層次化實(shí)驗(yàn)體系在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：為了充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在通信原理教學(xué)過(guò)程中的效能，提出了層次化實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)。結(jié)合“通信原理”課程特點(diǎn)，在闡述了多層次實(shí)驗(yàn)設(shè)置原則的基礎(chǔ)上，從演示驗(yàn)證、模塊構(gòu)建、自主編程和硬件平臺(tái)等幾個(gè)方面詳細(xì)給出了層次化實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建和實(shí)施方法。實(shí)踐表明，該方法能有效提高通信原理教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：層次化實(shí)驗(yàn)；通信原理；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：郭明喜（1978-），男，湖北武漢人，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，講師；高媛媛（1968-），女，湖北武漢人，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，教授。（江蘇 南京 210007）

基金項(xiàng)目：本文系解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院2012教改重點(diǎn)課程立項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：TYJG201207）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2012）31-0109-02

“通信原理”是通信和電子工程類(lèi)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)核心課程，也是后續(xù)“移動(dòng)通信”、“衛(wèi)星通信”等專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)。該課程特點(diǎn)是涉及知識(shí)面廣，公式和數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，很多概念和原理比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍比較吃力。而在教學(xué)過(guò)程中全方位引入實(shí)驗(yàn)?zāi)K，一方面可以變抽象為直觀，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

本著循序漸進(jìn)、靈活多樣的原則，結(jié)合通信原理教學(xué)內(nèi)容，我們?cè)O(shè)計(jì)了多層次的的實(shí)驗(yàn)體系。所謂多層次包括兩方面含義，一是在實(shí)驗(yàn)類(lèi)別上有層次之分，包括演示驗(yàn)證、模塊構(gòu)建、自主編程和硬件實(shí)現(xiàn)等多個(gè)層次；二是在具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上也有由簡(jiǎn)到繁、由易到難的層次之分。

一、層次化實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建和實(shí)施

為便于實(shí)施，我們重點(diǎn)構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)這個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)室完成的通信原理實(shí)驗(yàn)，其中的演示驗(yàn)證、模塊構(gòu)建和自主編程實(shí)驗(yàn)采用了MathWorks公司的MATLAB/Simulink軟件，而硬件實(shí)現(xiàn)則是基于自主研發(fā)的DSP+FPGA硬件平臺(tái)展開(kāi)，由學(xué)生在CCS和Quartus環(huán)境下完成編程、下載和調(diào)試工作，同時(shí)我們也編制了配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。

1.基于MATLAB庫(kù)函數(shù)的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)屬于最簡(jiǎn)單的一類(lèi)實(shí)驗(yàn)，利用MATLAB庫(kù)函數(shù)及自行開(kāi)發(fā)的一些函數(shù)包，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)簡(jiǎn)單輸入幾條命令，便可直觀得出結(jié)果。以基帶傳輸碼型及其頻譜分析為例簡(jiǎn)述其過(guò)程：

b=binary（1000）；%產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)

x=wave_gen（b，’unipolar_nrz’）；%產(chǎn)生單極性不歸零碼

subplot（211），waveplot（x）；%顯示時(shí)域波形

subplot（212），psd（x）；%顯示功率譜密度

其中binary、wave_gen、waveplot和psd等均為自行開(kāi)發(fā)的函數(shù)包，其余函數(shù)為MATLAB自帶。學(xué)生只需輸入上述4條命令，即可完成信號(hào)產(chǎn)生、波形成型、畫(huà)時(shí)域和頻域波形等功能，從而快速驗(yàn)證所學(xué)理論。此類(lèi)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)簡(jiǎn)單，能覆蓋通信原理所有核心內(nèi)容，既可用于課下練習(xí)，也可用于課堂演示，主要目的在于加深對(duì)抽象理論的感性認(rèn)識(shí)。由于此類(lèi)實(shí)驗(yàn)無(wú)需關(guān)注具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，故學(xué)生的自主參與程度低。

2.Simulink模塊構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Simulink是MATLAB下的一個(gè)軟件包，主要用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，其最大的特點(diǎn)是模塊庫(kù)豐富，且簡(jiǎn)單易學(xué)，只需使用鼠標(biāo)拖放相關(guān)模塊并將其連接即可。利用Simulink結(jié)合通信模塊庫(kù)可以快速構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要用于基本概念、基本原理的快速建模和仿真。例如在講授低通抽樣定理時(shí)，可以利用Simulink模塊建立如圖1所示模型，形象展示抽樣定理的內(nèi)涵。其中原模擬信號(hào)由隨機(jī)信號(hào)通過(guò)模擬低通濾波得出，其截止頻率即為模擬信號(hào)的最高頻率；采樣脈沖由脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生；采樣過(guò)程由乘法器完成；采樣信號(hào)由另一個(gè)模擬低通濾波器以恢復(fù)原信號(hào)。通過(guò)修改采樣脈沖序列的周期來(lái)模擬不同的采樣速率，可以方便的觀測(cè)原信號(hào)和抽樣信號(hào)的時(shí)域頻域波形，從而加深對(duì)低通抽樣定理內(nèi)涵的理解。對(duì)該模型稍加修改還可以演示平頂抽樣以及帶通抽樣原理。

此類(lèi)實(shí)驗(yàn)需在熟悉了相關(guān)理論及其實(shí)現(xiàn)框圖后實(shí)施，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可按要求自行設(shè)計(jì)，自主參與程度較高。

3.MATLAB自行編程構(gòu)建基本模塊

利用MATLAB現(xiàn)成的函數(shù)包或者Simulink模塊可以對(duì)“通信原理”課程中的理論部分進(jìn)行快速演示和驗(yàn)證，但為了加深對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的理解和靈活運(yùn)用，還需要利用m文件自行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)某些重要模塊，這也對(duì)學(xué)生提出了相對(duì)較高的要求。表1列出了“通信原理”課程中的一些主要實(shí)驗(yàn)，其中每一個(gè)模塊又分別從容易、較難、難三個(gè)層次給出了相關(guān)的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如基帶傳輸系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的產(chǎn)生以及基帶碼型的選取非常容易，觀察時(shí)域和頻域波形也不困難，難點(diǎn)是發(fā)送和接收濾波器的設(shè)計(jì)，如果發(fā)端采用的是理想矩形成形濾波，則收端的匹配濾波實(shí)現(xiàn)相對(duì)較容易；而如果采用的是更加實(shí)用的升余弦成形濾波，則收端的匹配濾波以及相關(guān)的處理就要復(fù)雜得多，實(shí)現(xiàn)的難度也更大；在基帶傳輸系統(tǒng)性能仿真中看似簡(jiǎn)單但極易出錯(cuò)的一個(gè)模塊就是加噪聲，給定信噪比后，需要結(jié)合成形后的發(fā)送信號(hào)的平均功率，準(zhǔn)確計(jì)算出噪聲的方差后才能產(chǎn)生合適的噪聲，否則得出的性能曲線(xiàn)就不會(huì)與理論曲線(xiàn)吻合；而基帶系統(tǒng)仿真中的一些輔助觀測(cè)模塊，如星座圖和眼圖等，以及存在碼間串?dāng)_時(shí)的均衡技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的難度也有所不同，可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況分層次組織實(shí)驗(yàn)。

表1 通信原理主要實(shí)驗(yàn)分類(lèi)表

容易較難難

碼型及頻譜分析單/雙極性不歸零碼/歸零碼（半占空）；差分碼任意占空比歸零碼；AMI碼HDB3碼編譯碼；基于FFT的頻譜分析

基帶傳輸系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生；基帶碼型選取；時(shí)域頻域波形的觀測(cè)矩形成形及匹配濾波；星座圖模塊升余弦成形及匹配濾波；加噪、眼圖、均衡等模塊

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生；2ASK/2FSK/

2PSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)；時(shí)頻域波形觀察2ASK/2FSK/2PSK解調(diào)的實(shí)現(xiàn)加噪聲模塊；匹配濾波；最佳接收模塊

現(xiàn)代調(diào)制系統(tǒng)QPSK調(diào)制解調(diào)及抗噪性能仿真OQPSK調(diào)制解調(diào)及抗噪性能仿真π/4 DQPSK/MSK調(diào)制解調(diào)及抗噪性能仿真

信道編碼（7，4）漢明碼的編譯碼循環(huán)碼的編譯碼卷積碼的編譯碼（viterbi）

此類(lèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生要求較高，在深刻理解相關(guān)概念和原理的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步研究其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，每一模塊均由學(xué)生自行編程實(shí)現(xiàn)，自主參與程度高。

4.DSP+FPGA的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

上述實(shí)驗(yàn)均是基于MATLAB/Simulink的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，為了能從實(shí)踐角度進(jìn)一步驗(yàn)證所學(xué)理論，需對(duì)相關(guān)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。為此，教學(xué)組開(kāi)發(fā)了一款基于DSP/FPGA加專(zhuān)用射頻模塊組成的通信系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

其中TI公司的兩塊DSP芯片TMS320C5416和TMS320C6713分別用于發(fā)射和接收模塊的基帶處理，Altera公司的FPGA芯片EP2C8T144用于完成數(shù)字上下變頻；專(zhuān)用射頻模塊的工作頻率為225-512MHz。基于該平臺(tái)，既可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)HDB3編譯碼、漢明碼編譯碼、基帶成形濾波、同步等模塊，也可以構(gòu)建基于BPSK等調(diào)制方式的完整的通信系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)示波器、無(wú)線(xiàn)通信分析儀等設(shè)備觀測(cè)眼圖、星座圖、時(shí)頻域波形等。

完成基于硬件平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)，不僅需要學(xué)生具備系統(tǒng)的理論知識(shí)，也需要具備相關(guān)的DSP、FPGA開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)一般需由多人組成團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，可在課程后期或課程結(jié)束之后的通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)階段實(shí)施，也可作為學(xué)生科技創(chuàng)新或畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的一部分。

二、教學(xué)效果

在通信原理教學(xué)過(guò)程中引入層次化實(shí)驗(yàn)體系，不僅有助于加深學(xué)生對(duì)抽象概念和原理的理解，更重要的是能加強(qiáng)對(duì)教學(xué)過(guò)程的管理，基于庫(kù)函數(shù)和Simulink模塊的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可作為隨堂作業(yè)布置，隨學(xué)隨練，貫穿教學(xué)全過(guò)程；自主編程以及硬件實(shí)驗(yàn)可預(yù)先發(fā)布實(shí)驗(yàn)提綱，由學(xué)生根據(jù)個(gè)人實(shí)際情況選擇合適層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提前準(zhǔn)備，完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程也基本貫穿整個(gè)學(xué)期。幾年來(lái)的實(shí)踐結(jié)果表明，該層次化實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)施，能有效提高“通信原理”課程的教學(xué)效果，同時(shí)也大大提高了學(xué)生的編程仿真和實(shí)踐能力，為后續(xù)課程甚至是研究生學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：孫晴）