通信原理實驗教學的探索與改進

西北農林科技大學機械與電子信息工程學院 伍 丹

西北農林科技大學理學院 任文藝 姜建剛

通信原理實驗教學的探索與改進

西北農林科技大學機械與電子信息工程學院 伍 丹

西北農林科技大學理學院 任文藝 姜建剛

針對通信原理課程理論性強、概念抽象等特點，通過精心設計實驗內容、補充實驗教學流程、引入實驗仿真平臺等方面提出實驗教學的改進方法。實踐結果證明，該改進方案不僅提高學生學習通信原理課程的積極性，增強學生對通信系統的感性認識，同時提高學生的創新能力和通信系統設計能力。

通信原理：仿真平臺：實驗教學

通信原理課程是一切通信系統的理論基礎[1]，電子信息類課程中很多專業課如移動通信、現代通信技術等都以通信原理為先修課，在通信類專業的人才培養中起到關鍵的作用。而面對如此抽象而復雜的理論知識，學生難以與實際的通信系統進行聯系。如何加深學生對通信理論知識的理解，并且將理論知識應用到實際的通信系統設計中，通信原理實驗課將起到關鍵性作用。以往的通信原理實驗教學主要基于傳統的實驗箱開設一些驗證性實驗，一方面限制學生的實際操作能力，另一方面限制學生創新、工程實踐能力的培養。傳統實驗箱基于硬件模塊化設計，無法順應通信技術的快速變革。因此，為了緊跟通信技術快速變革的發展腳步，順應高等教育教學改革的深入，需要將通信原理實驗教學進行研究和改進。

1.精心設計實驗內容，提高學生實踐能力

現在普遍使用的通信原理實驗設備是各個廠家開發的實驗箱，實驗內容主要是以驗證性實驗為主，因此在實驗教學中有一定的缺陷[2]：1）驗證性實驗相對簡單，學生只需要按照實驗指導書進行簡單連線，采用示波器觀看過程波形，學生在實驗過程中不需要經過思考，就可以完成實驗。2）這類驗證性實驗，學生參與度不高，無法調動學生的積極性。同時，該類實驗對學生思維能力和創新能力沒有提高。

因此，為擺脫早期實驗內容設置單調測量波形這種模式，實驗指導老師應精心設計實驗內容，可將部分驗證性的實驗擴展為設計性以及綜合型實驗。比如將DBPSK調制解調實驗箱實驗改為DBPSK調制解調系統仿真實驗。前者，只需要進行相應的連線，將對應節點與示波器相連，就可以得到實驗結果；而后者，在仿真設計過程中，學生可以自己構造信號源模塊，數字DBPSK調制模塊，DBPSK解調模塊。同時，還可以增加測試誤碼率，在理想信道條件下或者高斯信道條件下，可以查看調制之前與解調之后的信號是否完全相同。同時，在解調模塊中，學生可以選擇相干解調或者差分相干解調法進行解調。由此可見，進行改進后的實驗內容，培養了學生系統級設計的能力，增強的自主學習和創新意識，解決了理論教學和實踐教學的問題。該實例中，學生通過仿真實驗掌握了DBPSK調制原理，低通濾波器的設計，DBPSK的解調方案等多個模塊的原理和方法，加深了對數字調制解調過程的理解。

2.加強理論預習，實驗課堂測評

通信原理課程理論性強，比較抽象，并且其先修課程如隨機信號分析、概率論、信號與系統等都比較難，從而學生在學習和理解上難度增加。在實驗過程中，是將理論知識學以致用。如果學生對理論知識不理解，對實驗內容也不夠清楚，那么到實驗室就會浪費大量時間從而達不到實驗教學目的。因此，為提高實驗教學效果，要求學生在做實驗之前需要對理論知識進行預習。實驗預習主要包括以下幾個部分：1）了解實驗內容以及實驗的基本原理；2）寫出實驗預習報告，對實驗相關理論知識點進行復習；3）對實驗步驟以及實驗結果做到心中有數，在進行實驗時就不會感到不知所措，并且得到最終實驗數據的時候會自行判斷實驗結果的正確性。

其次，除了加強理論知識的預習，還需要對實驗課堂進行測評。在很多學生觀念中，對實驗抱有輕視的態度，認為只要理論課程掌握好，實驗課程無所謂。這種想法有致命性錯誤。實驗教學是理論教學的補充，實驗室是理論知識學以致用的場所，是理論知識與實際工業應用的銜接點。因此，對學生實驗進行有效的測評與考核，是檢驗學生理論知識掌握的重要環節。比如，在進行抽樣定理與信號恢復實驗時，一方面學生需要了解抽樣定理原理框圖，另一方面就是需要了解一個重要的知識點—奈奎斯特準則。因此，在學生進行該實驗時，指導老師可以對實驗系統的抽樣頻率以及濾波器截止頻率進行隨意設置，學生根據自己的理解，判斷出哪些情況下信號可以完全恢復，以及能夠恢復或者不能夠恢復的原因。根據實驗測評，可以將結果反饋到教師的課程教學中，從而了解學生知識掌握情況。

3.引入仿真平臺，培養學生自主創新能力

常用的通信原理實驗平臺就是傳統的通信原理實驗箱。前面已經有提到運用實驗箱進行實驗的局限性。比如實驗設備有限，易老化，并且學生較難通過實驗箱建立通信系統模型，缺乏對通信系統模塊的認識和設計。

Matlab軟件是美國Mathworks公司推出的一套功能強大的仿真軟件[3]。其中，Simulink是Matlab仿真軟件中提供的一個交互式動態仿真平臺，其模塊庫里包含許多可用于通信系統建模的模塊。學生可利用Matlab軟件進行仿真實驗，首先對需要實現的通信系統進行設計，構建流程圖，然后使用Simulink模塊框圖來搭建通信系統。通信仿真的優點是靈活設計，極大地激發學生的主觀能動性，使學生的實際動手能力、創新能力和系統設計能力得到鍛煉；仿真平臺人機交互界面友好，學生能實時觀察信號節點原理波形，可通過雙擊模塊實時調整實驗參數，如信號的頻率，濾波器的帶寬等，加深學生對通信鏈路的認識。如圖1所示，運用Simulink簡單設計了一個QPSK調制解調通信系統，通過設置可以直觀看出信號經過信道前后的星座圖，如圖2所示。同時也可以調用誤碼率模塊查看系統誤碼情況。

圖1 QPSK調制解調仿真電路

圖2 QPSK信號經過信道前后星座圖

4.結語

本文通過對通信原理實驗內容進行精心設計，對實驗教學流程進行補充，加強通信原理的理論知識預習以及課堂的實時測評，同時將Matlab仿真平臺引入到實驗中，把抽象難懂的通信理論、通信系統、信號波形等內容直觀顯示。這樣不僅提高學生對通信系統的感性認識，同時也提高了學生的設計與創新能力，為學生在以后的科研或者工作中都打下堅實基礎。

[1]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].6版.北京:國防工業出版社,2006.

[2]徐彥凱,雙凱,姜珊.通信原理實驗教學的探索[J].實驗室研究與探索,2011(06).

[3]張鳴,李白萍.Matlab仿真在通信原理課程中的應用[J].實驗技術與管理,2012(11).