“通信原理”大作業教學的探索與實踐

蔣鈴鴿，蘇胤杰

(上海交通大學電子工程系，上海200240)

“通信原理”是通信工程專業(包括信息工程、電子工程和無線電技術等專業)的一門主干專業課［1]。本系在“通信原理”課程教學改革的過程中，對作業環節進行了精心的設計，在安排了傳統的習題形式的作業的基礎上，針對課程的重點和難點內容，又特別安排了以軟件仿真形式為主的大作業。

1 大作業的內容設置

“通信原理”，主要分為模擬通信和數字通信兩部分。由于數字通信發展迅速，并且已成為當前通信發展的主流，因此它成為本課程越來越重要的內容。本文主要圍繞數字通信的相關知識點，設計本課程大作業的內容，具體包括以下五個分項。

1)數字調制是現代數字通信技術的重要組成部分，除了數字幅度調制、數字頻率調制和數字相位調制這三種基本的調制方式以外，近年來又陸續出現了一些新的數字調制技術，如QAM和MSK等，這些內容都是本課程教學的重點。大作業首先要求學生編程產生一組隨機的0、1二進制比特序列，分別用2ASK，2FSK，2PSK和2DPSK四種調制方式進行調制，調制參數自定，并要求給出前16個比特所對應的時域波形;在此基礎上，大作業進一步要求對QAM和MSK這兩種調制技術進行仿真和驗證，觀察和記錄實驗得到的時域信號。

2)為了加深學生對通信中隨機信號和噪聲的基本概念以及與之相關的隨機過程和概率分布的數學知識的理解，課內大作業要求學生通過查找相關資料，編寫高斯白噪聲的產生函數，通過仿真實驗，觀察和記錄疊加高斯白噪聲后的已調信號波形，直觀地體驗實際通信中噪聲對傳輸信號的影響。

3)數字帶通傳輸系統的解調分為相干和非相干兩種方式，并且不同的數字調制方式所對應的接收機解調模型也有所區別。為了強化學生對各種解調模型的記憶，加深其對解調原理的理解，大作業首先要求學生分別給出2ASK，2FSK，2PSK和2DPSK四種已調信號通過高斯白噪聲信道后的相干解調和(或)非相干解調的原理框圖，給出判決前觀測值的數學表達式;隨后通過編程，仿真實現各模型的解調過程。對于無法進行非相干解調的某些調制方式，要求學生在作業報告中闡述原因，以此幫助其理解相干和非相干這兩種解調方式的區別，從而能正確地掌握它們的應用。

4)為了使學生掌握數字通信中接收機的判決原理和方法，加深對抗噪聲性能的理解，大作業要求學生根據接收機的數學表達式，通過編程，仿真實現各接收模型的判決過程，并且從判決結果統計出各自在不同比特信噪比(Eb/N0)下的誤比特率(Pb)，從而給出Pb與Eb/N0(dB)的曲線。

5)大作業要求學生將4)中仿真得到的誤比特率曲線與各自的理論值曲線進行比較和分析;還要求比較和討論1)和3)中各調制與解調方式的差錯性能差異。

作為輔助“通信原理”課程教學的一種作業形式，該大作業的優點之一在于其內容的安排可以具有一定的靈活性。因此，針對本課程教學中反映出的新情況以及對學生能力培養的新要求，我們還在不斷豐富和完善大作業的內容。例如，作為當前流行的圖形化開發環境，LabVIEW實現了創建程序模塊化，易于調試、理解和維護，而且程序編程簡單、直觀［4]。在我們的課堂教學中，基于LabVIEW的教學演示已收到良好的效果。有此基礎，我們準備圍繞課程的重點和難點，并結合當前通信發展的新技術，在今后的大作業內容設置上增加基于LabVIEW平臺的仿真設計，進一步豐富課內大作業的內容。

2 大作業的開展形式

大作業以軟件仿真實驗為主要形式，是對傳統的書面習題型作業的一種補充。大作業不同于常規的專業實驗課程，其具有更加靈活新穎的開展形式，充分賦予了學生學習的自主性。作業開展采用如下形式。

1)本課程的大作業由學生以小組為單位，兩人一組，自行組合。課內布置后利用課外時間完成。在完成作業的過程中，鼓勵小組之間進行交流與討論，提出問題，拓展思路。

2)在大作業進行的過程中，教師與學生之間通過電子郵件進行交流，我們鼓勵學生利用計算機網絡展開討論和學習。我系的信息傳輸與處理實驗室的服務器上開設了專門的ftp空間，向學生發布有關大作業的說明資料，并且針對作業進行過程中學生提出的共性問題，及時地反饋指導意見。

3)為了提高學生獨立思考能力，我們鼓勵學生用所掌握的C、C++、Matlab及Java等不同編程語言進行嘗試，以期達到實驗方法的多樣化［3]。

4)我們還鼓勵學生在完成大作業安排的限定任務以外，對本課程內其他一些感興趣的內容自主地進行編程仿真、驗證和研究。

5)學生在完成大作業后應提交一份報告，作為大作業成績評定的依據。該成績最終作為平時成績的一部分計入“通信原理”課程的總成績。在作業報告中，學生可以將大作業過程中的心得和體會向教師反饋。我們也會根據學生的建議，進一步調整和完善大作業設計。

3 大作業的積極作用

1)目的明確，形式新穎，我們利用了當前學生熱衷于借助計算機網絡進行學習的特點，充分地調動了學生對“通信原理”課程的學習積極性。學生通過校園網，在我校的電子布告欄系統上就大作業的相關內容展開了熱烈的討論，其中涌現出不少好的觀點和方法。

2)仿真實驗與理論結果對比分析

對比分析可以加深學生對書本上理論知識的理解。例如，在2ASK非相干解調時，學生將仿真得到的誤碼率曲線與理論值曲線進行對比，發現在小信噪比時有所偏差。學生明確了課本上給出的理論公式是在大信噪比條件下的近似公式。部分學生還通過查閱資料和數學推導，獲得了精確表達式，并通過編程實驗進行了驗證。

3)用數學方法解決具體問題

例如，數字帶通系統可以采用不同的調制和解調方式來實現，然而在不同的方式下推導判決門限與差錯概率所使用的基本的數學方法是相同的。

4)引導學生鉆研專業知識，擴大知識面

例如，本課程教材沒有涉及高斯白噪聲的產生方法，在大作業開展過程中，學生在老師的提示下通過查閱相關的資料，根據瑞利變量與高斯變量之間的聯系，編程實現了高斯白噪聲的產生函數。

5)提高分析和解決綜合性問題的能力

例如，學生通過仿真實驗，對比不同調制和解調方式的誤比特率曲線，對各種方式的實現復雜度以及差錯性能進行總結。在實驗中，學生將調制、AWGN信道和接收解調綜合成完整的數字帶通系統，通過編程予以實現。

6)對課程的理論和實驗教學起到了輔助作用

該作業形式使得學生可以利用相對充裕的課外時間，加深對課程重點和難點內容的理解。在培養了學生獨立思考和研究性學習能力的同時，又在課堂教學之外開辟了師生教學交流的新平臺

4 結語

我系“通信原理”課程大作業的內容安排目的明確和規范，形式新穎，優點突出，對課程教學起到了重要的輔助作用。教學實踐的效果表明，該新穎的作業形式提高了學生的學習積極性，幫助學生更好地理解和掌握了課程的重點和難點，理清了眾多知識點之間的聯系，有效地提高了教學的質量。同時還促進了學生的獨立思考，培養和增強了學生研究性學習以及分析、解決綜合性問題的能力。學生在受益的同時也積極獻策，提出了許多有益的建議。我們將在增強大作業內容的豐富性、新穎性等方面繼續努力，使這一新穎的作業形式得到進一步的完善。

［1] 韓聲棟，蔣鈴鴿，劉偉.通信原理［M] .北京:機械工業出版社，2008

［2] 姚遠，董世龍，凌毓濤，吳彥文，姜玲云.“通信原理”網絡教學系統設計［J] .南京:電氣電子教學學報，2007，29(3)

［3] 蔣鈴鴿，黃繼翔.“通信原理”多元化教學的探索實踐［J] .南京:電氣電子教學學報，2009，3(31)

［4] 劉翠響，王寶珠，賈志成.LabVIEW在“高頻電子線路”實驗教學中的應用［J] .南京:電氣電子教學學報，2006，28(6)