位，由學(xué)生進(jìn)行講解和演示通信系統(tǒng)的工作過(guò)程，達(dá)到探討式教學(xué)效果的目的。

3 基于硬件系統(tǒng)仿真的通信原理實(shí)踐

3.1 通信原理各知識(shí)點(diǎn)單元實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

單元實(shí)驗(yàn)電路或模塊結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱是通信原理課程知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)必備實(shí)踐條件，也是進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)或單元實(shí)驗(yàn)電路，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)一個(gè)完整的模擬通信系統(tǒng)或數(shù)字通信系統(tǒng)。因此，制作出一些性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理、接口標(biāo)準(zhǔn)、連接與測(cè)量方便的單元實(shí)驗(yàn)電路是非常重要的。

3.2 用單元實(shí)驗(yàn)電路構(gòu)建各類通信系統(tǒng)

在已有的單元實(shí)驗(yàn)電路的基礎(chǔ)上，如何利用它們來(lái)組建出一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，是檢驗(yàn)學(xué)生通信原理課程各知識(shí)點(diǎn)掌握的程度和動(dòng)手能力強(qiáng)弱的充分體現(xiàn)。它不僅要對(duì)每一個(gè)單元實(shí)驗(yàn)電路非常了解，同時(shí)還要考慮各單元電路連接后的相互融合及接口通信協(xié)議的相互兼容性等。鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和自主創(chuàng)新能力。

3.3 探討式通信原理實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)施

學(xué)生在完成通信系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)電路后，要對(duì)電路的各部分進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)層面的數(shù)據(jù)測(cè)量，并對(duì)測(cè)到的數(shù)量進(jìn)行分析。為了展示學(xué)生的自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的效果和成就，學(xué)生在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行演示和宣講，可以很好地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、自主創(chuàng)新能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。

3.4 硬件仿真通信系統(tǒng)的通信原理實(shí)踐教學(xué)條件的保障

實(shí)驗(yàn)中心為硬件仿真通信系統(tǒng)的通信原理實(shí)踐教學(xué)提供優(yōu)質(zhì)的條件是完成系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的前提條件。因此，團(tuán)隊(duì)成員和實(shí)驗(yàn)中心老師要根據(jù)硬件仿真通信系統(tǒng)的通信原理實(shí)踐教學(xué)改革總體方案要求，估計(jì)到學(xué)生自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)過(guò)程有可能需要的硬件條件，作好相關(guān)準(zhǔn)備并留有充分的余地，保證該項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的順利完成。

圖2：數(shù)字基帶通信系統(tǒng)原理框圖

圖3：數(shù)字基帶通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)連接圖

3.5 硬件仿真通信系統(tǒng)的通信原理實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的拓展——利用電子器件設(shè)計(jì)制作進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)踐改革

這部分實(shí)踐教學(xué)是需要學(xué)生在掌握了足夠的前續(xù)課程的相關(guān)知識(shí)，并具備了一定的實(shí)踐技能后，對(duì)實(shí)踐教學(xué)的一種開(kāi)拓與創(chuàng)新。創(chuàng)新性實(shí)踐內(nèi)容可結(jié)合大學(xué)生電子從事的設(shè)計(jì)大賽和其它科技創(chuàng)新活動(dòng)來(lái)進(jìn)行，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容可因人而異，對(duì)動(dòng)手能力比較強(qiáng)的學(xué)生，可多開(kāi)發(fā)一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，老師重點(diǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。而對(duì)于動(dòng)手能力一般的學(xué)生，可適當(dāng)進(jìn)行引導(dǎo)，開(kāi)拓他們的視野。

4 基于硬件系統(tǒng)仿真的通信原理實(shí)踐路線

目前，基于系統(tǒng)仿真的實(shí)驗(yàn)方法主要有基于硬件的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)和基于軟件的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)二種。基于軟件的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)是利用Matlab等軟件平臺(tái)進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有直觀性和親身體驗(yàn)感?；谟布南到y(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)，是在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將課程所涉及到的所有知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)組成與現(xiàn)實(shí)本一致的模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱和電子器件等硬件設(shè)備，采取按知識(shí)點(diǎn)為單元的硬件模塊結(jié)構(gòu)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)一個(gè)完整的模擬通信系統(tǒng)或數(shù)字通信系統(tǒng)。其改革技術(shù)路線如圖1所示。

5 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)

數(shù)字基帶通信系統(tǒng)，需要提供的單元電路有：信號(hào)源單元、PAM抽樣單元、A/D編碼單元、信道單元、信宿單元。其原理框圖如圖2所示。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，對(duì)最高頻率為fH的信號(hào)，需要采用大于等于2fH的脈沖序列對(duì)其抽樣，然后通過(guò)量化將抽樣值取值無(wú)限變?yōu)槿≈禋w入不同等級(jí)，經(jīng)過(guò)對(duì)量化后的等級(jí)值進(jìn)行編碼，將模擬信號(hào)變成0、1組合的二進(jìn)制代碼，即數(shù)字信號(hào)。抽樣頻率取的越高，等級(jí)劃分的級(jí)別越多，編碼出來(lái)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)碼率相應(yīng)就越高，對(duì)信號(hào)的描述也就越細(xì)膩；但相應(yīng)的信號(hào)傳輸碼元速率也越大，傳輸在帶寬也就越寬。

數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)連接如圖3所示。根據(jù)連接圖可以對(duì)通信系統(tǒng)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和分析，主要測(cè)量點(diǎn)有：

（1）對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的模擬信號(hào)、抽樣脈沖及各種同步信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并可任意改變模擬信號(hào)和抽樣脈沖的頻率，觀察在滿足和不滿足抽樣定理情況下信號(hào)傳輸后的失真變化。

（2）對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行編碼的結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，模擬信號(hào)數(shù)字化編碼的方式可以選擇脈沖幅度調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制、增量調(diào)制等不同的方式，分析它們編碼的結(jié)果。

（3）對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸后的結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，在信道單元中，可以選擇加入或不加入噪聲來(lái)觀察和體會(huì)數(shù)字信號(hào)在信道中傳輸過(guò)程中加入不同大小的噪聲時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸约皩?duì)接收信號(hào)恢復(fù)的影響。

（4）對(duì)接收端譯碼單元恢復(fù)的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，充分理解到數(shù)字化后的數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、能通過(guò)中繼再生消除噪聲的干擾等優(yōu)點(diǎn)。

（5）對(duì)各種同步信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)改變同步信號(hào)的頻率，分析同步信號(hào)的作用以及對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)工作的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)踐教學(xué)中引入利用硬件進(jìn)行通信系統(tǒng)的仿真，增強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)的多樣性，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)涉及的范圍，改善了原有圍繞狹義地進(jìn)行單一知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的局面，將課程中多個(gè)知識(shí)點(diǎn)串通起來(lái)，形成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，利用硬件仿真形象生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)通信系統(tǒng)的理解更加透徹，而且使學(xué)生掌握利用硬件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的方法，開(kāi)闊學(xué)生的思路、視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，達(dá)到學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的目的。