融合專業知識的精品實驗項目的建設

王海燕　徐永強　李世寶

摘要：本文以多徑傳播誤碼率性能評估的MATLAB實驗設計為例，闡述“MATLAB與通信仿真”精品實驗項目建設的思路與方法。通過多徑傳播誤碼率性能評估的虛擬仿真實驗平臺的搭建，融合多項通信技術，將多個MATLAB程序設計知識點進行貫串，建成綜合型、設計型實驗，并合理改進考核體系。實驗教學效果良好，深受學生好評。

關鍵詞：MATLAB；通信仿真；精品實驗；虛擬仿真；誤碼率性能

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）44-0269-02

精品實驗項目建設是以素質教育理念為先導，以培養學生實踐能力和創新能力為宗旨，在現有的硬件設施和軟件條件的基礎上，基于先進的設計思想和符合認知規律的教學模式、方法和切實有效的教學手段對實踐教學實施的一項改革措施[1，2]。

本文以多徑傳播誤碼率性能評估的MATLAB實驗設計為例，闡述“MATLAB與通信仿真”課程精品實驗項目建設的相關問題。

一、實驗項目建設的理念和設計思想

“MATLAB與通信仿真”精品實驗項目的建設突出學生的主體地位，引導學生自主探究。具體項目建設中，緊緊圍繞使學生掌握MATLAB綜合程序設計及熟悉通信系統建模與仿真的基本方法這一核心任務，以融合通信專業知識精心設計教學案例進行MATALB多知識點訓練為理念，其項目整體設計思想如圖1所示，具體如下。

（一）“模塊劃分、分而治之”的思想

基于該思想，將圖1中仿真框圖中的各個子框視為模塊，針對各模塊對應要實現的功能，引導學生進行相應算法的函數實現，使上一子框對應功能函數的輸出都是下一子框對應功能函數的輸入。

（二）“逐步分解、循序漸進”的思想

充分考慮低年級學生的認知規律，針對難以理解的通信模塊，盡量避開原理內容的講解，并緊緊圍繞相應模塊要完成的功能，通過循序漸進的實驗用例的設計，逐步引導學生理解并完成相應模塊功能的函數設計。如交織編碼的算法實現概況起來主要有兩步：①產生交織序號；②利用交織序號產生交織數據。可設計循序漸進的兩個實驗案例如下，學生按下述2個分解案例的提示很容易寫出相應的程序，并最終完成目標交織函數的編寫。

實驗1 交織序號的產生用例：按如圖2所示步驟，完成自然序號打亂輸出的四步操作。

實驗2 交織數據的產生用例：按如圖3所示樣例，使任意隨機源序列按實驗1交織序號的產生方法，生成交織序列。

（三）“前導后拓、真實具體”的思想

首先，針對項目中的多徑信道建模的難點，將基于多徑傳播的每個同學自己錄制的聲音回聲信號的產生實驗設置為前導性實驗，使學生在生動形象的通信體驗中，學會運用矩陣補零及同維矩陣相加兩個簡單的MATLAB知識點實現多徑信號的時延表示，理解了多徑信道的建模方法。另外，針對學生對項目實驗的目的和所得SNR-BER曲線的實驗結果認知抽象的現象，設計利用誤碼率性能評估的結果，完成相應信噪比信道狀況條件下的Lena圖像數據的傳輸，通過觀察接收端恢復圖像數據的質量，驗證多徑傳播對實際信號傳輸的影響。這種真實具體的通信體驗，使學生能切實體會到“學有所用”，能更大程度地調動學生學習的興趣和積極性。

（四“層次化、個性化”的思想

結合實際通信系統誤碼率性能優化的技術措施，設計了包括不同調制方式（BPSK/QPSK）、不同信道環境（AWGN/多徑）、不同信道編碼的3個不同層次的實驗方案供不同學生選擇：

實驗方案1：BPSK在AWGN-多徑信道下的SNR-BER誤碼率性能評估，并讀出誤碼率為10^-3的SNR值，傳輸某一黑白圖像，以驗證所得SNR-BER誤碼率性能的準確性。該方式是一種設計性實驗系統。因所有實驗設計內容已在教學課堂講授，要求最低，適用于學習吃力或一般的學生群體。

實驗方案2：BPSK和QPSK調制在AWGN-多徑信道下的SNR-BER誤碼率性能比較，進一步通過交織編碼對QPSK調制進行性能優化、實驗結果驗證。本方案相比方案1，難度適中，適用于學習中等的學生群體。

實驗方案3：信源信號的bit速率等于100kbit/s，要求用Simulink與MATLAB交互使用的sim命令行方式仿真BPSK和QPSK在AWGN信道及AWGN-萊斯多徑信道中的SNR-BER性能。該方案除了方案2的內容外還包括課堂內未講解需經查閱文獻資料方可完成的內容，如萊斯多徑信道的特性的內容，該方式能夠最大限度地保證設計的靈活性和工程能力的鍛煉，但因為涉及到未講解的內容，所以難度最大，適用于學有余力的學生群體。

二、結語

“MATLAB與通信仿真”精品實驗項目立項后，課題組多次進行實驗教學效果調查，總體滿意率均在98%以上。其中94%的學生喜歡這種循序漸進、層次化的實驗教學方式，且有85%以上的學生愿意選擇高分實驗內容完成實驗；但也有3%的學生感覺自己的基礎較差，只能選擇低分值的實驗內容，同時他們也表示這種層次化實驗內容的設置相比傳統的實驗更能調動自主學習的積極性。

參考文獻：

[1]張嫻，王士芬，徐竟成.建設精品實驗項目深化創新人才教育[J].上海：實驗室研究與探索，2011，30（11）：87-89.

[2]顧朝志，蔡麗萍，盧曉軒.“通信原理”精品實驗項目的建設[J].江蘇：電氣電子教學學報，2015，37（5）：103-105.

Abstract：The ideas and methods of construction of elaborate experimental project are introduced in this paper based on MATLAB experimental design of multipath propagation bit error rate performance evaluation. By Construction of virtual experiment platform based on multipath propagation error rate performance evaluation，different communication technologies have been integrated. So that much MATLAB program design knowledge points could be combined and integrated into the comprehensive，design oriented experiment.The evaluation system is also be improved.The experimental teaching effect is well.

Key words：MATLAB；communication simulation；elaborate experiment；virtual simulation；bit error rate performance