通信原理实验内容设计与教学改革

陈红霞，马中华，陈朝阳

(集美大学信息工程学院，福建 厦门 361021)

“通信原理”是现代通信技术的入门级课程，具有很强的理论性和实践性，这门课程内容丰富，涵盖了数字/模拟调制、数字基带传输、模拟信号的数字化、信息熵及信源编码、信道及信道容量、信道编码、扩频通信等多个方面，课程公式和数学推导较多、概念抽象、原理枯燥、理论复杂[1-3]。其中许多概念，学生基本上第一次接触，不容易理解。因此，如何让学生喜欢并更好地学习这门课程，加深对课程中基本理论及基本概念的理解；如何培养学生的实践动手能力及分析解决通信工程实际问题的能力，是通信原理教学的当务之急。充分利用软、硬件实验条件，精心设计既有理论深度又有趣味的实验，将教学内容移植到实验教学中，使枯燥、抽象的概念和原理具体化是解决问题的重要的手段和途径[4-5]。为了提高实验教学的质量，近年来，集美大学信息工程学院通信实验室在教学计划和实验经费允许的情况下，主要从以下几方面对通信原理的实验教学环节进行探索和改革。

一 升级实验设备

原有的实验箱使用年限已久，工作不稳定，且以验证性实验为主。实验中学生只需机械地在相应插孔中插入导线，按照实验指导书的步骤进行实验操作即可实现[6-7]。学生往往只观察实验结果，而忽略实验结果是怎样实现的、甚至不知道实验结果正确与否，使得学生实践动手能力得不到充分的锻炼，也起不到通过实验加深理论知识的作用。针对这个问题，实验室更新实验设备，购置一批二次开发模块，从而拥有一套仿真引擎和数学模型的模块级仿真平台。模块的管脚可以完全开放给学生，学生不仅可以完成大量单元性和系统性实验，还可以按照自己的设定，写出相应的程序进行二次开发实验，真实再现实验过程和实际现象，极大地提高了学生的开发与创新能力，可以作为课程设计、毕业设计、电子设计大赛、学生科研的平台。

二 更新实验内容

集美大学信息工程学院通信原理实验面向的专业有通信工程、电子信息工程、电子科学与技术，其中有本学院的，也有二级学院的。而原有实验内容的设置主要以验证性为主，偏重于基本原理验证和基本操作技能训练，缺乏层次性、综合性，实验数量少、水平低，不能满足不同专业、不同层次学生的需求。笔者在认识到不足的情况下，对通信原理实验的内容和安排进行改革，将实验内容调整为验证性、系统性和创新性实验三个层次。实验的方式、时间和地点的安排灵活多样，采用课内课外、软硬件相结合的方式进行。

(一)验证性实验

验证性实验是为了形象说明理论课程中的基本原理，加深学生对相关知识的理解而设置的，面向三个专业所有层次的学生开设[8]。实验采用软硬件相结合的方式，学生在实验课前利用与实验箱配套的仿真实验平台进行预习，然后统一到实验室进行实际操作和验证，并结合理论知识对实验结果进行分析总结。虚拟实验平台的仿真模块与实际硬件模块一致，拨码开关、可调电阻、复位按钮等可调器件均可自由调节，并配有多种虚拟仪器仪表，操作方式与操作习惯同实际仪器完全一致，可在任意测试点测试和观察信号，方便学生提前熟悉实验内容及课后进一步进行信号分析，保证了课堂实验教学的效果和效率。实验时间安排与理论课同步进行。

(二)系统性实验

对于通信专业的学生，在完成验证性实验后，即可深入学习各实验模块的电路结构、原理和实现方法，并理论联系实际，灵活地运用实验电路，将各个基本的实验内容，即：信号的调制解调、编码解码、复用解复用、信源、信道、滤波、同步等多个环节连成一个有机的整体，自主构造出一个基本的通信系统[9]。如：数字基带传输系统、数字频带传输系统、数字程控交换系统、CDMA移动通信系统及模拟调制系统等通信系统。通过部分功能的开发及整个系统功能的实现，加深对通信基本算法理论的认识和理解，有利于学生逐渐建立起系统级的概念，理解通信系统中各要素的作用，全面完整地掌握通信系统知识，大大提高学生的实际应用能力[10]。(见图1、图2)

图1 HDB3线路编码通信系统综合实验

图2 1通道为时分复用模块的FS波形 2通道为时分复用模块的复用输出波形

此时分复用系统中每帧共4个时隙，第0时隙是帧头信号01110010，第1时隙是PCM编码输出数据，第2时隙是拨码开关复用信号的DoutMUX数据，第3时隙是时分复用模块上的拨码开关信号S1，此时S1对应拨码为11111111(见图3)。

图3 1通道为信号源模块输出的MUSIC信号 2通道为PCM译码模块的音频输出

通过对传输前后信源的比较，让学生了解实际工作中通信延时、传输失真、能量衰减对信号的影响，并通过适当方法加以改善，如提高PCM编译码环节的采样频率等。

该实验采用的是PCM编译码对语音信号进行抽样量化，传输方式选择的是HDB3线路编译码。学生也可以根据自己的理解程度设计实验，使用其他方式进行信源编译码及传输，并对比其区别。通过实验主要让学生加深对HDB3线路编译码以及时分复用两个知识点的认识和掌握，同时建立起实际信号传输系统的简单框架。

(三)创新性实验

有能力的学生，在掌握一定的理论知识和实验技能的基础上，还为其提供先进的实验条件，使学生能灵活地、创造性地综合运用相关知识和技能。学生可先通过集美大学信息工程学院重点实验室的仿真软件ADS(Advanced Design System)对各种通信系统进行建模、仿真和分析(见图4)。再结合安捷伦通用仪器如矢量信号发生器、混合信号示波器、矢量网络分析仪、频普分析仪等，通过实际产生的物理信号，对通信电路和系统各个环节进行实验分析[11-12]。从部分功能的开发到整个系统功能的实现，使学生循序渐进具备创新能力。创新性实验在激发学生的创新欲望、培养学生的创新能力方面所起的作用是验证性实验和系统性实验无法替代的，这部分内容安排在毕业设计或各种电子设计竞赛时段进行。

图4 ACPR的测量电路

实验采用PI/4 DQPSK调制器产生的调制信号，通过ADS中RF电路的包络仿真分析调制器的性能，使得学生在模拟电路和系统中衡量数字通信系统的性能参数。比如实验中的ACPR(邻道功率比)，最后可以将该电路集成到顶层设计的DSP原理图中。结果测量的是主信道和邻近的上下两个信道的频谱。学生通过改变调制方式，对比主信道和相邻两个信道的功率比，了解邻道功率对主信道的影响，通过最优化设计使得ACPR满足系统的要求，从而加深对各种调制方式的理解(见图5)。

图5 PI/4 DQPSK调制器产生的调制信号频谱

三 改进教学方法

对实验的教学方法加以改进是提高实验教学质量、落实培养学生素质和能力的有效措施。传统的教学理论和实践重“教”而不重“学”，体现教师的主导作用，忽视学生的主体地位。因而，笔者除了采用传统的实验教学方法外，还辅助如下方法进行实验教学。

(一)丰富教学手段

诸如基本操作、基本知识、基本技能训练的传统实验，除实验教材外，辅之以各种实验教学CAI课件、录像，供学生实验前预习。使学生提前熟悉实验内容和相关理论，并规范其操作，再按教材方案定时到实验室完成。要求学生学会和掌握基本的测试和测量方法[13]。

(二)推广计算机在通信实验中的运用

上完理论课后，主讲教师布置课后作业，让学生利用相应的计算机软件技术(如MATLAB、Systemview)进行实验前期的仿真，并分析参数与性能的关系。再在实验与实践课堂上通过仪器测量，进行可变参数器件的调整，对得到的结果加以分析，并仔细与仿真的实验结果相比对。软硬件相结合的方法，使学生对所学知识的理解更加透彻，熟悉和了解计算机辅助分析和设计的方法，开阔思路和视野，提高自主学习的兴趣和热情[14-15]。

(三)改进实验指导方法和考核方法

实验过程中，遇到问题，不是简单地帮学生解决，而是采用提问和引导的方式，结合实验情况和相关理论，启发、鼓励学生对问题和现象进行思考、讨论。实验结束后，检查学生的实验结果，提出有关问题让学生回答。实验考核采用综合性考核，不仅仅以学生的实验报告作为评分的依据，而且把重点放在实验预习、实验过程和现场验收上。考查学生的实验过程和操作能力，考查学生发现问题和解决问题的能力。评分方法的这一改变使学生更认真准备实验，更专心听教师讲解，更积极地思考实验现象，使得实验的成功率大大提高，充分调动学生的学习积极性。

四 结束语

以上改革方案，目前已在集美大学2012级、2013级、2014级通信工程、电子工程、电子科学与技术等专业中实施，在实践教学中取得了明显的效果。学生一改往日被动的学习态度，主动利用课余时间到实验室进行实验，并结合科技创新、电子设计等竞赛将所学知识运用到实际中，大大提高了学习的积极性和处理问题的能力，对教学质量的提高和应用型人才的培养非常有效，得到学生的好评。在2014—2016年大学生电子设计大赛中，有2组同学获全国三等奖、1组同学获省级三等奖。在2014—2016年大学生创新创业项目中，1项获国家级立项，2项获省级立项。今后的实验教学，根据学生反馈的信息，还将不断完善，以期达到更好效果。