沈文麗，余燕平，賈 波

(浙江工商大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

《通信原理》課程的課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

沈文麗，余燕平，賈 波

(浙江工商大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

《通信原理》是通信類、電子類專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程具有理論性強(qiáng)、抽象概念多、教學(xué)難度大等特點(diǎn)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生的潛在能力，針對(duì)教學(xué)中存在的問(wèn)題，從改進(jìn)教學(xué)課件、采用軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)等方面探索如何提高教學(xué)效果的一些思路。實(shí)踐證明，通過(guò)以上教學(xué)方法的改革，教學(xué)質(zhì)量得到了提高，教學(xué)實(shí)踐取得了良好的效果。

通信原理；多媒體課件；硬件實(shí)驗(yàn)；Matlab軟件

《通信原理》課程是我國(guó)高校信息與電子工程學(xué)科中的一門工程性和綜合性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。它既是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課的過(guò)渡，也是通信電子學(xué)科的入門課，在通信、電子類專業(yè)中占有非常重要的地位。它的先修課程是高等數(shù)學(xué)、概率論、隨機(jī)過(guò)程、信號(hào)與系統(tǒng)等;它的后續(xù)課程有光纖通信、移動(dòng)通信、無(wú)線通信、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。它對(duì)學(xué)生的要求比其他課程高得多，僅靠傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性達(dá)不到很好的教學(xué)效果?！锻ㄐ旁怼氛n程的教學(xué)包括理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)，兩者需要相互結(jié)合和相互促進(jìn)。我們采用更加生動(dòng)形象的多媒體課件、軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降榷喾N輔助教學(xué)手段來(lái)改革傳統(tǒng)的教學(xué)思路。培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)創(chuàng)新性和應(yīng)用型人才的需求，是《通信原理》課程的主要教學(xué)目標(biāo)。

1 改進(jìn)多媒體課件

1.1 增加圖形和動(dòng)畫(huà)

《通信原理》課程內(nèi)容抽象、專業(yè)術(shù)語(yǔ)多、公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，需要學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)較強(qiáng)的理解力[1_4]。因此多媒體課件應(yīng)具備多樣化形式，除介紹基本的概念、公式和理論推導(dǎo)外，還應(yīng)增加Flash動(dòng)畫(huà)、圖片、流媒體等形式，盡量將抽象的理論公式形象化。

以調(diào)幅AM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)為例，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)就是常規(guī)雙邊帶調(diào)制。假設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的平均值為0，將其疊加一個(gè)直流偏量A0后與載波相乘，即可形成調(diào)幅信號(hào)[5]。其時(shí)域表達(dá)式為

式中，A0為外加的直流分量;m(t)可以是確知信號(hào)也可以是隨機(jī)信號(hào)。

若m(t)為確知信號(hào)，其頻譜為M(ω)，則AM信號(hào)的頻譜為

根據(jù)AM信號(hào)的頻譜公式可以畫(huà)出其頻譜圖如圖1所示，并將載頻分量、上下邊帶和帶寬均標(biāo)注其上。采用這樣的圖形可以很形象地將載頻分量、上下邊帶和帶寬的概念表示出來(lái)，清楚明確、一目了然。正負(fù)載波中心頻率位置的頻譜成分稱為載頻分量;正載波中心頻率右側(cè)和負(fù)載波中心頻率左側(cè)的頻譜成分稱為上邊帶分量;正載波中心頻率左側(cè)和負(fù)載波中心頻率右側(cè)的頻譜成分稱為下邊帶分量。上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。因此，AM信號(hào)是帶有載波分量的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬是基帶調(diào)制信號(hào)帶寬的2倍。

學(xué)生從圖1可以直觀明了地掌握幾者的關(guān)系，將枯燥的理論知識(shí)以生動(dòng)形象的圖形方式呈現(xiàn)出來(lái)，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)通信專業(yè)知識(shí)的興趣，又降低了知識(shí)本身的理解難度。

圖1 調(diào)幅信號(hào)的頻譜圖

1.2 增加概括和總結(jié)

通信原理課程的內(nèi)容體系非常清楚[5_6]，以樊昌信的《通信原理》教材為例。第一章至第四章是概率論和確知信號(hào)以及隨機(jī)過(guò)程的基礎(chǔ)知識(shí)，第五章是模擬調(diào)制系統(tǒng)，第六至八章是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。第九章是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化[5]。因此，在學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)時(shí)可以采用與模擬系統(tǒng)類似的學(xué)習(xí)方法，其基本內(nèi)容包括時(shí)域表達(dá)式、頻譜表達(dá)式和帶寬的概念、調(diào)制解調(diào)方法和性能。當(dāng)然，模擬傳輸系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)是有本質(zhì)區(qū)別的。在教學(xué)過(guò)程中，我們對(duì)兩者的異同點(diǎn)加以總結(jié)和比較，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能更快理解和掌握新知識(shí)點(diǎn)，減少了不必要的混淆。

模擬帶通信號(hào)和數(shù)字帶通信號(hào)的帶寬都是以基帶信號(hào)的帶寬作為基本單位。但是模擬基帶信號(hào)的帶寬一般用fH來(lái)表示，是表示基帶信號(hào)的最高頻率。例如，對(duì)于模擬信號(hào)，雙邊帶信號(hào)的帶寬是2fH，帶邊帶信號(hào)帶寬是fH，殘留邊帶信號(hào)帶寬處于fH和2fH之間。而數(shù)字基帶信號(hào)的帶寬用fs來(lái)表示，它是碼元周期Ts的倒數(shù)。例如二進(jìn)制振幅鍵控和二進(jìn)制相移鍵控的帶寬是2fs，二進(jìn)制頻移鍵控的帶寬是｜f1_f2｜+2fs。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易將兩者混淆。

二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)和二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)的調(diào)制方法也有類似之處。我們將之加以總結(jié)，并繪出如圖2所示的調(diào)制原理框圖。如圖2(a)的模擬相乘法中，若模塊A輸入的是二進(jìn)制單極性不歸零信號(hào)，調(diào)制得到的就是2ASK信號(hào);若模塊A輸入的是雙極性不歸零信號(hào)，則調(diào)制得到的就是2PSK信號(hào)。同樣，對(duì)于圖2(b)的數(shù)字鍵控法，若模塊B接地，最后輸出得到的就是2ASK信號(hào);若模塊B輸入的是載波的180°移相信號(hào)，調(diào)制得到的就是2PSK信號(hào)。在授課過(guò)程中，若加以比較和總結(jié)，可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

圖2 二進(jìn)制振幅/相移鍵控的調(diào)制原理框圖

2 軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)輔助手段

2.1 采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)

在《通信原理》課程的硬件實(shí)驗(yàn)中，我們采用的實(shí)驗(yàn)箱是武漢凌特電子技術(shù)有限公司的LTE_ TX_02E通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)箱的主要特點(diǎn)是模塊化設(shè)計(jì)，各模塊采用獨(dú)立電源開(kāi)關(guān)，可根據(jù)需要自行配置。涵蓋了通信系統(tǒng)中的信源編碼技術(shù)、基帶和帶通傳輸技術(shù)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、同步技術(shù)以及接口技術(shù)等。完全滿足通信原理課程的教學(xué)要求。

以2ASK的調(diào)制實(shí)驗(yàn)為例，在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號(hào)的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基帶信號(hào)1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無(wú)來(lái)代表信號(hào)中的“1”或“0”，這樣就可以得到2ASK信號(hào)，這種二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通—斷鍵控(OOK)。其時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，A為未調(diào)載波幅度;ωc為載波角頻率;an為符合下列關(guān)系的二進(jìn)制序列的第n個(gè)碼元。

綜合式(5)和式(4)，令A(yù)=1，則2ASK信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為：

式中，Ts為碼元間隔;g(t)為持續(xù)時(shí)間[_Ts/2，Ts/2]內(nèi)任意波形形狀的脈沖(分析時(shí)一般設(shè)為歸一化矩形脈沖);S(t)代表二進(jìn)制信息的隨機(jī)單極性脈沖序列。

將實(shí)驗(yàn)箱上的預(yù)留測(cè)試點(diǎn)連接示波器，得到如圖3所示的2ASK已調(diào)信號(hào)的波形圖。本實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在通信原理課程中數(shù)字基帶傳輸技術(shù)(碼型變換、眼圖觀測(cè))、數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)(2ASK、2FSK、2DPSK)和模擬信號(hào)數(shù)字化(PAM、PCM、增量調(diào)制)都可以采用該實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成。

圖3 2ASK已調(diào)信號(hào)的波形

2.2 Matlab軟件的應(yīng)用

除采用硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，我們將Matlab引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。要求學(xué)生自己動(dòng)手運(yùn)用Matlab軟件強(qiáng)大的圖形功能將理論公式轉(zhuǎn)化為圖形表述。通信原理中的很多知識(shí)點(diǎn)，如模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、通信系統(tǒng)的同步原理等，都可以借助Matlab進(jìn)行仿真分析[7_8]。學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)方案、編寫程序，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，許多抽象深?yuàn)W的理論變得形象、生動(dòng)、具體，學(xué)生可以更好地理解公式所要表達(dá)的意思，從圖形中進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。從死記硬背記公式轉(zhuǎn)化為以理解公式和圖形為主，減少學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的困難，從而有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力，提高分析解決問(wèn)題的能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

以抑制載波的雙邊帶為例，其調(diào)制信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式一般可表示成

式中，m(t)為基帶調(diào)制信號(hào)。

設(shè)基帶信號(hào)m(t)的頻譜為M(ω)，則可以得到已調(diào)信號(hào)sm(t)的頻譜Sm(ω)為

用Matlab編寫程序，產(chǎn)生如下參數(shù)的調(diào)幅信號(hào)，其載波頻率為50 Hz;采樣頻率為1 000 Hz，基帶調(diào)制信號(hào)是頻率為10 Hz的單音正弦波。

基帶信號(hào)和調(diào)幅信號(hào)的頻譜分別如圖4和圖5所示。

從基帶信號(hào)和調(diào)幅信號(hào)的頻譜圖可以看出，調(diào)幅信號(hào)將基帶信號(hào)的頻譜搬移到載波中心頻率位置，并且含有上下兩邊帶。由此可以讓學(xué)生更直觀地了解調(diào)幅信號(hào)產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程，更深刻地理解調(diào)幅信號(hào)的時(shí)頻特性。

圖5 調(diào)幅信號(hào)的波形與頻譜圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從改進(jìn)多媒體課件和采用軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)來(lái)改革通信原理課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式。實(shí)踐證明，兩種方法相輔相成，一定程度地提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。通過(guò)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的理論基礎(chǔ)以及創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，為社會(huì)輸送“實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)、有專長(zhǎng)”的應(yīng)用型人才。

[1]馬冬梅，朱正偉.“通信原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13(4)：17_19.

[2]趙金憲，江曉林.電氣信息類專業(yè)“通信原理”實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32 (S1)：l11_113.

[3]徐升槐，范勤儒.“通信原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9(1)：65_66.

[4]劉凱，徐楨，張軍.《通信原理》中的教學(xué)方法研究[J].高教論壇，2009(3)：26_29.

[5]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：87，259.

[6]曹志剛.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：27_54.

[7]張鳴，李白萍.Matlab仿真在通信原理課程中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(11)：87_89，93.

[8]郝秀蘭，杜煜，蘇利敏.Matlab在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，39(10)：42_45.

Course and Teaching Reform in the Curriculum of Communication Principle

SHENWenli，YU Yanping，JIA Bo
(College of Information and Electronic Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China)

Communication Principle is a very important professional and basic course of communication and electronic major.As the concept of communication techniques is theoretical and abstract，improvementof the teaching effect is difficult.In order to improve the interest and inspire the potential ability of the students in learning，the improvement of teaching courseware，the application of hardware and software experiments are explored to improve the teaching effect.In the practice of teaching reform，the teaching quality has been improved.It shows good results through the reform ofmethods.

communication principle;multimedia courseware;hardware experiments;Matlab software

G642.0；TN911

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.020

2013_03_22

浙江本科高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目（44）；浙江工商大學(xué)2010年度通信工程校級(jí)重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)（浙商大教〔2011〕36號(hào)）。

沈文麗（1982_），女，博士，講師，研究方向：無(wú)線通信。