通信原理实验教学的探索与改进

西北农林科技大学机械与电子信息工程学院 伍 丹

西北农林科技大学理学院 任文艺 姜建刚

通信原理实验教学的探索与改进

西北农林科技大学机械与电子信息工程学院 伍 丹

西北农林科技大学理学院 任文艺 姜建刚

针对通信原理课程理论性强、概念抽象等特点，通过精心设计实验内容、补充实验教学流程、引入实验仿真平台等方面提出实验教学的改进方法。实践结果证明，该改进方案不仅提高学生学习通信原理课程的积极性，增强学生对通信系统的感性认识，同时提高学生的创新能力和通信系统设计能力。

通信原理：仿真平台：实验教学

通信原理课程是一切通信系统的理论基础[1]，电子信息类课程中很多专业课如移动通信、现代通信技术等都以通信原理为先修课，在通信类专业的人才培养中起到关键的作用。而面对如此抽象而复杂的理论知识，学生难以与实际的通信系统进行联系。如何加深学生对通信理论知识的理解，并且将理论知识应用到实际的通信系统设计中，通信原理实验课将起到关键性作用。以往的通信原理实验教学主要基于传统的实验箱开设一些验证性实验，一方面限制学生的实际操作能力，另一方面限制学生创新、工程实践能力的培养。传统实验箱基于硬件模块化设计，无法顺应通信技术的快速变革。因此，为了紧跟通信技术快速变革的发展脚步，顺应高等教育教学改革的深入，需要将通信原理实验教学进行研究和改进。

1.精心设计实验内容，提高学生实践能力

现在普遍使用的通信原理实验设备是各个厂家开发的实验箱，实验内容主要是以验证性实验为主，因此在实验教学中有一定的缺陷[2]：1）验证性实验相对简单，学生只需要按照实验指导书进行简单连线，采用示波器观看过程波形，学生在实验过程中不需要经过思考，就可以完成实验。2）这类验证性实验，学生参与度不高，无法调动学生的积极性。同时，该类实验对学生思维能力和创新能力没有提高。

因此，为摆脱早期实验内容设置单调测量波形这种模式，实验指导老师应精心设计实验内容，可将部分验证性的实验扩展为设计性以及综合型实验。比如将DBPSK调制解调实验箱实验改为DBPSK调制解调系统仿真实验。前者，只需要进行相应的连线，将对应节点与示波器相连，就可以得到实验结果；而后者，在仿真设计过程中，学生可以自己构造信号源模块，数字DBPSK调制模块，DBPSK解调模块。同时，还可以增加测试误码率，在理想信道条件下或者高斯信道条件下，可以查看调制之前与解调之后的信号是否完全相同。同时，在解调模块中，学生可以选择相干解调或者差分相干解调法进行解调。由此可见，进行改进后的实验内容，培养了学生系统级设计的能力，增强的自主学习和创新意识，解决了理论教学和实践教学的问题。该实例中，学生通过仿真实验掌握了DBPSK调制原理，低通滤波器的设计，DBPSK的解调方案等多个模块的原理和方法，加深了对数字调制解调过程的理解。

2.加强理论预习，实验课堂测评

通信原理课程理论性强，比较抽象，并且其先修课程如随机信号分析、概率论、信号与系统等都比较难，从而学生在学习和理解上难度增加。在实验过程中，是将理论知识学以致用。如果学生对理论知识不理解，对实验内容也不够清楚，那么到实验室就会浪费大量时间从而达不到实验教学目的。因此，为提高实验教学效果，要求学生在做实验之前需要对理论知识进行预习。实验预习主要包括以下几个部分：1）了解实验内容以及实验的基本原理；2）写出实验预习报告，对实验相关理论知识点进行复习；3）对实验步骤以及实验结果做到心中有数，在进行实验时就不会感到不知所措，并且得到最终实验数据的时候会自行判断实验结果的正确性。

其次，除了加强理论知识的预习，还需要对实验课堂进行测评。在很多学生观念中，对实验抱有轻视的态度，认为只要理论课程掌握好，实验课程无所谓。这种想法有致命性错误。实验教学是理论教学的补充，实验室是理论知识学以致用的场所，是理论知识与实际工业应用的衔接点。因此，对学生实验进行有效的测评与考核，是检验学生理论知识掌握的重要环节。比如，在进行抽样定理与信号恢复实验时，一方面学生需要了解抽样定理原理框图，另一方面就是需要了解一个重要的知识点—奈奎斯特准则。因此，在学生进行该实验时，指导老师可以对实验系统的抽样频率以及滤波器截止频率进行随意设置，学生根据自己的理解，判断出哪些情况下信号可以完全恢复，以及能够恢复或者不能够恢复的原因。根据实验测评，可以将结果反馈到教师的课程教学中，从而了解学生知识掌握情况。

3.引入仿真平台，培养学生自主创新能力

常用的通信原理实验平台就是传统的通信原理实验箱。前面已经有提到运用实验箱进行实验的局限性。比如实验设备有限，易老化，并且学生较难通过实验箱建立通信系统模型，缺乏对通信系统模块的认识和设计。

Matlab软件是美国Mathworks公司推出的一套功能强大的仿真软件[3]。其中，Simulink是Matlab仿真软件中提供的一个交互式动态仿真平台，其模块库里包含许多可用于通信系统建模的模块。学生可利用Matlab软件进行仿真实验，首先对需要实现的通信系统进行设计，构建流程图，然后使用Simulink模块框图来搭建通信系统。通信仿真的优点是灵活设计，极大地激发学生的主观能动性，使学生的实际动手能力、创新能力和系统设计能力得到锻炼；仿真平台人机交互界面友好，学生能实时观察信号节点原理波形，可通过双击模块实时调整实验参数，如信号的频率，滤波器的带宽等，加深学生对通信链路的认识。如图1所示，运用Simulink简单设计了一个QPSK调制解调通信系统，通过设置可以直观看出信号经过信道前后的星座图，如图2所示。同时也可以调用误码率模块查看系统误码情况。

图1 QPSK调制解调仿真电路

图2 QPSK信号经过信道前后星座图

4.结语

本文通过对通信原理实验内容进行精心设计，对实验教学流程进行补充，加强通信原理的理论知识预习以及课堂的实时测评，同时将Matlab仿真平台引入到实验中，把抽象难懂的通信理论、通信系统、信号波形等内容直观显示。这样不仅提高学生对通信系统的感性认识，同时也提高了学生的设计与创新能力，为学生在以后的科研或者工作中都打下坚实基础。

[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].6版.北京:国防工业出版社,2006.

[2]徐彦凯,双凯,姜珊.通信原理实验教学的探索[J].实验室研究与探索,2011(06).

[3]张鸣,李白萍.Matlab仿真在通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理,2012(11).