基于硬件系統仿真的通信原理實踐

文/張炎生 譚艷春 廖珊

1 通信原理實踐的背景

當今社會，通信技術的迅猛發展，推動著社會經濟的高速增長，高等教育的教學內容必需要緊密結合當前的科技發展。《通信原理》作為通信工程、電子信息工程等專業的核心課程，又是移動通信、光纖通信等后續專業課程的基礎，該課程具有理論性強、內容抽象、涉及面寬等特點。開設通信原理實踐教學就是為了讓學生能理論與實踐結合，從而來激發學生的學習興趣，增強理論知識的掌握，提高學生的動手能力。但是，目前大多數通信原理實踐教學并沒有達到預期的效果，還存在實驗內容局限性大、實驗過程缺少創新性、實驗方法缺少綜合性等問題。主要表現為：實驗教學內容主要是圍繞各廠家提供的實驗設備來開設相應的實驗項目，局限性大，學生缺少創造思維的空間；實驗過程是通過實驗前教師對實驗內容進行講解，然后學生通過實驗電路的連接、實驗數據的測量或用示波器觀察實驗結果等，將理論教學的相關內容聯系起來，因而學生缺少自主創新的培養；實驗方法主要以課程單元內容進行驗證性實驗為主，學生對通信系統沒有一個整體的概念，對實驗內容的實際用途沒有直觀的認識，學生缺少綜合能力的培養。

綜上所述，為了培養學生的自主創新能力，提高學生對通信原理課程學習的效果。對通信原理實踐教學模式進行改革勢在必行，具有十分重要的意義。

圖1：通信原理實踐教學改革技術路線

2 基于硬件系統仿真的通信原理實踐

（1）以學校的實驗中心現有實踐條件為基礎，適當增加或補充實踐教學設備和儀器。

（2）以現有通信原理實驗設備中各實驗模塊為主，以學生利用電子元件自制實驗單元為輔，完善各單元實驗內容需要的硬件條件。

（3）以單元實驗內容為基礎，以通信系統仿真實驗貫穿通信原理課程各知識點為目標。

（4）以學生自行設計模擬通信系統和數字通信系統為主，老師給予適當的輔導為輔，開展系統仿真綜合性實踐教學。

（5）學生自行對設計的通信系統按各知識點的要求進行數據測量和分析，然后以小組或班級為單位，由學生進行講解和演示通信系統的工作過程，達到探討式教學效果的目的。

3 基于硬件系統仿真的通信原理實踐

3.1 通信原理各知識點單元實驗電路的設計

單元實驗電路或模塊結構的實驗箱是通信原理課程知識點驗證性實驗必備實踐條件，也是進行通信系統仿真實驗為基礎，通過實驗箱平臺或單元實驗電路，學生可以自主設計一個完整的模擬通信系統或數字通信系統。因此，制作出一些性能穩定、結構合理、接口標準、連接與測量方便的單元實驗電路是非常重要的。

3.2 用單元實驗電路構建各類通信系統

在已有的單元實驗電路的基礎上，如何利用它們來組建出一個完整的通信系統，是檢驗學生通信原理課程各知識點掌握的程度和動手能力強弱的充分體現。它不僅要對每一個單元實驗電路非常了解，同時還要考慮各單元電路連接后的相互融合及接口通信協議的相互兼容性等。鍛煉和培養學生的綜合應用能力和自主創新能力。

3.3 探討式通信原理實踐教學模式的實施

學生在完成通信系統仿真實踐教學電路后，要對電路的各部分進行相關知識點層面的數據測量，并對測到的數量進行分析。為了展示學生的自主設計通信系統的效果和成就，學生在一定的范圍內進行演示和宣講，可以很好地鍛煉和培養學生的綜合應用能力、自主創新能力和語言表達能力。

3.4 硬件仿真通信系統的通信原理實踐教學條件的保障

實驗中心為硬件仿真通信系統的通信原理實踐教學提供優質的條件是完成系統仿真實驗的前提條件。因此，團隊成員和實驗中心老師要根據硬件仿真通信系統的通信原理實踐教學改革總體方案要求，估計到學生自主設計通信系統過程有可能需要的硬件條件，作好相關準備并留有充分的余地，保證該項目實踐教學的順利完成。

圖2：數字基帶通信系統原理框圖

圖3：數字基帶通信系統實驗連接圖

3.5 硬件仿真通信系統的通信原理實踐教學內容的拓展——利用電子器件設計制作進行創新性實踐改革

這部分實踐教學是需要學生在掌握了足夠的前續課程的相關知識，并具備了一定的實踐技能后，對實踐教學的一種開拓與創新。創新性實踐內容可結合大學生電子從事的設計大賽和其它科技創新活動來進行，來培養學生的設計能力和創新能力。創新性實驗的內容可因人而異，對動手能力比較強的學生，可多開發一些創新性實驗項目，老師重點進行指導。而對于動手能力一般的學生，可適當進行引導，開拓他們的視野。

4 基于硬件系統仿真的通信原理實踐路線

目前，基于系統仿真的實驗方法主要有基于硬件的系統仿真實驗和基于軟件的系統仿真實驗二種。基于軟件的系統仿真實驗是利用Matlab等軟件平臺進行綜合性實驗，但沒有直觀性和親身體驗感。基于硬件的系統仿真實踐教學，是在驗證性實驗的基礎上，將課程所涉及到的所有知識點關聯起來組成與現實本一致的模擬通信系統和數字通信系統，通過實驗箱和電子器件等硬件設備，采取按知識點為單元的硬件模塊結構，學生自主設計一個完整的模擬通信系統或數字通信系統。其改革技術路線如圖1所示。

5 數字基帶通信系統

數字基帶通信系統，需要提供的單元電路有：信號源單元、PAM抽樣單元、A/D編碼單元、信道單元、信宿單元。其原理框圖如圖2所示。根據奈奎斯特抽樣定理，對最高頻率為fH的信號，需要采用大于等于2fH的脈沖序列對其抽樣，然后通過量化將抽樣值取值無限變為取值歸入不同等級，經過對量化后的等級值進行編碼，將模擬信號變成0、1組合的二進制代碼，即數字信號。抽樣頻率取的越高，等級劃分的級別越多，編碼出來的二進制數字信號碼率相應就越高，對信號的描述也就越細膩；但相應的信號傳輸碼元速率也越大，傳輸在帶寬也就越寬。

數字基帶通信系統的實驗連接如圖3所示。根據連接圖可以對通信系統的各個知識點進行測量和分析，主要測量點有：

（1）對信號源產生的模擬信號、抽樣脈沖及各種同步信號進行測量，并可任意改變模擬信號和抽樣脈沖的頻率，觀察在滿足和不滿足抽樣定理情況下信號傳輸后的失真變化。

（2）對模擬信號進行編碼的結果進行測量，模擬信號數字化編碼的方式可以選擇脈沖幅度調制、脈沖編碼調制、增量調制等不同的方式，分析它們編碼的結果。

（3）對信號經過信道傳輸后的結果進行測量，在信道單元中，可以選擇加入或不加入噪聲來觀察和體會數字信號在信道中傳輸過程中加入不同大小的噪聲時對信號傳輸的影響以及對接收信號恢復的影響。

（4）對接收端譯碼單元恢復的模擬信號進行測量，充分理解到數字化后的數字信號傳輸系統具有抗干擾能力強、能通過中繼再生消除噪聲的干擾等優點。

（5）對各種同步信號進行測量，通過改變同步信號的頻率，分析同步信號的作用以及對數字通信系統工作的影響。

6 結束語

在實踐教學中引入利用硬件進行通信系統的仿真，增強了實踐教學的多樣性，擴大實驗涉及的范圍，改善了原有圍繞狹義地進行單一知識點驗證型實驗的局面，將課程中多個知識點串通起來，形成一個完整的通信系統，利用硬件仿真形象生動地展現出來，對通信系統的理解更加透徹，而且使學生掌握利用硬件進行輔助設計的方法，開闊學生的思路、視野，提高學生學習的興趣和熱情，達到學生自主學習、主動學習、創造性學習的目的。