高 翔

山東大學(xué)(威海)機(jī)電與信息工程學(xué)院 山東威海 264209

一、概述

新工科建設(shè)是國(guó)家為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、支撐“服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略而采取的重要舉措?！靶鹿た啤币笈囵B(yǎng)能夠適應(yīng)、引領(lǐng)未來(lái)工程需求的人才。通信原理課程是電子信息工程、通信工程等專(zhuān)業(yè)課程體系中的核心課程,針對(duì)通信原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)計(jì)更應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)“新工科”培養(yǎng)的要求。目前國(guó)內(nèi)高校的通信原理實(shí)驗(yàn)主要采用硬件實(shí)驗(yàn)箱或軟件仿真的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不能滿(mǎn)足對(duì)課程內(nèi)容中各類(lèi)知識(shí)點(diǎn)有針對(duì)性、分層級(jí)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐訓(xùn)練要求,特別是不能夠滿(mǎn)足對(duì)通信原理課程特點(diǎn)所要求的通信系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行認(rèn)識(shí)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的要求。[1]本文設(shè)計(jì)了一套針對(duì)通信原理課程不同知識(shí)點(diǎn)、不同教學(xué)要求的分層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系和內(nèi)容,針對(duì)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)采用硬件電路實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),旨在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證基本原理的電路構(gòu)成,并通過(guò)改變電路參數(shù)表現(xiàn)出不同的性能結(jié)果;針對(duì)通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)各模塊的分析和設(shè)計(jì)方法,采用軟件仿真的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),旨在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)原理和不同實(shí)驗(yàn)方法,并通過(guò)改變程序使模塊適應(yīng)不同種類(lèi)通信系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)要求;針對(duì)通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的整體性、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)采用軟件無(wú)線(xiàn)電的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),旨在幫助學(xué)生更為容易地建立通信系統(tǒng)的概念,學(xué)生不必關(guān)注復(fù)雜的系統(tǒng)硬件搭建,只需要在通用的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)中進(jìn)行各模塊的編程以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,即可實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的通信功能。

二、通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

通信原理課程要求學(xué)生系統(tǒng)性地掌握經(jīng)典數(shù)字通信系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu),同時(shí)通信原理中相應(yīng)模塊原理和通信協(xié)議方法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)相對(duì)復(fù)雜,理論性較強(qiáng)。[2]因此,為了幫助學(xué)生更容易地掌握經(jīng)典數(shù)字通信系統(tǒng)的架構(gòu)以及抽象化的原理和概念,任課教師需要在教學(xué)過(guò)程中有針對(duì)性地、合理地引入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),這樣理論加實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式才能幫助學(xué)生很好地掌握通信原理課程所要求的知識(shí)點(diǎn)和系統(tǒng)框架,提升學(xué)生對(duì)于課程的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生在通信工程方面的實(shí)踐動(dòng)手能力。[3-5]

(一)硬件實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)模式

使用硬件式實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式是目前國(guó)內(nèi)眾多高校開(kāi)展通信原理課程實(shí)驗(yàn)的主要模式。這種模式在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí),只需要學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)的實(shí)驗(yàn)步驟使用相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路模板,進(jìn)行簡(jiǎn)單的系統(tǒng)連線(xiàn),通過(guò)開(kāi)關(guān)和旋鈕來(lái)控制電路中相關(guān)器件參數(shù),然后利用示波器等設(shè)備就可以比較直觀(guān)地觀(guān)察到對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

這種配套實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展模式,好處在于可以承接學(xué)生之前課程體系中所學(xué)電子電路類(lèi)的相關(guān)課程,使學(xué)生便于上手開(kāi)展實(shí)驗(yàn),同時(shí)可以幫助學(xué)生了解通信系統(tǒng)各模塊的基礎(chǔ)電路構(gòu)成。但是,這種實(shí)驗(yàn)方式也有不足之處。首先,這種實(shí)驗(yàn)方式不方便學(xué)生觀(guān)察通信信號(hào)的頻域特性,如幅頻特性和相頻特性,因此學(xué)生不能從信號(hào)的不同域全面掌握信號(hào)傳輸特性。其次,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往不需要進(jìn)行電路分析,對(duì)于現(xiàn)成的電路模板拿來(lái)即用,不需要思考電路的工作原理,僅是簡(jiǎn)單的連線(xiàn)實(shí)驗(yàn),對(duì)于學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)上有不足之處。最后,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通信系統(tǒng)的收發(fā)信機(jī)是通過(guò)簡(jiǎn)單連線(xiàn)完成,沒(méi)有真實(shí)仿真無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的信道干擾和噪聲等場(chǎng)景,不能很好地幫助學(xué)生理解信道這一重要概念。

(二)軟件仿真教學(xué)模式

使用軟件仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)發(fā)展在近些年高校中開(kāi)展通信原理配套實(shí)驗(yàn)的一種新模式。這種模式在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí),只需要學(xué)生按照軟件操作手冊(cè)上的步驟利用計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)的各模塊,通過(guò)代碼和模塊連接即可進(jìn)行不同種通信模塊和協(xié)議的仿真實(shí)驗(yàn)。

這種配套實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展模式,好處在于不需要像硬件實(shí)驗(yàn)箱那樣需要在硬件設(shè)備和測(cè)量設(shè)備上花費(fèi)較多資金,只需要有計(jì)算機(jī)和配套的實(shí)驗(yàn)軟件即可,開(kāi)設(shè)簡(jiǎn)單方便。同時(shí)該種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢苑奖銕椭鷮W(xué)生掌握通信信號(hào)的頻域特征,實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)代碼完成,對(duì)應(yīng)復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)完全由計(jì)算機(jī)仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接、清晰,不需要經(jīng)過(guò)電路板調(diào)試。但是,這種實(shí)驗(yàn)方式也有不足之處。首先,學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)所涉及的電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有直觀(guān)認(rèn)識(shí),不能很好地掌握通信系統(tǒng)各模塊的底層電路結(jié)構(gòu)。其次,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的測(cè)量?jī)x器設(shè)備和信號(hào)發(fā)生裝置均為計(jì)算機(jī)仿真設(shè)備,對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握設(shè)備使用上沒(méi)有幫助。最后,仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較為理想,不能幫助學(xué)生鍛煉硬件電路調(diào)試能力,對(duì)于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)不利。

三、針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程研究與設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)通信原理課程配套實(shí)驗(yàn)的多年教學(xué)總結(jié)和調(diào)查研究,本文提出一種針對(duì)通信原理課程教學(xué)內(nèi)容層次、強(qiáng)調(diào)通信原理系統(tǒng)框架掌握、突出學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)的多層次、符合“新工科”建設(shè)要求的通信原理課程實(shí)驗(yàn)體系和內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)體系強(qiáng)調(diào)由單獨(dú)知識(shí)點(diǎn)配套實(shí)驗(yàn),到通信系統(tǒng)模塊和原理實(shí)驗(yàn),再到通信系統(tǒng)整體架構(gòu)實(shí)驗(yàn)的由淺入深、由點(diǎn)到面、由局部至整體的漸進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和動(dòng)手能力培養(yǎng)體系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面,根據(jù)獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)要求簡(jiǎn)潔、快速、容易驗(yàn)證的特性,設(shè)計(jì)了由傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱配套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容;根據(jù)通信系統(tǒng)局部模塊要求掌握通信協(xié)議模型、信號(hào)處理流程的特性,設(shè)計(jì)了由軟件仿真配套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容;根據(jù)通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)整體結(jié)構(gòu)要求掌握系統(tǒng)搭建框架、系統(tǒng)模塊組合關(guān)系以及配套協(xié)議和方法的特性,設(shè)計(jì)了由軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)配套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。

(一)依托實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)的硬件實(shí)驗(yàn)

使用實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)中各電路板,通過(guò)簡(jiǎn)單連線(xiàn),利用萬(wàn)用表和示波器來(lái)進(jìn)行通信原理課程中的知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式。目前我校使用的是LTE-TX-03 A型通信原理實(shí)驗(yàn)箱。

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系,硬件實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)主要針對(duì)通信原理課程中的各獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如:基帶傳輸?shù)幕敬a型、眼圖、鎖相環(huán)、載波同步、幀同步等實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)方式可以幫助學(xué)生直觀(guān)、快速地完成實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證課堂中所學(xué)理論知識(shí)點(diǎn),同時(shí)可以有效地承接課程知識(shí)體系中在通信原理課程前邊完成的一系列電路類(lèi)課程,便于學(xué)生形成完整的課程知識(shí)體系。同時(shí),這種實(shí)驗(yàn)方式的操作非常簡(jiǎn)單,只需要進(jìn)行電路板間的連線(xiàn),并對(duì)部分開(kāi)關(guān)和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,即可在示波器中呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這對(duì)于“新工科”建設(shè)要求中所要求的厚基礎(chǔ),也就是強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)非常有幫助。

表1 依托實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)開(kāi)展的通信原理硬件實(shí)驗(yàn)情況

這種實(shí)驗(yàn)方式的缺點(diǎn)也十分明顯,因?yàn)橛布娐房删幊棠芰Φ那啡?所以針對(duì)需要編程設(shè)計(jì)的通信編譯碼、調(diào)制解調(diào)等方面的實(shí)驗(yàn)效果非常有限,因此這部分的實(shí)驗(yàn)采用依托MATLAB仿真軟件的軟件實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

(二)依托MATLAB仿真軟件的軟件實(shí)驗(yàn)

使用MATLAB編程語(yǔ)言和編程模塊,通過(guò)程序代碼的書(shū)寫(xiě)和編程模塊的連接進(jìn)行通信原理課程中的可編程知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。目前我校有專(zhuān)用機(jī)房配備安裝有MATLAB軟件的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系,軟件實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)通信原理課程中的需要編程實(shí)現(xiàn)的模塊和協(xié)議來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如,信源編譯碼、PCM編碼、信道編譯碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)等實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)方式可以較為靈活地通過(guò)程序代碼及編程過(guò)程中各參數(shù)的改變和調(diào)整幫助學(xué)生更為深刻理解這部分知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容和邏輯原理。同時(shí),這種實(shí)驗(yàn)方式可以有效銜接學(xué)生在前導(dǎo)軟件類(lèi)課程中所學(xué)習(xí)的知識(shí),對(duì)于使用軟件工具針對(duì)具體的通信系統(tǒng)知識(shí)的仿真實(shí)現(xiàn)有很大的幫助,便于更好地形成完整課程知識(shí)體系。這對(duì)于“新工科”建設(shè)要求所要求的寬口徑,也就是強(qiáng)調(diào)使用多種工具對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化應(yīng)用非常有幫助。

表2 依托MATLAB仿真軟件開(kāi)展的通信原理軟件實(shí)驗(yàn)情況

這種實(shí)驗(yàn)方式的缺點(diǎn)也十分明顯,因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中所有通信系統(tǒng)的模塊和測(cè)量設(shè)備均由代碼和虛擬儀器代替,因此學(xué)生不能很好地對(duì)實(shí)體設(shè)備進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)。

(三)依托軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的綜合實(shí)驗(yàn)

使用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)可以利用其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件設(shè)備,通過(guò)軟件方式定義通信系統(tǒng)中的通信協(xié)議、空中接口和相關(guān)功能進(jìn)行通信原理課程中要求的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前我校使用的是北京威視銳科技的Y310軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)。

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系,軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)通信原理課程中的綜合性實(shí)驗(yàn)。例如:數(shù)字通信系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的搭建、與舊體制電臺(tái)的通信、OFDM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和MIMO系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。這種實(shí)驗(yàn)方式既用到了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件設(shè)備,又可以通過(guò)軟件定義的方式對(duì)相關(guān)通信協(xié)議、編碼方式和調(diào)制方式等按需要進(jìn)行更改,使搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有更高的整體性、開(kāi)放性和靈活性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以很好地利用平臺(tái)組件化、軟件化的思維進(jìn)行一個(gè)完整、復(fù)雜通信系統(tǒng)的搭建和實(shí)驗(yàn),同時(shí)學(xué)生可以很好地銜接前邊分別基于硬件、軟件的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中由點(diǎn)到系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)階。

表3 依托MATLAB仿真軟件開(kāi)展的通信原理軟件實(shí)驗(yàn)情況

這種實(shí)驗(yàn)方式對(duì)于在學(xué)期末進(jìn)行綜合性、整體性的課程實(shí)驗(yàn)有非常明顯的優(yōu)點(diǎn),且對(duì)于學(xué)生有較高的知識(shí)結(jié)構(gòu)要求,富有挑戰(zhàn)性,是對(duì)學(xué)生這門(mén)課程所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用的最佳途徑。

四、結(jié)論

本文通過(guò)“新工科”建設(shè)要求下的通信原理課程要求進(jìn)行了系統(tǒng)性分析,調(diào)研了目前國(guó)內(nèi)各高校開(kāi)展同類(lèi)實(shí)驗(yàn)所使用的方法和配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備,針對(duì)通信原理課程中各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的具體要求,分析了適合各類(lèi)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行配套實(shí)驗(yàn)的最佳手段,提出了針對(duì)課程中不同知識(shí)點(diǎn)要求的多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系,通過(guò)硬件、軟件和軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)等多種手段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過(guò)針對(duì)2019級(jí)量子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生按照新體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展的情況統(tǒng)計(jì)和總結(jié),學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的參與興趣明顯提升,實(shí)驗(yàn)輔助課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)效果很好,學(xué)生建立通信系統(tǒng)整體框架概念的情況很好,基本達(dá)到了“新工科”建設(shè)所要求的學(xué)生工程意識(shí)的建立和學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的提升。

從成績(jī)的角度來(lái)看,學(xué)生通信原理實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)相較于以往有10%左右的提升,學(xué)生評(píng)教成績(jī)較以往有5%左右的提升。通過(guò)多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系的鍛煉,目前已經(jīng)有30余名學(xué)生將軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)應(yīng)用于“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等高校學(xué)生課外競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)中,多人次在全國(guó)賽和省級(jí)賽中獲獎(jiǎng)。從多層級(jí)實(shí)驗(yàn)課程體系實(shí)施過(guò)程中的反饋意見(jiàn)來(lái)看,學(xué)生反映的問(wèn)題主要集中在課程難度的提升,使部分基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的學(xué)生不能很好跟上實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的進(jìn)度,后期需要任課教師在學(xué)生補(bǔ)齊基礎(chǔ)短板方面多增加一些學(xué)時(shí)以及有針對(duì)性的指導(dǎo),保證新的實(shí)驗(yàn)課程體系惠及全體學(xué)生。