通信原理實驗教學探討

摘要：針對通信原理實驗教學傳統實驗箱模式和計算機仿真模式存在的弊端，探索出新的逐級提高的三級教學模式。首先進行模塊化的驗證性實驗，然后進行模塊功能自主實現的仿真設計型實驗，最后上升為結合硬件描述語言和硬件平臺的綜合設計型實驗。教學實踐表明，新的教學模式能較好地激發學生的學習興趣，增強學生的實踐動手能力和科技創新能力，有效地提高了通信原理的教學效果。

關鍵詞：通信原理；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0073-02

通信原理課程是通信工程、信息工程、網絡工程、信息對抗等電子信息類專業的一門重要理論課程，也是一般專業基礎課與專業課之間的“橋梁”課程，承擔著從一般基礎理論到實踐應用、從個體功能到整體系統的重要過渡，對培養學生通信理論分析與綜合應用能力有著非常重要的作用。[1]

然而，該門課程理論性強，公式和相關數學推導繁多，許多概念和原理非常抽象，這就需要在理論教學中合理而高效地引入實驗環節，將枯燥抽象的概念和原理具體化、形象化。這樣，既可以讓學生深入地掌握理論知識，又可以提高學生的學習興趣，鍛煉學生的實際動手能力。

一、通信原理實驗教學現狀

1.傳統的實驗箱教學模式

目前的通信原理實驗教學主要采用傳統的通信原理綜合實驗箱進行驗證性實驗。學生在整個實驗過程中只需根據實驗內容找到相應的電路板模塊，然后按照實驗操作步驟進行簡單的連接電路和撥動開關就可以利用示波器觀察輸出波形和相關數據。實驗操作簡單，驗證效果直觀形象，能夠加深學生對相關理論的理解。

然而，這種實驗箱模式的實驗教學對培養學生綜合思維能力、創新能力和動手能力方面所起的作用不大，主要體現在：第一，學生在做這類實驗時往往不考慮實驗原理，不做電路分析，只是機械地在實驗箱電路板上進行連線測試，在預留的測試點觀察波形和數據，甚至波形和數據是否正確都不知道。實驗做完后，通過抄寫實驗指導書上的實驗步驟和公式，簡單整理數據便形成了實驗報告，導致實驗報告幾乎是千篇一律。第二，這類驗證性實驗動手調節部分少，實驗過程中也幾乎不會遇到操作難點，這樣經過兩到三次實驗后，學生對這種就是“看波形”的實驗不再感興趣，學習積極性下降，自然影響對通信原理理論知識的理解和掌握。

2.計算機仿真實驗教學模式

傳統的實驗箱教學模式，一臺套的實驗設備包括通信原理綜合實驗箱、示波器、萬用表、函數信號發生器、誤碼測試儀等，并且一般情況下需要購置20臺套才能基本滿足實驗開課需求，花費非常大。因此，采用計算機進行仿真實驗是很好解決實驗室建設經費緊張的教學模式。

通常應用于通信原理課程實驗的仿真軟件主要有兩種[2，3]：一是Matlab中的Simulink仿真平臺。該平臺可以進行交互式的動態仿真，用戶可以利用模塊框圖方便地設計出仿真模型，不需要對模塊內部進行任何的硬件和軟件設計，仿真過程簡單，結果形象。二是System View軟件。利用該軟件進行系統設計時，只需從配置的圖符中調出有關圖符，進行各個圖符的參數設置和相互間的連線，即可進行仿真操作，給出分析結果。

計算機仿真的實驗教學模式開設簡單，方式靈活，既可以在多媒體課堂教學中演示，也可以以作業的形式讓學生課后練習，能很好地加強學生對抽象概念的理解和感性認識，促進通信原理理論部分的理解和掌握；然而，計算機仿真教學模式同傳統實驗箱模式類似，只能給學生提供直觀形象的波形展示，理解整個通信系統的模塊組成，而各模塊功能如何具體實現學生仍然未知，限制了學生從認知系統到設計系統的能力提高過程。

二、通信原理三級實驗教學模式

針對上述通信原理實驗教學存在的弊端，筆者所在的教學團隊根據多年的實驗教學探索，摸索出一條行之有效的三級實驗模式，即驗證性實驗、仿真實現型實驗、綜合設計型實驗逐級提高的實驗教學模式。我校的通信原理實驗課程通常包含10課時的課程實驗和一周左右的課程設計，因此前兩級實驗安排在課程實驗中進行，而綜合設計型實驗安排在課程設計中進行。具體的實驗教學內容如下：

1.驗證性實驗

該級實驗主要讓學生掌握各類通信系統的模塊構成以及通信信號在經各模塊處理后的波形變化，使學生對抽象的通信原理理論有直觀形象的感性認識。這部分實驗可以通過通信原理實驗箱進行或者利用更靈活的計算機仿真實現。在此以Simulink平臺并以DSB調制解調系統為例進行說明。首先利用Simulink提供的模塊庫，找到構建系統所需的信號發生器、DSB AM調制模塊、高斯信道模塊、DSB AM解調模塊以及波形顯示模塊（如圖1所示），然后設置相關模塊的仿真參數并連接即可。由于實驗課學時有限，該級實驗可以分解為課程實驗、課堂演示實驗以及課后作業式實驗，使學生能盡可能多地完成一些典型的通信系統。

2.仿真實現型實驗

初級的驗證性實驗可以簡單地對理論知識進行驗證與演示，但學生對模塊內的結構原理缺乏細節性認識和掌握，因此也就無法較深刻地理解掌握理論知識。基于此，讓學生脫離仿真軟件模塊，自主實現相應的模塊功能既能促進對理論知識的深刻理解，又能增強算法實現能力，為后續的綜合設計型實驗打下較好的基礎。以圖1為例，DSB AM調制模塊主要考慮實現調制信號和載波信號的乘積運算；高斯信道模塊可以用已調信號和高斯噪聲信號的加法運算來實現；而DSB AM解調模塊則除了進行待解調信號與載波信號的乘法運算外，還需設計低通濾波器對乘積信號進行低通濾波處理。從該例可以看出，只有對DSB AM調制解調系統有非常清晰的原理性認知，才能有的放矢地設計相應的仿真性算法；同時，借助前一級的驗證性實驗所觀察到的波形規律，可以很輕松地對仿真性的波形結果進行判定，以方便算法中相關參數和設計性結構的調試。顯然，這一過程對通信原理相關知識從理論到實踐有了更透徹清晰的理解和掌握。

3.綜合設計型實驗

通常情況下，學生在學習通信原理課程前已經學習過有關EDA技術的課程。EDA技術是現代電子設計技術的核心，它以EDA軟件工具為開發環境，采用硬件描述語言，以可編程器件為實驗載體，可實現源代碼編程、自動邏輯編譯、邏輯分割、邏輯綜合、布局布線、邏輯優化和仿真等功能，并以ASIC、SOC芯片為目標器件，是以電子系統設計為應用方向的電子產品自動化的設計技術。[4]因此，將EDA技術引入到綜合設計型實驗中，學生不僅要進行硬件設計，也需要利用硬件描述語言（如VHDL語言）進行軟件編程，是學生硬件和軟件綜合設計能力的培養。

為方便說明，以簡單的振幅鍵控（ASK）解調系統為例，其相應的建模方框圖如圖2所示。解調器包括分頻器、計數器、寄存器和判決器等。分頻器對時鐘信號進行分頻得到與發端數字載波相同的數字載波信號；寄存器在時鐘的上升沿到來時把數字ASK信號存入到寄存器中；計數器利用分頻器輸出的載波信號作為時鐘信號，在其上升沿到來時對寄存器中的ASK載波個數進行計數，當計數值m > 3時輸出為“1”，否則輸出為“0”；判決器以數字載波作為判決時鐘，對計數器輸出信號進行抽樣判決，并輸出解調后的基帶信號。根據上述建模思想進行VHDL語言編程，然后進行編譯和時序仿真后，下載到FPGA目標器件中，以實現硬件設計功能。

該級實驗主要采用課程設計的形式，也可以以科技創新活動的形式開展。時間相對充裕，學生可以有充分的時間查找資料，論證設計方案，驗證實驗結果。通過該級實驗可以發揮學生的主觀能動性，提高學生分析問題、解決問題的能力，為學生以后進入工作崗位提供很好的動手鍛煉機會。

三、三級實驗模式教學成效

多年來，筆者所在的教學團隊根據學生的學習反饋，兼顧理論教學需要和學生的學習興趣，不斷調整上述各級實驗的實驗項目和要求，取得了明顯的成效。首先，通信原理課程的學習興趣提高，課程不及格率呈逐年下降趨勢；其次，學生進行電子通信系統設計的興趣明顯增強，報名參加校級和全國性電子設計大賽的人數逐年增加，也取得了較好的成績。如2013年有15組學生分別獲得全國大學生電子設計大賽湖北賽區一、二、三等獎；再次，考研學生以通信原理作為專業課的人數逐年增加，畢業論文選題為通信系統設計方向的也明顯增多。

四、結語

采用三級實驗教學模式，由易到難，循序漸進推進通信系統的認知和設計，能有效克服學生的畏難情緒，逐漸培養學生的學習興趣，使學生能更深刻地理解和掌握通信原理相關理論和知識，為后續課程的學習和工作實踐打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1]達新宇，陳校平，邱偉，等.通信原理實驗與課程設計[M].第二版.北京：北京郵電大學出版社，2009.

[2]張水英，徐偉強.通信原理及Matlab/Simulink仿真[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3]羅衛兵，孫樺，張捷.System View動態系統分析及通信系統仿真設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[4]段吉海，黃智偉.基于CPLD/FPGA的數字通信系統建模與設計[M].北京：電子工業出版社，2006.

（責任編輯：王祝萍）