《通信原理A》教學(xué)探索

李保國(guó) 文磊 黃英 雷菁

摘要：針對(duì)《通信原理A》的課程標(biāo)準(zhǔn)以及授課對(duì)象的特點(diǎn)，提出了幾點(diǎn)教學(xué)理念和方法，包括注重內(nèi)容承接、物理意義闡述、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題引導(dǎo)激發(fā)興趣以及結(jié)合裝備實(shí)例提高工程素養(yǎng)等，希望能對(duì)從事《通信原理》教學(xué)的老師有點(diǎn)啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：通信原理A；教學(xué)；探索

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）09-0161-03

一、前言

《通信原理A》是我校指揮類信息與通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)，指揮信息系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全、系統(tǒng)工程、管理科學(xué)與工程等專業(yè)的大類技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握通信系統(tǒng)的基本概念、基本分析方法，熟悉通信系統(tǒng)的構(gòu)成和基本框架。前修課程為同樣屬于大類技術(shù)基礎(chǔ)課程的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)A、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)A、信號(hào)處理與系統(tǒng)A。學(xué)時(shí)安排為46學(xué)時(shí)，其中講授38學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。

《通信原理B》則是針對(duì)技術(shù)類學(xué)員的，學(xué)時(shí)安排為54學(xué)時(shí)，講授46學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。兩者的主要區(qū)別在于：《通信原理B》對(duì)于理論知識(shí)的掌握程度要求比《通信原理A》高，前者要求學(xué)生具備獨(dú)立從事通信技術(shù)科研工作的能力，而后者則要求學(xué)員掌握熟練的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并且會(huì)結(jié)合實(shí)際裝備進(jìn)行知識(shí)的應(yīng)用。通過(guò)《通信原理A》的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生收集處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力、語(yǔ)言文字表達(dá)能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。使學(xué)生掌握通信系統(tǒng)的基本概念、基本原理和系統(tǒng)分析方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)通信專業(yè)知識(shí)濃厚的興趣，進(jìn)而使學(xué)生樹立為國(guó)防通信事業(yè)獻(xiàn)身的精神。

本文針對(duì)《通信原理A》的課程標(biāo)準(zhǔn)以及授課對(duì)象的特點(diǎn)，提出了幾點(diǎn)教學(xué)理念和方法，并對(duì)課程建設(shè)情況作了說(shuō)明，希望能對(duì)從事《通信原理》教學(xué)的老師有點(diǎn)啟發(fā)。

二、教學(xué)理念和教學(xué)方法

我校指揮類學(xué)員培養(yǎng)的定位是“懂技術(shù)的指揮人才”，期望學(xué)生學(xué)完本課程后，到部隊(duì)遇到通信有關(guān)問(wèn)題：懂原理、會(huì)應(yīng)用。往屆學(xué)員反映這門課較難，主要難在通信理論對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有一定要求，另外知識(shí)點(diǎn)繁多。如何在學(xué)時(shí)有限的情況下，盡量讓學(xué)生扎實(shí)地、有重點(diǎn)地掌握關(guān)鍵的通信基礎(chǔ)知識(shí)，爭(zhēng)取將來(lái)到部隊(duì)可以用到這些知識(shí)，在授課過(guò)程中注重系統(tǒng)性，并且重點(diǎn)突出，是我重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。主要有以下幾點(diǎn)教學(xué)理念和實(shí)際做法。

（一）注重內(nèi)容承接關(guān)系，講清來(lái)龍去脈

1.章節(jié)內(nèi)容的承接。

除緒論外，《通信原理》主要講授模擬調(diào)制技術(shù)、模擬信源數(shù)字化與編碼、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)和同步這幾章內(nèi)容。

信源和調(diào)制、解調(diào)和信宿構(gòu)成模擬通信系統(tǒng)，而所有環(huán)節(jié)加起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，如圖1所示。模擬調(diào)制的技術(shù)可以指導(dǎo)數(shù)字調(diào)制，同樣是用載波的某一個(gè)參數(shù)來(lái)體現(xiàn)基帶信號(hào)的變化。

不考慮調(diào)制，或者把調(diào)制和傳輸信道合成為一個(gè)廣義信道，即為基帶傳輸系統(tǒng)。基帶傳輸系統(tǒng)的若干理論，如無(wú)碼間干擾的設(shè)計(jì)、最佳的基帶傳輸系統(tǒng)等，可直接用于加了調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)。

同步技術(shù)中的載波同步可適用于模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)中需要采用相干解調(diào)的場(chǎng)合。其他的位同步、幀同步和網(wǎng)同步屬于數(shù)字通信系統(tǒng)特有，但其原理也與載波同步相互關(guān)聯(lián)。

所以通信原理各章節(jié)之間本身就是有關(guān)聯(lián)的，在授課過(guò)程中注重章節(jié)之間的承接關(guān)系，可以幫助學(xué)生建立系統(tǒng)完整的知識(shí)體系。

2.技術(shù)演變承接。通信技術(shù)發(fā)展至今，高速、便捷已經(jīng)成為標(biāo)配，但技術(shù)的發(fā)展不是一蹴而就的，而是逐步承接演化過(guò)來(lái)的，教學(xué)過(guò)程中梳理這些承接關(guān)系可以幫助學(xué)生建立一種大局觀，對(duì)其將來(lái)從事通信有關(guān)的工作或其他任何工作都有幫助。

例如在講述脈沖編碼調(diào)制（PCM）講述的過(guò)程中，PCM標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)始終是圍繞語(yǔ)音信號(hào)高質(zhì)量數(shù)字化而進(jìn)行的，在授課中，我著重跟學(xué)生梳理如圖2所示的承接關(guān)系。首先模擬信號(hào)數(shù)字化的目的是將時(shí)間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間離散、幅度取值有限的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)抽樣以后時(shí)間離散了，但幅度仍然無(wú)限，需要對(duì)幅度進(jìn)行量化。均勻量化即量化等間隔的量化方式，這種方式的缺陷在于量化噪聲的功率只取決于量化間隔的大小，即量化的精細(xì)程度，而與被量化信號(hào)本身的特性無(wú)關(guān)，所以造成大信號(hào)的量化信噪比大、小信號(hào)的量化信噪比小。而語(yǔ)音信號(hào)服從拉普拉斯分布，大信號(hào)概率小，小信號(hào)概率大，所以均勻量化不適合語(yǔ)音信號(hào)，必須采用非均勻量化，提高小信號(hào)的量化信噪比。對(duì)信號(hào)采用一定函數(shù)壓縮，再進(jìn)行均勻量化等效于直接進(jìn)行非均勻量化。對(duì)數(shù)壓縮特性可以實(shí)現(xiàn)在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，量化信噪比對(duì)于大小信號(hào)都比較均勻，但對(duì)數(shù)特性在接近0的位置無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以引入A律和u律修正對(duì)數(shù)特性，使之物理可實(shí)現(xiàn)，對(duì)于我國(guó)的A律標(biāo)準(zhǔn)，又引入13折線近似逼近A律對(duì)數(shù)壓縮特性，從而關(guān)聯(lián)到PCM編碼。這樣一環(huán)扣一環(huán)，過(guò)程比較清晰，學(xué)生也容易接受。

3.注重物理意義闡述，讓通信理論“接地氣”。《通信原理A》教材中多個(gè)知識(shí)點(diǎn)都存在較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，這些往往是指揮類學(xué)員的弱項(xiàng)，因此在授課中盡量做到簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，讓學(xué)生重點(diǎn)掌握結(jié)論的物理意義及其應(yīng)用。

圖3中數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型中信道的傳輸函數(shù)為C（ω），而理想信道的數(shù)學(xué)描述為C（ω）=1，其物理意義為一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)，允許所有頻率分量無(wú)失真通過(guò)，強(qiáng)調(diào)物理意義讓學(xué)生更容易接受。

讓通信理論接地氣的一種重要方法就是用通俗易懂的語(yǔ)言，多跟實(shí)際生活作類比。例如在PCM編碼中的逐次比較型編碼器的工作過(guò)程非常類似于天平稱重的過(guò)程，如圖4。

天平稱重過(guò)程如下：

·估計(jì)物理質(zhì)量，放入1個(gè)重量相當(dāng)?shù)捻来a；

·若砝碼輕了，繼續(xù)增加砝碼；若重了，則以輕一個(gè)量級(jí)的砝碼替換原有砝碼；

·再根據(jù)輕重關(guān)系決定是繼續(xù)增加砝碼還是替換上一砝碼；

·如此下去，直至平衡；

·若砝碼放完仍不能平衡，合理調(diào)整砝碼使得物體比砝碼總重量略重；

·再來(lái)調(diào)整游碼，直至保持平衡；

逐次比較的過(guò)程與天平稱重過(guò)程可以進(jìn)行如下類比：

·8個(gè)段落——8組砝碼。△——重量單位

·段內(nèi)的5個(gè)電平（起始電平+4個(gè)段內(nèi)碼權(quán)值電平）

·——每組5個(gè)砝碼（1個(gè)主砝碼和4個(gè)小砝碼）；

·主砝碼重量——段落起始電平，確定3位（C2-C4）

·4個(gè)小砝碼的重量——段內(nèi)4位碼的權(quán)值電平

·段內(nèi)碼編碼“1”或“0”——4個(gè)小砝碼的“放”或“未放”兩種狀態(tài)。

比較結(jié)果中：標(biāo)準(zhǔn)電平如果小于樣值電平，則類比于天平砝碼輕了，需要增加砝碼。反之，則意味著天平砝碼重了，需要更換原有砝碼為輕一點(diǎn)的。

通過(guò)這樣一種關(guān)系，學(xué)生就更容易理解逐次比較的原理，印象也比較深刻。

（二）激發(fā)興趣，問(wèn)題引導(dǎo)，結(jié)合裝備實(shí)例提高工程素養(yǎng)

1.通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題激發(fā)興趣。通信原理這門課由于和實(shí)際的生活比較貼近，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性應(yīng)該說(shuō)還可以，但是如果一味地講理論，而不結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，時(shí)間長(zhǎng)了學(xué)生也會(huì)失去學(xué)習(xí)的興趣。針對(duì)這一情況，我在上課時(shí)有意識(shí)地提出一些通信有關(guān)的問(wèn)題。例如，在第一次課緒論時(shí)，我一開始就提出一個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在社會(huì)上通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相當(dāng)?shù)母叨攘耍热缬?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代的移動(dòng)通信系統(tǒng)等等，那么通信問(wèn)題是不是已經(jīng)徹底解決了，還有沒(méi)有必要繼續(xù)研究新的通信技術(shù)呢？帶著這一問(wèn)題，學(xué)生聽課的積極性比較高了。學(xué)生們大都觀看過(guò)飛船發(fā)射的電視直播，我問(wèn)學(xué)生一個(gè)問(wèn)題，為什么飛船艙內(nèi)的照片有時(shí)候有，有時(shí)候又沒(méi)有呢？從而引出了美國(guó)的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)TDRSS，該系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射三顆同步軌道衛(wèi)星作為中繼衛(wèi)星可以完成對(duì)航天器的無(wú)間斷測(cè)控的功能，這就是一個(gè)典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的問(wèn)題；然后我又說(shuō)到網(wǎng)絡(luò)上的視頻點(diǎn)播為什么畫面質(zhì)量不高，而且時(shí)斷時(shí)續(xù)？最后解釋原因，由于視頻壓縮比率太高和傳輸誤碼的原因造成畫面失真，網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠造成時(shí)斷時(shí)續(xù)，從而引入了信源編碼和信道帶寬的概念，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被調(diào)動(dòng)了起來(lái)。比如在引入糾錯(cuò)編碼的概念時(shí)我就首先舉了從光盤拷文件到硬盤的例子，由于光盤質(zhì)量和光驅(qū)糾錯(cuò)能力的原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤的消息，這些問(wèn)題對(duì)于學(xué)生們來(lái)說(shuō)都是相當(dāng)熟悉的，從而自然而然引入了糾錯(cuò)編碼的概念。比如在講到GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，講述移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼IMEI時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)讓學(xué)生把手機(jī)拿出來(lái)看一下里面的IMEI。

創(chuàng)設(shè)問(wèn)題之后，激發(fā)學(xué)生思考，引出課程知識(shí)點(diǎn)講述，最后再完成問(wèn)題的閉環(huán)，這樣整個(gè)流程比較完備，學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)也較為系統(tǒng)。

2.引入大量裝備實(shí)例、提升教學(xué)效果。在本門課程教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)引入大量的通信系統(tǒng)實(shí)例，講述基本的通信原理在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合廣播電視、手機(jī)、電臺(tái)等學(xué)生現(xiàn)在和今后接觸到的通信系統(tǒng)和終端進(jìn)行講解，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將軍事通信領(lǐng)域的新進(jìn)展和新技術(shù)嵌入到課程內(nèi)容的講授中，增強(qiáng)學(xué)員在軍事實(shí)踐中應(yīng)用課程知識(shí)的能力。

例如美軍有一種話音帶寬的短波電臺(tái)，軍標(biāo)為MIL-STD-188-110A，其中關(guān)鍵的一些參數(shù)為波特率2400B，滾降系數(shù)0.25，QPSK調(diào)制，副載波1800Hz，產(chǎn)生的基帶信號(hào)位于300-3300Hz。基帶信號(hào)的形成過(guò)程如圖6所示，其中涉及無(wú)碼間干擾的基帶傳輸特性設(shè)計(jì)，升余弦滾降信號(hào)是一種較好的滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的基帶波形，引入上述軍標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

在本課程的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，發(fā)布關(guān)于美話音帶寬短波電臺(tái)信號(hào)的通信偵察課題，學(xué)生只拿到符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，他們必須自己查閱相關(guān)英文資料，并且消化，提煉出其中的體制，才有可能將數(shù)據(jù)中的信息準(zhǔn)確解調(diào)出來(lái)，通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程，鍛煉了其查閱資料、閱讀文獻(xiàn)和分析問(wèn)題的能力。這種以問(wèn)題牽引的方法，可充分激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，督促學(xué)員積極地思考討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。同時(shí)也促使其養(yǎng)成善于思考，勤于思考的習(xí)慣。

總結(jié)

《通信原理A》是我校的一門核心課程，對(duì)于部隊(duì)信息化建設(shè)有著較為關(guān)鍵的作用，作者在多年的教學(xué)過(guò)程中形成了一套獨(dú)特的教學(xué)方法，教學(xué)效果良好，得到了學(xué)生較高的評(píng)價(jià)，充分激發(fā)了學(xué)生的興趣。在此拿出來(lái)與讀者共享，希望能起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)：

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