通信原理綜合實驗教學改革的實踐

李 莉， 趙 蓉， 項 東

(吉林大學 通信工程學院通信系，吉林 長春 130012)

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通信原理綜合實驗教學改革的實踐

李 莉， 趙 蓉， 項 東

(吉林大學 通信工程學院通信系，吉林 長春 130012)

主要探索通信原理課程綜合實驗的教學方法。針對通信原理實驗內容的特點，作者分析了硬件實驗與軟件仿真的利弊，闡述了軟件仿真更利于發揮學生學習通信原理課程的能動性與創新性。在實驗內容上，作者提出了基礎實驗和提高實驗相結合的方法，在基礎實驗部分讓學生打牢通信原理及仿真手段的基礎，在提高實驗部分突出學生的創新能力。

通信原理； 教學方法； 軟件仿真

0 引 言

通信原理課程是通信工程專業的標志性課程。實驗教學是“通信原理”課程教學中的一個重要的環節。傳統的通信原理課程中實驗教學是作為理論教學的輔助，不獨立設置學分。近幾年，考慮到實驗教學對通信原理課程的重要性，很多大學獨立設置了通信原理綜合實驗課程，其目的是通過實驗加深對通信原理理論的理解，讓學生創新地自主設計通信系統，并實現設計的系統，增加學生在通信原理課程學習中的能動性，從而也調動學生對實驗的積極性[1-5]。

1 通信原理實驗特點

從通信原理課程出發，通信原理實驗內容包括[6-10]：

(1) 通信系統模型的建立。通信系統模型是通信原理課程的基礎。在通信原理課程中，通信系統分為兩類：模擬通信系統和數字通信系統。在模擬通信系統的發送端主要考慮調制器功能的實現，在接收端主要考慮解調器功能的實現；在數字通信系統的發送端要考慮編碼與調制，其接收端要考慮解調與解碼。

(2) 通信系統各節點時域波形與頻域波形的觀察。觀察通信系統各個節點上的時域與頻域的波形，是分析通信系統性能的很重要的手段。時域波形的觀察無論模擬通信系統還是數字通信系統，利用示波器觀察都是很容易實現的。頻域波形的觀察，模擬通信系統與數字通信系統是有差別的。在模擬通信系統分析中，為了讓學生能夠容易理解調制和解調的原理，通常都假設發送端發送的基帶信號是確知信號，這樣頻域通常是用傅里葉頻譜來描述；在數字通信系統中，由于所有的數字信號都是隨機的信號，因此，頻域不再能用傅里葉頻譜描述，需要用功率譜來描述。

(3) 信道模型。信道是通信系統的傳輸媒質，信道模型是通信系統重要組成部分。通信系統中常用信道模型有加性高斯白噪聲模型和多徑信道模型。在通信原理課程中，更多考慮的信道模型是加性高斯白噪聲信道模型，無線通信中，多徑信道模型將被考慮。

(4) 有效性與可靠性分析。衡量通信系統性能的指標主要包括有效性與可靠性。在模擬通信系統中，有效性可以通過已調波的帶寬衡量，而可靠性則需要在接收端通過信噪比來衡量；在數字通信系統中，有效性用頻帶利用率來衡量，可靠性通常用誤碼率來衡量。

無論用什么手段來進行通信原理綜合實驗，都應保證上述通信原理實驗內容便捷、直觀地實現。

2 實驗手段選擇

2.1 硬件實驗與軟件仿真

開設通信原理綜合實驗首先遇到的問題是利用實驗箱還是軟件仿真來完成實驗內容。以往通信原理實驗多采用通信原理實驗箱，在實踐教學中發現，硬件實驗有一定的局限性。

(1) 驗證性實驗與設計性實驗。硬件實驗通常采用通信原理實驗箱來完成，以驗證性實驗為主。在實驗箱上，集成了各種通信系統所涉及的各個模塊，學生參考實驗指導書將各個連接端連接好，就可以看到實驗的結果。在硬件實驗中，學生往往只是觀察、分析實驗的結果，比如發送端的已調波形和接收端接收信號的波形，而忽略或無法分析已調波是通過什么方法實現的，在解調端解調的方法是什么。也就是說學生只知某個模塊的功能而不知這個功能是怎樣實現的。

(2) 實驗項目與實驗功能受限。硬件實驗實驗項目是固定的，學生只能夠觀察實驗箱上提供的實驗。通過實驗箱，學生往往能夠觀察到的都是時域的波形。頻域波形以及誤碼率之類的指標通過實驗箱往往是做不到的。

(3) 創新性。通過實驗箱進行通信原理實驗，對學生來說往往是被動的，主動性很差，很難有創新性。

如上所述，開設通信原理綜合實驗課程，僅用實驗箱來完成是不夠的。可以采用軟件仿真為主，硬件實驗為輔的方法。

2.2 仿真軟件的選擇

目前能夠進行通信原理仿真的軟件有Matlab、Matlab Simulink以及Systemview等[11-15]。選擇哪個軟件來完成通信原理綜合實驗內容從兩個角度衡量：一個是能夠完成實驗內容仿真，另一個方面就是能夠讓學生快速地介入。實驗時間有限，如果學生需要花費大量的時間學習軟件，才能夠掌握如何用軟件仿真實驗內容，應該說這個軟件就是不適合的。

選擇仿真軟件應該能夠實現上述的功能。顯然，Matlab、Matlab Simulink以及Systemview三種軟件都能實現上述功能，只是實現方法不同、方便程度不同。Matlab是通過代碼來實現功能，是代碼級語言；Matlab Simulink與Systemview是圖形化語言。相比之下，搭建通信系統，進行通信系統的分析，Matlab Simulink與Systemview比Matlab更直接。Matlab Simulink和Systemview都為圖形化語言，都可以進行系統級仿真，但在系統中每個模塊參數進行設置時，Simulink的參數設置不如Systemview容易被學生接受。在時域波形與頻域波形顯示方面，Systemview的示波器功能的顯示窗口的調整比Simulink要容易，并且頻域顯示窗口提供了確定性信號的傅里葉變換頻域以及多種隨機信號的功率譜分析，使用靈活方便。

3 實驗內容規劃

以通信工程學院通信原理綜合實驗課程為例，課程學時為40學時，其中32學時做軟件仿真，另外輔助8學時硬件實驗。32學時的軟件仿真實驗包括實驗準備、基礎實驗和提高實驗三個部分。

(1) 實驗準備(2個學時)。學生熟悉仿真軟件，給出完整的實例讓學生觀察仿真實驗過程。

(2) 基礎實驗。表1對基礎實驗學時進行了分配。表1的實驗安排兼顧了通信原理課程的各個知識點，通過實驗選擇要求進一步約束學生，保證對通信原理學習的全面性。基礎實驗要求學生能夠完整實現選擇的通信系統，即包括發送端與接收端以及信道。模擬通信系統要對比發送與接收信號的失真情況，數字通信系統要給出誤碼率。

(3) 提高實驗(16學時)。提高實驗分模擬通信系統與數字通信系統兩部分。在提高實驗中不指定調制方式，僅給出通信系統的指標，學生自己設計相應的通信系統完成。 對于模擬通信系統，衡量學生完成質量看占用帶寬及輸出端的信噪比，鼓勵學生用多級調制；對于數字通信系統，衡量學生完成質量看頻帶利用率及誤碼率，鼓勵學生能夠解決碼間干擾問題。

相對于基礎實驗，提高實驗的難度要大，但具有綜合型，可充分發揮學生能動性，調動學生積極性，不讓學生受一些條條框框的限制，讓學生能夠做到創新。

表1 基礎實驗學時分配

4 結 語

通信原理課程是電子通信類專業的一門重要專業基礎課程，對該類專業的后續學習起著至關重要的作用，通信原理實驗教學可以深化通信原理課程的學習。以往通信原理課程設置課內實驗，而實驗通常用實驗箱來完成。為了能夠強化本科生對通信原理的理解，以北京郵電大學為代表的通信類學院設置了獨立的通信原理綜合實驗。通信工程學院也在2013版通信工程專業、光通信工程專業培養方案中設置了通信原理綜合實驗課程。為此，如何研制通信原理綜合實驗，成為通信原理教師的一個工作重點。本文根據通信原理實驗的特點，對通信原理綜合實驗課程的內容及實驗手段進行了論證，提出了利用軟件仿真，將基礎實驗與提高實驗相結合的方法，在實驗中，讓學生選擇感興趣的實驗，并且自主設計通信系統，調動學生的積極性，真正做到創新性實驗。

[1] 哈聰穎,王 俊,張有光.通信專業類綜合性實驗研究與探索[J].實驗室研究與探索,2013,32(8):170-173.

[2] 包永強.“通信原理”課程實踐教學探討[J].電氣電子教學學報,2013,35(4):114-116.

[3] 田竹梅.通信原理課程教學改革實驗與探索[J].九江學院學報(自然科學版),2013(1):122-124.

[4] 李 安,周南潤,王玉皞.通信工程國家級特色專業虛擬實驗室建設與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(1):150-154.

[5] 許正榮,賈賢龍,李 陽,等.通信原理實驗教學改革與實踐[J]. 實驗技術與管理,2013,30(4):171-174.

[6] 趙 蓉,李 莉,項 東,等.現代通信原理教程[M].北京：北京郵電大學出版社,2009.

[7] 樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].7版.北京:國防工業出版社,2012.

[8] 周炯槃,龐沁華,續大我，等.通信原理[M].3版.北京:北京郵電大學出版社,2008.

[9] 張艷紅,趙 恒.通信原理課程教學改革探索[J].河南教學學院學報(自然科學版),2013,22(3):62-63.

[10] 井敏英.2FSK通信系統信道仿真分析[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):82-84.

[11] 李 欣,謝 宏.虛擬儀器技術在通信原理教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2014,33(5):155-159.

[12] 張 鳴.通信原理仿真實驗系統設計與實現[J]. 實驗技術與管理,2013,30(6):54-57.

[13] 于子甲,宋啟祥,董全德.Matlab仿真在通信原理教學改革中的應用[J].鄂州大學學報,2014,21(12):102-103.

[14] 劉光普,高玉春.Matlab在通信原理教學中的應用[J].數據采集與處理,2012,27(1):39-42.

[15] 龐 姣,王 虹,趙 璞.SystemView在通信原理實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(8):267-268.

Practice on Teaching Reform of Synthesis Experiment for Communication Principles Course

LILi,ZHAORong,XIANGDong

(Communication Engineering College, Jilin University, Changchun 130012, China)

It mainly explores the teaching methods of comprehensive experiment of communication principle course in this paper. According to the characteristics of communication principle experiment, the authors analyze the advantages and disadvantages of both hardware test and software simulation, illustrate that the latter helps the students to show more initiative and creativity when they study the communication principle course. When it comes to the experimental contents, the authors put forward a method combined basic experiment with improved experiment together. The basic experiment part is to enable students to lay a solid basis of communication principle and simulation tools. And in the improved experiment part, it is more important to highlight students’ innovation ability.

communication principle; teaching method; software simulation

2014-08-26

吉林大學實驗教學改革項目(2013037)

李 莉(1964-)，女，吉林德惠人，博士，副教授，主要研究方向：通信信號處理。Tel.：15043098118;E-mail:ll@jlu.edu.cn

TN 911.1;G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0179-03