“通信原理”課程多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

王丹+張高遠(yuǎn)+吳紅海+謝萍

摘 要：通信原理課程是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在通信工程專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。該文針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的手段單一和軟硬件實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)度差的不足，在實(shí)驗(yàn)手段方面進(jìn)行改革，提出THKCS-A型硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Matlab仿真平臺(tái)和Labview虛擬儀器軟件相結(jié)合的多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，實(shí)現(xiàn)改善學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：通信原理 多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué) 實(shí)驗(yàn)手段

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（a）-0214-04

通信原理課程是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在通信工程專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，是學(xué)習(xí)諸如移動(dòng)通信、光纖通信以及數(shù)字通信等后續(xù)課程的基礎(chǔ)，其教學(xué)的重點(diǎn)在于讓學(xué)生理解基本概念和原理、掌握相關(guān)的分析方法和有關(guān)通信系統(tǒng)的重要結(jié)論。該課程特點(diǎn)是內(nèi)容較多， 知識(shí)面廣， 概念抽象， 系統(tǒng)性強(qiáng)，理論更新快，同時(shí)強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)踐的融會(huì)貫通[1-4]。

該項(xiàng)目針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些不足，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段方面給出一些改革的措施和探索。通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法方面的改良，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極主動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果，達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的高質(zhì)量創(chuàng)新型人才的目的。

1 通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的不足之處在于：實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一，并且硬件實(shí)驗(yàn)和軟件仿真是分離而獨(dú)立的，無法做到真正的理論和實(shí)際相結(jié)合，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的模式。因此建議將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣可以極大地激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣，變被動(dòng)為主動(dòng)，不僅可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性和多樣化，而且可以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手動(dòng)力和理論分析能力，并可增進(jìn)學(xué)生求職和工作時(shí)的自信心。

2 提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

目前，在該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案中，我們設(shè)置了8個(gè)課時(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)，4個(gè)課時(shí)的Matlab軟件仿真實(shí)驗(yàn)以及4個(gè)課時(shí)的Labview虛擬儀器仿真實(shí)驗(yàn)，授課方式采用了軟件仿真和硬件設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段不同，該課程將浙江天煌科技有限公司的THKCS-A型硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Matlab仿真平臺(tái)[5]和Labview虛擬儀器仿真軟件平臺(tái)[6]相結(jié)合，可以克服傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)靈活性差及和軟硬件仿真平臺(tái)關(guān)聯(lián)度差的不足。

3 多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案實(shí)例與分析

3.1 THKCS-A型硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)例

以增量調(diào)制編譯碼實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是利用數(shù)字雙蹤示波器觀測增量調(diào)制的編譯碼波形。在THKCS-A型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，TP1是頻率為4096 kHz的主時(shí)鐘信號(hào)，TP3和TP4分別是頻率為32 kHz的編碼時(shí)鐘和譯碼時(shí)鐘信號(hào)。TP5：輸入頻率為1 kHz、幅度為2 V峰-峰值的音頻信號(hào)，TP6與TP5波形相同。TP7為本地譯碼信號(hào)；TP10譯碼輸出信號(hào)，TP7與TP10是反向的，即譯碼電路延時(shí)了半個(gè)周期。TP8為編碼輸出信號(hào)，TP9為譯碼輸入信號(hào)，需要短線將其與TP8相連。TP11：模擬輸出音頻信號(hào)。將其與TP5比較，可以進(jìn)行增量調(diào)制的系統(tǒng)性能的測試。

增量調(diào)制編碼基本原理是指用一位編碼，這一位碼不是表示信號(hào)抽樣值的大小，而是表示抽樣幅度的增量特性。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖1所示，由于正弦波過零處曲線斜率最大，所以有連“0”或連“1”碼出現(xiàn)；對應(yīng)正弦波的波峰或者波谷，由于曲線此處斜率為零，所以此處有“0”碼和“1”碼交替出現(xiàn)。該現(xiàn)象和增量調(diào)制的原理和理論是相吻合的。

由圖2所示，根據(jù)增量調(diào)制的編碼原理，即“1”碼表示信號(hào)幅值下降，而“0”碼表示信號(hào)幅值上升。得到的信碼輸出的波形為TP8，然后通過短線將TP8連接TP9，將增量調(diào)制的信碼送入譯碼器進(jìn)行譯碼。譯碼器使用和編碼器編碼原則相對應(yīng)的譯碼準(zhǔn)則進(jìn)行譯碼，即遇到1碼波形減值，遇到0碼波形增值恢復(fù)出譯碼輸出信號(hào)TP10，結(jié)果如圖3所示。可以看出，編碼過程中幾乎沒有出現(xiàn)空載噪聲和過載噪聲，TP7緊緊跟隨原音頻信號(hào)的變化，本地譯碼信號(hào)TP7與譯碼輸出信號(hào)TP10是反向的，這是因?yàn)殡娐诽幚淼难訒r(shí)導(dǎo)致了譯碼電路延時(shí)了半個(gè)周期。最后，將TP10波形送入低通濾波器進(jìn)行平滑處理得到最終的模擬輸出音頻信號(hào)TP11。但是，由于量噪比和電路噪聲的存在，TP11和和輸入的音頻信號(hào)TP5并不是完全相同的，而是存在一定的失真。我們也可以進(jìn)一步通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合雙蹤示波器觀測進(jìn)行增量調(diào)制系統(tǒng)性能測試的實(shí)驗(yàn)。

3.2 Matlab仿真實(shí)例

在工程領(lǐng)域中，Matlab特別適用于一些需要做大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的復(fù)雜應(yīng)用。我們同樣可以使用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)增量調(diào)制編碼的仿真驗(yàn)證工作。所不同的是3.1小節(jié)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的是鋸齒波，而Matlab軟件使用的是梯形波。假設(shè)在相同的音頻輸入信號(hào)的條件下，量化階距為1，由Matlab實(shí)現(xiàn)的增量調(diào)制仿真結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明：由原音頻信號(hào)和解碼結(jié)果對比來看，在輸入信號(hào)變化平緩的部分（斜率為零），編碼器輸出1碼和0碼交替，相應(yīng)的解碼結(jié)果以正負(fù)階距交替變化形成顆粒噪聲，稱空載失真；在輸入信號(hào)變化過快的部分，解碼信號(hào)因不能跟上信號(hào)的變化而引起斜率過載失真。通過在Matlab軟件仿真平臺(tái)中靈活的調(diào)整量化階距值，可以發(fā)現(xiàn)：量化階距越小，則空載失真就越小，但是容易發(fā)生過載失真；反之，量化階距越大，則斜率過載失真減小，但空載失真增大。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析是一致的。

比較使用THKCS-A型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的增量調(diào)制實(shí)驗(yàn)中，使用Matlab軟件仿真增量調(diào)制實(shí)驗(yàn)具有靈活性高、價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn)和便于分析的優(yōu)勢，而硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮了電路延時(shí)等實(shí)際因素，更加接近于實(shí)際情況，具有更高的實(shí)踐指導(dǎo)意義。所以，二者并不能相互替代，而是需要進(jìn)行有效地結(jié)合，才能提供給學(xué)生更加完善有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更好地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，有效地提高學(xué)生的設(shè)計(jì)分析能力。