吳 俊，徐 丹，羅 勇

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

我校的“通信原理”課程經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，積累了豐富的經(jīng)驗，取得了多項教學(xué)成果，先后多次被評為大學(xué)及海軍優(yōu)秀課程。但其實驗教學(xué)與國內(nèi)其它重點高校的實驗教學(xué)相比，還需要進一步完善。為了完成海軍優(yōu)秀課程建設(shè)的目標，并充分考慮軍隊院校通信專業(yè)學(xué)生的實際需求，我們制定了對該課程實驗教學(xué)改革的方案。

1 實驗類型的改革

四種類型，以煅煉學(xué)生的綜合思維能力、創(chuàng)新能力和實際動手能力。

我們一方面精選實驗內(nèi)容，減少驗證性實驗，盡可能把驗證性實驗轉(zhuǎn)換為簡單的綜合性實驗。另一方面增加綜合性和設(shè)計性實驗，開設(shè)虛擬仿真性實驗，并鼓勵有能力的學(xué)生在完成已有實驗項目的基礎(chǔ)上積極開展自主研究性實驗。改革后的總體實驗結(jié)構(gòu)如表1所示。

該課程實驗類型由原來單一的驗證性實驗調(diào)整為驗證性、綜合設(shè)計性、虛擬仿真性以及自主研究性

2 實驗平臺的改革

我們以前采用的通信原理實驗平臺主要是通信原理實驗箱和Matlab通信仿真平臺。這兩種實驗平臺各有優(yōu)缺點［1］。

實驗箱的優(yōu)點是學(xué)生可以接觸到實際的硬件電路，學(xué)習(xí)使用各種儀器，提高學(xué)生的動手操作能力。缺點是實驗設(shè)備有限，部分實驗設(shè)備缺少(如頻譜儀、誤碼儀等);實驗項目有限，有的實驗不能做(如模擬調(diào)制實驗)。由于都是模塊化設(shè)計，學(xué)生不能深入了解電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不能自行設(shè)計實驗，自主發(fā)揮的空間比較小。

表1 總體實驗結(jié)構(gòu)

Matlab通信仿真平臺是借助仿真軟件，自行編寫代碼來完成通信系統(tǒng)的建模、設(shè)計和測試。其優(yōu)點是設(shè)計靈活，對學(xué)生建立通信系統(tǒng)很有幫助。使用仿真軟件實驗投入少，維護簡單。缺點是在仿真設(shè)計中采用的都是模型，學(xué)生的理解僅停留在模型表面，缺乏對模型具體電路的認識和設(shè)計。因?qū)W(xué)生的編程能力和綜合能力要求都比較高，在有限幾個學(xué)時完成Matlab實驗對部分學(xué)生而言稍顯困難。

我們最新增加的System View通信仿真平臺與Matlab的不同在于，它不需要自行編寫代碼，而是應(yīng)用已有庫中的模塊來完成通信系統(tǒng)的建模、設(shè)計和測試［2］。它一方面保留了軟件平臺的設(shè)計靈活性，一方面也具有同實驗箱一樣的上手快，易操作等優(yōu)點。它比實驗箱效率更高，效果更好，且成本低。

考慮到通信領(lǐng)域里越來越多地采用軟件無線電方式，即用FPGA等可編程芯片來實現(xiàn)復(fù)雜多樣的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，它是一種比較新的設(shè)計方法。我們已將FPGA設(shè)計引入實驗。不過，其缺點是學(xué)生需要有一定的知識基礎(chǔ)，且實驗時間較長。

我們綜合考慮上述幾種實驗平臺的優(yōu)缺點，按以下環(huán)節(jié)設(shè)計實驗:為了加強學(xué)生對“通信原理”理論知識的理解，并讓學(xué)生對實際通信電路有感性的認識，部分實驗內(nèi)容(表中①-⑥項)采用通信原理實驗箱;為了讓學(xué)生熟悉一般通信系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，表中⑦項實驗采用System View仿真;為了提高學(xué)生綜合編程能力和創(chuàng)新能力，表中⑧項實驗采用FPGA設(shè)計(基于通信原理實驗箱的FPGA二次開發(fā)模塊完成)。

3 實驗內(nèi)容的改革

3.1 驗證性實驗

除了表中抽樣定理實驗③和時分復(fù)用實驗④屬于基本驗證性實驗外，①、②、⑤項都為綜合驗證性實驗，即在搭建起的完整的通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行驗證，而不是在單個模塊基礎(chǔ)上的驗證。學(xué)生有了系統(tǒng)的概念，對各個模塊的作用和區(qū)別也會有更加清醒的認識和理解，驗證的效果也會更好。

(1)基帶傳輸編譯碼實驗①

該實驗較之以前單一芯片即可完成的碼型變換實驗，增加了同步模塊和基帶信號形成模塊，使之成為一個簡單的基帶傳輸系統(tǒng)。學(xué)生可以搭建一個基帶傳輸系統(tǒng)，從中了解到基帶信號的產(chǎn)生、信道信號的形成、接收濾波器的工作原理、同步信號的產(chǎn)生機理、基帶信號編譯碼過程和抽樣判決等基帶通信系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的內(nèi)容。該實驗較之以前的碼型變換實驗，觀察的碼型增多，包括NRZ碼、RZ碼、AMI碼、HDB3碼、CMI碼和BPH碼等多種常用碼型。

(2)頻帶傳輸調(diào)制解調(diào)實驗②

該實驗擴充為調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實驗，增加了載波同步和位同步模塊，目的也是增強學(xué)生對整個頻帶傳輸系統(tǒng)的認識而不僅僅是對調(diào)制解調(diào)的認識。學(xué)生對調(diào)制方式的選擇有了更大的靈活性，可以選擇2ASK、2FSK和2PSK(2DPSK)等基礎(chǔ)方式，也可以選擇稍復(fù)雜的QPSK(OQPSK)和QAM等調(diào)制方式。

我們的培訓(xùn)對象是全體農(nóng)村教師，所以他們的培訓(xùn)需求是我們選擇培訓(xùn)形式的重要依據(jù)。通過前期調(diào)研收回的有效問卷，我們發(fā)現(xiàn)，教師都希望“送培下鄉(xiāng)”活動能夠創(chuàng)新培訓(xùn)模式、重視培訓(xùn)過程、更新培訓(xùn)內(nèi)容。因此我們在送培時間上，在學(xué)校工作日以一個學(xué)期一次為主展開，集中在2～3天內(nèi)完成整個活動流程，盡量不占用他們的休息時間。在送培形式上，首先是一線骨干教師講授示范課，其次是區(qū)域?qū)W科帶頭人組織互動評課，再次是網(wǎng)絡(luò)教研與集中面授相結(jié)合的學(xué)科研修。

(3)信道編譯碼實驗⑤

該實驗也同樣遵循上述原則。學(xué)生要搭建一個簡單數(shù)字通信系統(tǒng)的環(huán)境，可以自由選擇編譯碼方式(漢明碼、循環(huán)碼和卷積碼等)。

3.2 綜合設(shè)計性實驗

我們把模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)實驗⑥作為綜合設(shè)計性實驗，出于以下兩點考慮:第一，模擬信號的數(shù)字化傳輸一貫是“通信原理”的重點內(nèi)容，目前常見的通信系統(tǒng)都是把模擬信號進行數(shù)字化傳輸?shù)模缡謾C、有線電視等，因此該實驗實用性較強。第二，模擬信號的數(shù)字化傳輸所涉及到的通信技術(shù)和手段比較多，因此該實驗的綜合性和可設(shè)計性均較強，比較適合作為綜合設(shè)計性實驗。

該實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示，涉及到的技術(shù)基本涵蓋了通信系統(tǒng)的各個方面。對學(xué)生而言，需要掌握的知識比較多，具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。

圖1 模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)實驗框圖

以往的模擬信號數(shù)字化傳輸實驗，我們僅考慮了A/D和D/A轉(zhuǎn)換過程(如PCM編譯碼過程)，而沒有考慮其它方面，而且PCM的編譯碼通常也是僅用一個芯片自環(huán)完成，沒有考慮系統(tǒng)的概念，學(xué)生僅僅看到一個正弦波輸入，緊接著又看到一個同樣的正弦波輸出，這中間是如何編碼的又是如何解碼的基本沒搞清楚。我們現(xiàn)在把PCM編碼模塊和譯碼模塊分開，同時還在中間插入實際系統(tǒng)中通常會有的信道編譯碼、載波調(diào)制和解調(diào)模塊，以及同步模塊等，使之成為一個完整的模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)。再增加時分復(fù)用的技術(shù)傳輸多路信源，使整個系統(tǒng)的綜合性更強。

A/D轉(zhuǎn)換過程除了可以采用PCM編碼，還可選擇CVSD編碼以及調(diào)量調(diào)制方式等;載波調(diào)制解調(diào)過程可以選擇 2ASK、2FSK、2PSK、QPSK和 QAM等，也是根據(jù)學(xué)生的不同能力來自行選擇。

此外，除了信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波可以作為輸入信號源，還增加了麥克風(fēng)輸入以及音樂信號輸入，接收端增加了耳麥和揚聲器，以增添實驗樂趣。

3.3 虛擬仿真性實驗

SystemView通信系統(tǒng)仿真實驗⑦較之于以前的Matlab通信系統(tǒng)仿真實驗，減少了編寫代碼環(huán)節(jié)，學(xué)生可以利用現(xiàn)成的模塊完成復(fù)雜通信系統(tǒng)的搭建。學(xué)生利用虛擬的信源和示波器查看系統(tǒng)搭建的效果，改進系統(tǒng)參數(shù)和模塊設(shè)置，可操作性強，教學(xué)效果明顯，可以在有限學(xué)時內(nèi)完成。

我院的SystemView通信系統(tǒng)仿真實驗不同于一般高校，主要開設(shè)以下具有軍隊特色和實用價值的題目以供學(xué)生選擇設(shè)計:①甚低頻通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計與仿真;②短波通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計與仿真;③超短波通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計與仿真;④衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制方式設(shè)計與仿真。

這些選題的針對性比較強，需要學(xué)生對系統(tǒng)相關(guān)知識有一定了解，對學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和綜合設(shè)計能力有一定的要求。

3.4 自主研究性實驗

自主研究性實驗主要靠學(xué)生自身能力來完成，教師只能從旁引導(dǎo)。沒有學(xué)生在課下刻苦鉆研，僅憑一兩個學(xué)時，自主研究性實驗是很難完成的。

FPGA實現(xiàn)數(shù)字調(diào)調(diào)制解調(diào)實驗⑧是使用通信原理實驗箱自帶的FPGA二次開發(fā)模塊的自主研究性實驗。學(xué)生籍助硬件實驗箱、范例、參考書及教師引導(dǎo)，有了這些較好的自主研究性實驗條件，較之以前的Matlab軟件編程實驗，可獲得更好的效果。

4 結(jié)語

我們對實驗課單獨進行考評，實行百分制，實驗①至實驗⑥滿分10分，實驗⑦和⑧滿分20分。每個實驗又分基礎(chǔ)檔和提高檔兩種不同難度級別，完成基礎(chǔ)檔實驗任務(wù)8分，完成提高檔實驗任務(wù)10分。實驗課不滿60分視為“通信原理”課程不及格。目前通信原理實驗課改革正朝著構(gòu)建的集軟件仿真實驗系統(tǒng)、硬件實驗系統(tǒng)和虛擬實驗系統(tǒng)于一體的實驗體系方向發(fā)展，努力開展多視角實驗教學(xué)［3］。利用該實驗體系，對于同一知識點，學(xué)生首先采用軟件仿真實驗系統(tǒng)進行理論分析和研究;然后在硬件實驗系統(tǒng)上進行實際測量，并將二者的結(jié)果進行比較和分析;最后學(xué)生還可隨時隨地通過校園網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗系統(tǒng)，進行自主性和創(chuàng)新性實驗。

［1］ 徐彥凱.通信原理實驗教學(xué)的探索.上海:實驗室研究與探索［J］.2011(6):316 ～335.

［2］ 蔡麗萍，洪利，盧曉軒.基于System View的通信原理系統(tǒng)軟件實驗設(shè)計［J］.上海:實驗室研究與探索，2006，25(8):899-901.

［3］ 屈曉旭.構(gòu)建三位一體的通信原理課程多視角實驗教學(xué)體系［J］.西安:高校實驗室工作研究，2011(11).:18-19