通信原理實驗內容的設計與改革

【摘要】實驗是通信原理課的重要教學環節，本文在對原理驗證性實驗內容進行重新梳理的基礎上，根據通信新技術的發展，規劃了系統級的仿真實驗和開發性實驗，為本課的教學提供了有力的支撐。

【關鍵詞】通信原理實驗 原理驗證 仿真實驗 開發性實驗

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）08-0227-02

通信原理是信息與通信工程學科的核心骨干課程，主要講授調制、解調、編碼、解碼、同步、復用等原理，知識點多原理復雜，概念抽象數學推導多，老師難講好，學生難學懂。為了幫助學生對原理的理解和提高工程實踐能力，全國各高校的通信原理課普遍設有實驗環節，但大部分高校的實驗都是原理驗證性實驗，不利于拓展學生的視野和激發他們的創新潛能。根據筆者多年的教學經驗，結合通信技術飛速發展的實際，并從我院新一輪教學改革要求出發，將通信原理課程教學的實驗做了大幅度的調整，按原理驗證性實驗、系統仿真實驗、開發性實驗進行了分類，并對內容進行了全新的設計改革。

1.原理驗證性實驗

原理驗證性實驗是通過實驗過程得到與所授原理內容相一致的結果的實驗，實驗內容就是課堂重點講授的關鍵性原理，原理驗證性實驗可以幫助學生將理論與實際通信信號進行對比印證，加深對通信原理的理解，增強學生對通信電路的具體認識，并可幫助學生對通信系統的組成及工作過程產生初步的理解。這類實驗主要包括模擬調制技術實驗、多進制數字調試系統實驗和編碼與解碼實驗。

1.1模擬調制技術實驗

模擬調制實驗主要包括振幅調制（AM）、單邊帶調制（SSB）、雙邊帶調制（DSB）和頻率調制傳輸系統等實驗。通過這些實驗，學生可觀察對比調制信號、載波信號和已調信號的波形，通過改變參數設置，分析通信系統的調制解調方法及抗噪聲性能分析，圖1和圖2是雙邊帶調制的MATLAB仿真過程及結果。做此實驗前，要求學生熟悉DSB調制解調的原理，獨立建模并得出實驗結果，以加深學生對相關知識的理解。

1.2多進制數字調制系統實驗

為順應數字通信系統的多進制技術趨勢，在數字調制系統實驗中將傳統的二進制改為多進制，開設QPSK傳輸系統實驗、π/4DQPSK傳輸系統實驗、MSK及GMSK傳輸系統實驗。

QPSK傳輸系統實驗，通過觀察基帶調制信號和QPSK調制信號的波形和頻譜，掌握QPSK信號的調制解調方法。

π/4DQPSK傳輸系統實驗，π/4DQPSK調制是一種正交相移鍵控技術，它能夠進行非相干解調，從而使接收機設計大大簡化。在實驗中，觀察π/4DQPSK調制信號的包絡與基帶信號波形，分析兩者關系和調制信號頻譜。在增大頻差和減小頻差的情況下，觀察接收端I路和Q路的矢量圖，掌握接收端解調器眼圖信號的觀測和抗噪聲性能分析。

MSK及GMSK傳輸系統實驗，高斯最小頻移鍵控（GMSK）是由最小頻移鍵控（MSK）演變來的一種簡單的二進制調制方法，在實驗中將調制的不歸零（NRZ）數據通過預調制高斯脈沖濾波器，使其頻譜中的旁瓣水平進一步下降，能量更加集中。觀察GMSK和MSK調制信號包絡和頻譜，通過增大信道噪聲功率，分析系統的抗噪聲性能，進而掌握兩種系統的調制解調基本原理。

1.3編解碼實驗

編解碼內容主要依靠的是數學基礎，其生成矩陣和監督矩陣的轉換過程不方便用硬件電路來體現，而且實驗的直觀性不強，因此多要求學生編寫程序，并通過仿真軟件實現。要示學生對生成矩陣和監督矩陣的原理及應用有較深刻的理解。圖3和圖4就是（2，1，2）卷積碼編解碼VHDL在ModelSim中的仿真實現。

2.系統仿真實驗

作為以硬件為主的實訓平臺的補充，增加基于計算機的通信仿真實驗。通信仿真軟件可以方便、直觀、形象地構建通信系統，提供豐富的集成模塊資源，并具有強大的分析能力，可對硬件開發提供方案論證和實踐指導。現代通信原理仿真實驗可以利用ModelSim、Matlab/Simulink、SystemView等多種通信仿真軟件進行原理實驗。例如，分析BFSK系統的輸出信噪比對誤碼率的影響時，一方面可以進行理論推導，同時可以進行快速仿真，學生可以任意改變實驗參數，甚至可以根據需求改變功能模塊及其連接，通過設置不同條件的仿真要求，來達到訓練考察學生動手能力的目的。

CDMA是一種以擴頻調制為基礎的多址連接技術，信號具有隱蔽性、保密性和抗干擾等優點，被廣泛應用于現代通信中。以硬件平臺來實現功能的難度很大，但通過仿真手段可很方便地搭建系統。通過仿真實驗，使學生掌握m序列的產生及其性能分析方法，CDMA產生方法及接收信號頻譜變化的特點，圖5和圖6分別是系統仿真和信源頻譜圖。

3.開發性實驗

通信理論發展很快，當前通信系統中經常應用的QPSK、MSK、GMSK及廣泛應用的CDMA等傳輸系統無法在實訓平臺上進行模擬實驗，只能依靠老師講解的傳統方式教學。為了提高學生分析問題、解決問題的能力，增強主動性和創造性，應增設開發性設計實驗，要求學生進行實際通信系統的開發性實驗，并利用FPGA/CPLD設計和制作單元實驗電路。

開發性實驗順應了大量使用DSP和FPGA實現通信功能的新趨勢，增設了在此基礎上的QPSK傳輸系統實驗、π/4DQPSK傳輸系統實驗、MSK及GMSK傳輸系統實驗、CDMA傳輸系統實驗、漢明編碼譯碼實驗、可變分頻器實驗、m序列的產生實驗、幀同步實驗、CDMA擴頻調制解調實驗、卷積編碼器實驗，通過對具體通信電路的設計，提高了學生對通信系統的設計開發能力。

利用開發性設計實驗室，吸收學生參加科研和實驗改革，培養學生分析問題的能力、探索能力和創新能力。開發性實驗設計是培養學生創造思維的一條有效途徑，對于求知欲強、實驗興趣濃、動手能力強的學生，老師應鼓勵他們做自己愛好的項目或組成團隊參加具體的課題或項目的研究。

綜上所述，三種類型實驗層次分明、目的明確、循序漸進，既有簡單也有復雜，既有基礎也有提高，既能鞏固知識點也能激發創新思維。本學期按照這個實驗課程規劃實施，從學員的學習積極性、掌握知識點多少、創新能力等角度來看，已經取得明顯的效果。作為新時期的教育工作者，只有從各個方向加入新的思維、新的舉措，因材施教，與時俱進，不斷革新，才能將一門基礎理論性強、涉及知識面廣、技術更新快的課程教學水準進一步得到提高。