通信原理课程实践教学探索

王勤?唐红文?朱翠涛

摘要：针对通信原理课程理论性强、知识面广、抽象概念多的特点，对课程的实践教学方法进行了探索。有机地结合实验箱、Systemview仿真软件和FPGA设计等相关技术，开展仿真性、验证性以及设计性等多层次实验内容的实践教学活动，激发学生的兴趣，发挥学生的主观能动性，锻炼学生的动手能力，使学生分析、解决问题的能力以及创新意识得到了极大的提高，有效地改善了通信原理实践教学效果。

关键词：通信原理；实践教学；实验教学

作者简介：王勤（1982-），男，湖北武汉人，中南民族大学电子信息工程学院，讲师；唐红文（1969-），女，湖北武汉人，中南民族大学电子信息工程学院，副教授。（湖北 武汉 430074）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0192-02

“通信原理”是高等院校电子信息类专业学生的专业基础课程，涉及“信号与系统”、“概率论与数理统计”和“高频电子线路”等多门先修课程，具有理论性强、知识面广、抽象概念多的特点。[1]学生对概念往往不易理解，难以建立完整的通信系统知识体系。为了提高教学质量，很多高校开设出相应的实验课程，使得学生能够进一步消化课堂上所学的理论知识，加深学生对通信系统工作原理的理解。[2-5]中南民族大学属于民族类高等院校，学生由多民族组成，对课程知识的接受程度存在较大差异性。针对这一情况，本着“因材施教，以生为本”的教学理念，我们对通信原理课程的实践教学进行了一定的探索与研究，通过设计不同层次的实践教学内容，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力，努力提高实践教学质量，取得了满意的教学效果。

一、以验证性实验为基础，加深学生对基本概念的理解

验证性实验主要是以实验箱为平台，学生利用相关测试点完成数据记录与波形观测并结合原理进行分析验证的一种演示性实验，是“通信原理”课程实践教学活动的基础。在教学中，教师根据现代通信理论的发展趋势，以数字通信的基础理论为重心，按照由浅入深、由简单到综合的原则精心设计与优化实验教学。实验内容主要包含有数字基带信号、数字调制解调技术、同步技术、PCM编解码、时分复用数字基带/频带传输通信系统等多个实验项目。通过验证性实验，学生能够更好地掌握数字通信的基本知识点，结合实验箱了解通信原理的物理实现方式，有效提高了实验技能。如在数字基带信号实验中，学生可通过示波器观测了解NRZ码、AMI码以及HDB3码等基带信号波形特点，通过修改实验箱参数并观测结果来比较它们之间的优缺点。整个实验过程比理论教学更加直观，加深了学生对数字基带信号相关概念的理解，教学效果好。

二、引入仿真性实验，提高学生对通信系统框架的认识

验证性实验意在使学生将课堂上所学的知识在实验中得到验证，达到加深印象、巩固基础知识的目的，但也存在一定的局限性。如实验箱硬件模块固定，灵活度不高；知识点覆盖不全面；学生容易将精力过多关注在单一测试点的数据上而忽视对通信系统整体模型的思考。因此在实验教学环节，我们开设有仿真性实验课程，使学生通过软件仿真方式建立通信系统模型，以便更好地理解与掌握通信系统原理。

SystemView是美国ELANIX公司研发的用于系统仿真分析的可视化软件工具，可构造出各种复杂的模拟、数字以及模数混合系统，适合现代通信系统的设计、仿真和方案论证。[3]软件提供丰富的设计资源，包含大量的信号源、接收端、功能块、算子图符以及函数库，可供用户调用；同时界面友好，用户只需通过鼠标点击以及拖动图符便可完成系统的构建与仿真分析，无需编程，学生能够较快地上手完成相关的实验设计与仿真。

在实验设计上，借助SystemView仿真软件平台开设数字通信相关实验，包括ASK、FSK、PSK以及MSK等多种数字通信系统设计。仿真实验内容与验证性实验相互印证，有助于学生对知识点的掌握。在实验过程中，学生利用软件能够对通信系统进行灵活设计，极大地激发学生的主观能动性，增强了学生对系统模型的认识。同时学生可通过修改相关参数动态地观察仿真实验结果，从而更为直观形象地理解各种参数对通信系统性能的影响。此外，当实验结果不正确时，学生也可在系统中自由加入仿真观测点，利用逐步分析与测量的方式来排除问题，有效提高了学生的综合设计能力。

以2FSK实验为例，2FSK是一种通过载波频率的变化来携带二进制信息的调制方式，其系统的调制与解调实现方案有多种。在这里采用键控方式调制基带信号，并利用相干解调法完成解调，同时在系统中加入了高斯白噪声以模拟信道传输过程。整体系统仿真设计模型如图1所示。在系统完成搭建后，可通过软件的分析窗口利用波形、频谱或眼图等方式观测结果。如观测2FSK信号的时域波形（图2（a）），调制信号的功率谱密度（图2（b））以及正确相干解调后获得的基带信号（图2（c））。整个实验可以使学生更好地理解2FSK系统模型，并能与在实验箱上所做的验證性实验进行对比参考，有效激发了学生的学习兴趣。

三、利用FPGA平台开展设计性实验，增强学生的创新意识

在课程实践教学过程中，对于学有余力、愿意潜心钻研的学生，为了更好地拓宽他们的视野与知识面，在完成仿真及验证性实验教学要求的前提下可以开展设计性实验工作。设计性实验是指老师只给出实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。[4]实验具有开放性的特点，重在培养学生综合设计能力、实验动手能力、自主学习能力和查阅文献的能力，增强学生的创新意识。在实验中，我们把设计与EDA技术的发展趋势相结合，考虑到FPGA技术具有集成度高、速度快和现场可编程的特点，其研发周期短、实现灵活，在当今通信领域中的应用日益广泛，因此将FPGA设计引入通信原理实践环节。设计性实验基于FPGA平台可实现通信系统的各种功能模块，主要内容包括M序列设计、信道编解码技术、位/帧同步提取、数字信号传输性能分析等多种实验。

以数字信号传输性能分析实验为例，学生需设计完成一种简易的数字信号传输性能分析系统。其核心是利用FPGA平台产生数字信号和伪随机噪声，经过滤波器模拟信道传输后，由FPGA对信号进行分析提取同步信息，最后通过示波器观测眼图，根据眼图特征直观地评估系统的码间干扰和噪声的影响。其系统结构框图如图3所示。

在实验中，学生可通过FPGA编程生成M序列伪随机信号，分别作为数字传输信号以及伪随机噪声；搭建模拟电路实现低通滤波功能；在FPGA中利用数字锁相环方法提取接收端的同步时钟，最后利用该时钟作为示波器的外触发信号，从而显示出接收信号对应的眼图。图4为在示波器上所观测到的正确实验结果。其中（a）为未加入伪随机噪声的眼图，（b）为加入了伪随机噪声的眼图。实验涉及通信原理课程中的伪随机序列、信道、同步技术、眼图等多个理论知识，设计实现方案与FPGA技术紧密结合有效提高了学生对通信专业知识、电路设计、FPGA设计等知识技术的综合运用能力以及创新设计能力。

四、总结

通过不断的探索与研究，我们逐步建立了一套完整的包含仿真、验证以及设计等多种不同层次实验内容的通信原理课程实践教学体系。在实践教學中，我们针对学生接受知识的能力因材施教；坚持理论与实践相结合、仿真平台与硬件平台相结合、验证性实验与开放性设计相结合；努力培养学生整体思考问题、分析问题、解决问题的能力。实践证明，通过这些教学活动的开展，学生能够更好地掌握通信原理的基本概念，对通信系统的认识进一步加深，学生的视野和知识面得到了拓展；同时学生的主观能动性得到了很好的发挥，动手能力得到了锻炼，综合运用知识的能力以及创新意识得到了有效提高，为学生之后从事相关专业领域的工作与学习打下了良好的基础。

参考文献：

[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].第六版.北京：国防工业出版社，2006.

[2]郭有喜，高媛媛.层次化实验体系在通信原理教学中的应用[J].中国电力教育，2012，（31）：109-110.

[3]庞姣，王虹，赵璞.Systemview在通信原理实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（8）：267-268.

[4]马冬梅，朱正伟.通信原理实验教学的改革与探索[J].实验室科学，2010，13（4）：17-19.

[5]刘效勇，卢佩，田敏.通信原理实验课程教学改革与探索[J].大众科技，2010，（7）：190.

（责任编辑：王祝萍）