王勤?唐紅文?朱翠濤

摘要：針對通信原理課程理論性強、知識面廣、抽象概念多的特點，對課程的實踐教學方法進行了探索。有機地結合實驗箱、Systemview仿真軟件和FPGA設計等相關技術，開展仿真性、驗證性以及設計性等多層次實驗內容的實踐教學活動，激發(fā)學生的興趣，發(fā)揮學生的主觀能動性，鍛煉學生的動手能力，使學生分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新意識得到了極大的提高，有效地改善了通信原理實踐教學效果。

關鍵詞：通信原理；實踐教學；實驗教學

作者簡介：王勤（1982-），男，湖北武漢人，中南民族大學電子信息工程學院，講師；唐紅文（1969-），女，湖北武漢人，中南民族大學電子信息工程學院，副教授。（湖北 武漢 430074）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0192-02

“通信原理”是高等院校電子信息類專業(yè)學生的專業(yè)基礎課程，涉及“信號與系統(tǒng)”、“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”和“高頻電子線路”等多門先修課程，具有理論性強、知識面廣、抽象概念多的特點。[1]學生對概念往往不易理解，難以建立完整的通信系統(tǒng)知識體系。為了提高教學質量，很多高校開設出相應的實驗課程，使得學生能夠進一步消化課堂上所學的理論知識，加深學生對通信系統(tǒng)工作原理的理解。[2-5]中南民族大學屬于民族類高等院校，學生由多民族組成，對課程知識的接受程度存在較大差異性。針對這一情況，本著“因材施教，以生為本”的教學理念，我們對通信原理課程的實踐教學進行了一定的探索與研究，通過設計不同層次的實踐教學內容，激發(fā)學生的學習興趣，鍛煉學生的動手能力，努力提高實踐教學質量，取得了滿意的教學效果。

一、以驗證性實驗為基礎，加深學生對基本概念的理解

驗證性實驗主要是以實驗箱為平臺，學生利用相關測試點完成數(shù)據(jù)記錄與波形觀測并結合原理進行分析驗證的一種演示性實驗，是“通信原理”課程實踐教學活動的基礎。在教學中，教師根據(jù)現(xiàn)代通信理論的發(fā)展趨勢，以數(shù)字通信的基礎理論為重心，按照由淺入深、由簡單到綜合的原則精心設計與優(yōu)化實驗教學。實驗內容主要包含有數(shù)字基帶信號、數(shù)字調制解調技術、同步技術、PCM編解碼、時分復用數(shù)字基帶/頻帶傳輸通信系統(tǒng)等多個實驗項目。通過驗證性實驗，學生能夠更好地掌握數(shù)字通信的基本知識點，結合實驗箱了解通信原理的物理實現(xiàn)方式，有效提高了實驗技能。如在數(shù)字基帶信號實驗中，學生可通過示波器觀測了解NRZ碼、AMI碼以及HDB3碼等基帶信號波形特點，通過修改實驗箱參數(shù)并觀測結果來比較它們之間的優(yōu)缺點。整個實驗過程比理論教學更加直觀，加深了學生對數(shù)字基帶信號相關概念的理解，教學效果好。

二、引入仿真性實驗，提高學生對通信系統(tǒng)框架的認識

驗證性實驗意在使學生將課堂上所學的知識在實驗中得到驗證，達到加深印象、鞏固基礎知識的目的，但也存在一定的局限性。如實驗箱硬件模塊固定，靈活度不高；知識點覆蓋不全面；學生容易將精力過多關注在單一測試點的數(shù)據(jù)上而忽視對通信系統(tǒng)整體模型的思考。因此在實驗教學環(huán)節(jié)，我們開設有仿真性實驗課程，使學生通過軟件仿真方式建立通信系統(tǒng)模型，以便更好地理解與掌握通信系統(tǒng)原理。

SystemView是美國ELANIX公司研發(fā)的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，可構造出各種復雜的模擬、數(shù)字以及模數(shù)混合系統(tǒng)，適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計、仿真和方案論證。[3]軟件提供豐富的設計資源，包含大量的信號源、接收端、功能塊、算子圖符以及函數(shù)庫，可供用戶調用；同時界面友好，用戶只需通過鼠標點擊以及拖動圖符便可完成系統(tǒng)的構建與仿真分析，無需編程，學生能夠較快地上手完成相關的實驗設計與仿真。

在實驗設計上，借助SystemView仿真軟件平臺開設數(shù)字通信相關實驗，包括ASK、FSK、PSK以及MSK等多種數(shù)字通信系統(tǒng)設計。仿真實驗內容與驗證性實驗相互印證，有助于學生對知識點的掌握。在實驗過程中，學生利用軟件能夠對通信系統(tǒng)進行靈活設計，極大地激發(fā)學生的主觀能動性，增強了學生對系統(tǒng)模型的認識。同時學生可通過修改相關參數(shù)動態(tài)地觀察仿真實驗結果，從而更為直觀形象地理解各種參數(shù)對通信系統(tǒng)性能的影響。此外，當實驗結果不正確時，學生也可在系統(tǒng)中自由加入仿真觀測點，利用逐步分析與測量的方式來排除問題，有效提高了學生的綜合設計能力。

以2FSK實驗為例，2FSK是一種通過載波頻率的變化來攜帶二進制信息的調制方式，其系統(tǒng)的調制與解調實現(xiàn)方案有多種。在這里采用鍵控方式調制基帶信號，并利用相干解調法完成解調，同時在系統(tǒng)中加入了高斯白噪聲以模擬信道傳輸過程。整體系統(tǒng)仿真設計模型如圖1所示。在系統(tǒng)完成搭建后，可通過軟件的分析窗口利用波形、頻譜或眼圖等方式觀測結果。如觀測2FSK信號的時域波形（圖2（a）），調制信號的功率譜密度（圖2（b））以及正確相干解調后獲得的基帶信號（圖2（c））。整個實驗可以使學生更好地理解2FSK系統(tǒng)模型，并能與在實驗箱上所做的驗證性實驗進行對比參考，有效激發(fā)了學生的學習興趣。

三、利用FPGA平臺開展設計性實驗，增強學生的創(chuàng)新意識

在課程實踐教學過程中，對于學有余力、愿意潛心鉆研的學生，為了更好地拓寬他們的視野與知識面，在完成仿真及驗證性實驗教學要求的前提下可以開展設計性實驗工作。設計性實驗是指老師只給出實驗目的、要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現(xiàn)的實驗。[4]實驗具有開放性的特點，重在培養(yǎng)學生綜合設計能力、實驗動手能力、自主學習能力和查閱文獻的能力，增強學生的創(chuàng)新意識。在實驗中，我們把設計與EDA技術的發(fā)展趨勢相結合，考慮到FPGA技術具有集成度高、速度快和現(xiàn)場可編程的特點，其研發(fā)周期短、實現(xiàn)靈活，在當今通信領域中的應用日益廣泛，因此將FPGA設計引入通信原理實踐環(huán)節(jié)。設計性實驗基于FPGA平臺可實現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能模塊，主要內容包括M序列設計、信道編解碼技術、位/幀同步提取、數(shù)字信號傳輸性能分析等多種實驗。

以數(shù)字信號傳輸性能分析實驗為例，學生需設計完成一種簡易的數(shù)字信號傳輸性能分析系統(tǒng)。其核心是利用FPGA平臺產生數(shù)字信號和偽隨機噪聲，經過濾波器模擬信道傳輸后，由FPGA對信號進行分析提取同步信息，最后通過示波器觀測眼圖，根據(jù)眼圖特征直觀地評估系統(tǒng)的碼間干擾和噪聲的影響。其系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

在實驗中，學生可通過FPGA編程生成M序列偽隨機信號，分別作為數(shù)字傳輸信號以及偽隨機噪聲；搭建模擬電路實現(xiàn)低通濾波功能；在FPGA中利用數(shù)字鎖相環(huán)方法提取接收端的同步時鐘，最后利用該時鐘作為示波器的外觸發(fā)信號，從而顯示出接收信號對應的眼圖。圖4為在示波器上所觀測到的正確實驗結果。其中（a）為未加入偽隨機噪聲的眼圖，（b）為加入了偽隨機噪聲的眼圖。實驗涉及通信原理課程中的偽隨機序列、信道、同步技術、眼圖等多個理論知識，設計實現(xiàn)方案與FPGA技術緊密結合有效提高了學生對通信專業(yè)知識、電路設計、FPGA設計等知識技術的綜合運用能力以及創(chuàng)新設計能力。

四、總結

通過不斷的探索與研究，我們逐步建立了一套完整的包含仿真、驗證以及設計等多種不同層次實驗內容的通信原理課程實踐教學體系。在實踐教學中，我們針對學生接受知識的能力因材施教；堅持理論與實踐相結合、仿真平臺與硬件平臺相結合、驗證性實驗與開放性設計相結合；努力培養(yǎng)學生整體思考問題、分析問題、解決問題的能力。實踐證明，通過這些教學活動的開展，學生能夠更好地掌握通信原理的基本概念，對通信系統(tǒng)的認識進一步加深，學生的視野和知識面得到了拓展；同時學生的主觀能動性得到了很好的發(fā)揮，動手能力得到了鍛煉，綜合運用知識的能力以及創(chuàng)新意識得到了有效提高，為學生之后從事相關專業(yè)領域的工作與學習打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].第六版.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]郭有喜，高媛媛.層次化實驗體系在通信原理教學中的應用[J].中國電力教育，2012，（31）：109-110.

[3]龐姣，王虹，趙璞.Systemview在通信原理實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（8）：267-268.

[4]馬冬梅，朱正偉.通信原理實驗教學的改革與探索[J].實驗室科學，2010，13（4）：17-19.

[5]劉效勇，盧佩，田敏.通信原理實驗課程教學改革與探索[J].大眾科技，2010，（7）：190.

（責任編輯：王祝萍）