基于微課和MATLAB的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索*

◆羅麗平 韋文山 周 衛(wèi)

基于微課和MATLAB的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索*

分析采用實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)設(shè)通信原理實(shí)驗(yàn)的不足，提出應(yīng)用微課和MATLAB進(jìn)行通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。以QPSK調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)說(shuō)明基于微課和MATLAB的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)思路。結(jié)果表明，利用微課和MATLAB能有效增強(qiáng)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

通信原理實(shí)驗(yàn)；微課；MATLAB；教學(xué)改革

1 前言

通信原理是電子通信類專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課［1-2］，在本科教學(xué)中占有舉足輕重的地位，也是很多高校研究生入學(xué)考試必考課程之一。然而這門課程理論性很強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)覺(jué)得非常抽象難懂。因此，開(kāi)好實(shí)驗(yàn)課就顯得十分重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠形象真切地觀察通信過(guò)程中信號(hào)的傳播、調(diào)制與解調(diào)過(guò)程，從而加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，并提高動(dòng)手能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

目前，廣西民族大學(xué)通信原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)都是在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，屬于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱雖然使用方便，操作簡(jiǎn)單，但從筆者多年教學(xué)情況來(lái)看，使用實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)設(shè)通信原理實(shí)驗(yàn)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上有明確的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生完全不需要理解實(shí)驗(yàn)原理，按照步驟接線就可以看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)果也不加以分析，導(dǎo)致做完實(shí)驗(yàn)后依然不懂得原理，實(shí)驗(yàn)效果不好。

2）實(shí)驗(yàn)箱中的模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)固化，參數(shù)已基本設(shè)定好，實(shí)驗(yàn)方式機(jī)械，不便于擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3）實(shí)驗(yàn)箱容易損壞，學(xué)生使用示波器不熟練，經(jīng)常需要教師幫忙調(diào)試。

由此可以看出，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具和方法，并不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，有必要對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革。

2 微課和MATLAB應(yīng)用于通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，微課隨著“翻轉(zhuǎn)課堂”和“可汗學(xué)院”在全球迅速走紅而成為教育界關(guān)注的熱點(diǎn)話題。微課作為一種新型的教育信息資源形式，以其“主題突出、短小精悍、交互性好、應(yīng)用面廣”等特點(diǎn)被廣泛認(rèn)可，也將是高校教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的方向。在信息化、大眾化和全球化背景下，微課教學(xué)將在高校課程與教學(xué)改革中發(fā)揮重要的作用［3-4］。教師可以選擇相應(yīng)的微課視頻輔助教學(xué)，學(xué)生可以在課下根據(jù)需求進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。具體到通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)這門課程，教師可以制作一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的視頻供學(xué)生預(yù)習(xí)，學(xué)生依照案例進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)自己動(dòng)手動(dòng)腦完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

在通信原理教學(xué)中，很多教師借助MATLAB仿真來(lái)輔助教學(xué)［5］。利用MATLAB強(qiáng)大的圖形處理功能和計(jì)算功能，可以形象直觀地展現(xiàn)一些抽象的概念和信號(hào)傳輸及調(diào)制解調(diào)過(guò)程，從而加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。利用MATLAB來(lái)開(kāi)設(shè)通信原理實(shí)驗(yàn)，可以不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、條件、時(shí)間和學(xué)時(shí)等限制，學(xué)生可以利用課余時(shí)間進(jìn)行。通過(guò)MATLAB編程，還可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)通信原理理論知識(shí)的理解和提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。

3 基于微課和MATLAB的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

本節(jié)以QPSK（四進(jìn)制移相鍵控）調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明如何在通信原理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用微課和MATLAB仿真軟件。

QPSK調(diào)制的基本原理 在數(shù)字移相鍵控中，要傳輸?shù)臄?shù)字信息隱藏在載波的相位之中。由于載波相位的范圍是0≤θ≤2π，則用于傳輸數(shù)字信息的載波相位就是θm=2πm/M（m=0，1，...，M-1），稱為MPSK。其中M=2n，當(dāng)M=4時(shí)就為QPSK。載波相位總共有M個(gè)可能的取值，待傳輸?shù)臄?shù)字信息是M進(jìn)制符號(hào)，每個(gè)符號(hào)由n位二進(jìn)制比特流組成。具體到QPSK，總共有4個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)由2位二進(jìn)制比特流組成，即00、01、11、10，載波相位為θm∈｛0，π/2，π，3π/2｝。邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 QPSK信號(hào)相位編碼邏輯關(guān)系

QPSK信號(hào)的產(chǎn)生 QPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種：調(diào)相法和相位選擇法。在MATLAB中產(chǎn)生QPSK信號(hào)的思路是：首先產(chǎn)生一串范圍在（0，1）之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)在（0，0.5）之間，則對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特為0，否則就是1；再由相鄰的兩個(gè)二進(jìn)制比特組成一個(gè)四進(jìn)制符號(hào)00、01、11、10，從而實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。再依據(jù)表1所示的相位邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)相位映射，如此產(chǎn)生QPSK信號(hào)。具體的MATLAB代碼如下：

圖1 QPSK系統(tǒng)仿真模型圖

QPSK解調(diào)與檢測(cè) 解調(diào)是從已調(diào)信號(hào)中提取消息信號(hào)的過(guò)程。解調(diào)有兩種方法：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。在數(shù)字通信中，解調(diào)和檢測(cè)可以互用，其中解調(diào)側(cè)重于波形的恢復(fù)，而檢測(cè)側(cè)重于碼元的判決。理想情況下，QPSK信號(hào)si經(jīng)由AWGN信道傳輸，疊加了高斯白噪聲n，檢測(cè)器觀察到的信號(hào)為r=si+n。最佳檢測(cè)器將接收到的信號(hào)r投射到4個(gè)可能的傳輸信號(hào)向量si上，并判決對(duì)應(yīng)于最大投影的信號(hào)就是傳輸?shù)腝PSK信號(hào)。將判決結(jié)果與發(fā)送的信號(hào)向量進(jìn)行比較，用差錯(cuò)計(jì)數(shù)器對(duì)檢測(cè)器產(chǎn)生的符號(hào)差錯(cuò)進(jìn)行計(jì)算，從而計(jì)算出解調(diào)差錯(cuò)概率。QPSK系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

在MATLAB中通過(guò)語(yǔ)句“noise=sigma*（randn+1i*randn）”產(chǎn)生復(fù)數(shù)加性高斯白噪聲。檢測(cè)器進(jìn)行映射判決的MATLAB代碼如下所示：

圖2 QPSK蒙特卡羅仿真的差錯(cuò)概率值與理論值的比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及擴(kuò)展分析 按照以上思路編寫完整的MATLAB代碼，實(shí)現(xiàn)QPSK調(diào)制與解調(diào)仿真，檢測(cè)器的差錯(cuò)概率結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，蒙特卡羅仿真值與理論值的曲線基本重合，驗(yàn)證了仿真思路的正確性。

將本節(jié)所述內(nèi)容通過(guò)教師講解、代碼解讀、圖片展示，制作成微課視頻，并附上完整的MATLAB代碼，上傳到本校的教學(xué)資源網(wǎng)，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)，學(xué)生也可以反復(fù)觀看微課。通過(guò)理論講解和代碼演示相結(jié)合的方式，可以幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)習(xí)如何在MATLAB中進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真。通過(guò)這個(gè)例子，學(xué)生可以擴(kuò)展到衰落信道下QPSK系統(tǒng)的仿真，還可以擴(kuò)展到MPSK、MPAM、MFSK、MQAM等系統(tǒng)的仿真。此外，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生將好的實(shí)驗(yàn)作品制作成微課，供所有學(xué)生學(xué)習(xí)。這樣能激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，提高他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)案例說(shuō)明微課和MATLAB在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。通過(guò)案例可以看出，微課視頻能很好地幫助學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)及觀摩練習(xí)，有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，從而節(jié)省實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間。而MATLAB可以形象直觀地顯示調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。因此，結(jié)合微課和MATLAB對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式進(jìn)行改革，能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新水平。■

［1］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.6版.北京∶國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［2］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京∶清華大學(xué)出版社.2008.

［3］李莉，顧朝志，李世寶.基于微課教學(xué)模式的通信類課程教學(xué)平臺(tái)建設(shè)［J］.課程教育研究，2014（2）∶247.

［4］李敏，朱永丹，李時(shí)東.MOOC環(huán)境下通信原理課程教學(xué)研究［J］.教育教學(xué)論壇，2015，10（41）∶161-162.

［5］鐘麗輝，呂丹桔.基于MATLAB的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（6）∶76-78，82.

Experiment Teaching Reform on Communication Principle based on Micro-lecture and MATLAB

LUO Liping， WEI Wenshan，ZHOU Wei

In this paper， the short points of the experiments for com munication principle on the experiment case are analyzed， and then the advantages of applying the micro-lecture and MATLAB into the teaching of the communication principle experiment are put forward. Taking the modulation and demodulation of QPSK signal for example， the teaching design and realization based on microlecture and MATLAB are described in detailed. The results show that the experiment teaching ef f ect can be prompted greatly and the students can benef i t from the teaching reform.

communication principle experiment； micro-lecture；MATLAB； teaching reform

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0125-03

◆羅麗平 韋文山 周 衛(wèi)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.125

*項(xiàng)目來(lái)源：2016年廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2016JGA180）；2013年廣西民族大學(xué)教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目；2015年廣西高校青年教師教學(xué)業(yè)務(wù)能力提升計(jì)劃項(xiàng)目（第二期）。

作者：羅麗平，廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信；韋文山，廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)；周衛(wèi)，廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橐苿?dòng)計(jì)算（530006）。