案例法在通信原理教学中的应用探索

张京席

摘 要：对于电子、通信与信息类专业，《通信原理》是一门非常重要的专业基础课程。学好该课程对理解通信系统的工作原理具有重要的指导作用，同时为其他专业课的学习打下基础。本文根据《通信原理》课程的特点分析了将案例教学法融入教学过程的必要性，说明了在教学过程中如何选择并运用案例法开展教学，指出了在运用案例教学法时应当注意的问题。这一教学方法为工程专业课程的教学提供了一种新的思路。

关键词：案例教学; 通信原理; 教学改革

中图分类号：G642.41       文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）7-064-002

一、引言

通信对于现代人类的生活具有不可替代的作用，而《通信原理》作为电子与通信信息类专业的一门专业基础课，对于培养学生理解通信系统的组成、结构、工作原理具有十分重要的意义。《通信原理》课程旨在说明通信系统的工作原理和分析通信系统的性能，帮助学生建立起通信系统的概念，提高学生分析和解决问题的能力。其内容包括随机过程、信道、模拟调制系统、数字基带传输系统、数字带通传输系统、数字信号的最佳接收、新型带通调制技术、信源编码、差错控制编码、同步技术等。该课程对于通信和信息类专业的许多课程的学习具有极其重要的作用。如何开展《通信原理》的教学是摆在相关专业教师和学生面前的重要任务。

有许多可以借鉴的教学方法，包括线索式教学法、问题引入式教学法、线上线下结合法等。而案例教学法是《通信原理》教学过程中的一种重要的教学方法。案例教学法是以案例为基础，运用多种方式启发学生独立思考，对案例进行分析、研究并做出判断和决策的一种理论联系实际的教学方法[1]。在通信原理教学过程中如何选取案例、针对具体的问题开展教学，把许多知识点通过内在的线索串接为一个有机的整体是摆在教师面前的一项任务。在通信原理的教学实践中笔者尝试运用案例教学法，使学生透彻地理解通信系统的组成与工作原理，掌握通信系统设计的方法。

二、将案例教学融入课程教学过程的必要性

现有的通信原理课程的教材种类繁多，这些教材以通信系统的组成与工作原理为线索组织内容[2]。虽然近年对通信原理的教学方法进行了改革，采用了问题引入式、分组讨论式、课堂翻转式、线上线下混合式等教学，但这些方法仍是以教材内容为线索进行组织的。传统的教学过程也是按教材章节为顺序进行，以理论介绍和讲解为主，鲜有结合实例的教学。按章节配置进行讲授的方式存在若干问题：

1.孤立的章节教学，系统性和整体感不强。目前通信原理教材内容的组织方面，只有第一章讲了通信系统的组成模块，后续章节的组织主要是针对每个组成模块展开的。在教学过程中教师按教材章节进行教学，学生学到的知识零碎、不成体系。在实际的应用中很难灵活运用所学的知识解决遇到的问题，设计满足一定性能要求的通信系统更无从谈起。

2.缺乏跨越章节的实例。学生学习局限于单个功能模块，可以把各个模块的功能掌握得很好，但无法理解各个模块之间的有机关联，无法把各个模块的理论融入到整体通信的架构去理解，学生运用知识的能力无法得到锻炼和提高。由于缺乏针对具体应用问题的通信系统设计的教学过程，学生学到了知识，但不会使用，遇到具体问题时仍束手无策。因为缺乏跨越多章的完整案例，学生无法在多章的内容之间有效地衔接与过渡，很难理解通信系统的工作原理，很难掌握通信系统设计的方法。所学内容局限一些概念与理论，没有真正领会理论的内涵与具体知识的应用方法。

3.无法有效地满足社会对高素质人才的需要。现代高等教育强调面向产出的教育模式（OBE，Outcome-Based Education）[2]，根据社会需要制定课程培养目标、进行教学设计并实施教学过程。传统的教学方式无法培养学生有效地运用知识的能力，培养的学生与社会需求相脱节，无法有效地服务社会。

三、选取合适案例，巧妙融入教学过程

下面论述如何在课程教学过程中选取案例并开展教学。选取案例时要遵循以下原则：1.要注意跨越章节并有综合性。2.案例要具有代表性。3.案例的复杂性要适中。下面通过两个例子说明案例法在通信原理教学过程中的应用。

案例1 信道容量公式的应用与拓展

对于模拟信道容量，香农给出了容量公式[3]

其中C是信道容量，单位是比特/秒;B是带宽，单位是赫兹;S是接收机收到的信号功率，单位是瓦特;N是接收机中收到的噪声的功率，单位是瓦特;S/N是接收信噪比。这一公式很有用处，可以通过案例对它进行深入挖掘、拓展知识。

该容量公式说明了在一定的带宽和接收信噪比的条件下，可达到的信道容量，即进行无误码传输时可达到的最大信息速率。可见，C一定时，B和S/N之间可以互换，即扩大带宽，可以减小对应的接收信噪比;增大接收信噪比，可以减小所需带宽。根据不同的应用场景可以在信噪比和带宽之间互换。在深空通信中，收到的信噪比极低，可以增加带宽B来保证信道容量，具体方法可以通过扩谱技术实现。而在移动通信中，如果信道状况好，则接收到的信噪比较大，在带宽不变的条件下，可以通过高阶调制提高频谱利用率，進而提升信道容量;如果信道状况差，接收信噪比低，在带宽一定条件下，这时信道容量变小，可以采用低阶调制以增加星座点之间距离，提升抗噪性能。

如果进行扩展，扩展到多天线的情景下，则

其中M是发射天线与接收天线数目的最小值。可见，对于同样的带宽和接收信噪比，如果增加天线的数目，可以线性地增加信道的容量。这在移动通信系统中得到应用：通过多天线，即增加M提高信道容量。这一案例把信道内容进行扩展，同时把带通传输和扩展频谱技术进行了巧妙地结合。

通过这一案例的教学，学生可以对带宽、信噪比、信道容量这三个概念的内涵及它们之间的相互关系深入理解，对多天线在提高容量方面的重要作用加深印象，对多进制调制的应用场合及优、缺点深入理解，为移动通信课程中扩展频谱技术的学习埋下伏笔、做好铺垫，

案例2 多路模拟信号的数字化及频带传输

在学完第九章后，可以把信源编码、信道编码、数字基带传输、数字频带传输、最佳接收的知识进行整合，以提升学生系统的概念。为此设计如下案例，进行启发式教学，占用2个学时：某十路最高频率为10kHz的模拟语音信号先经过截止频率为4kHz的低通滤波后，以奈奎斯特速率抽样进行PCM，完成数字化;然后采用（2，1，2）卷积码编码;然后进行通过16PSK基带调制;之后以滚降系数为1进行基带波形成型;之后射频调制并以一定功率发射;经过信道后在接收方先带通滤波，再进行并匹配滤波接收，恢复各路的数字信息;经卷积译码，最后恢复各路的语音。试计算所需带宽。这里涉及到信源编码、信道编码、基带传输、频带传输、最佳接收等多个章的内容，需要以分组讨论、解决问题的方式完成该案例。教师可以在学生讨论的过程中，抛出一些问题并总结问题涉及到的原理。

讨论与讲解思路：先绘出系统的工作原理框图，如图1所示。一路模拟信源无论最高频率是多少，经过截止频率是4kHz的LPF后，最高频率限制在4kHz，因此抽样速率为8k样/秒，在PCM阶段，每个样值编为8位码，编码后其速率为64kbit/s。

问题1：信源最高频率决定抽样速率吗？

问题2：PCM 的基本原理是什么？

卷积编码后，速率加倍，为128kbit/s。

问题3：卷积编码的作用及编码前后速率的关系如何？

16PSK调制是基带的映射，即把比特流映射为对应的复的符号，其中一个符号携带4比特的信息。因此16PSK调制后的符号速率为32k符号/秒。经过滚降系数为1的成型滤波后，形成基带的波形，其频带利用率为1，因此基带信号占用的带宽最小为32kHz。

问题4：基带调制实际就是映射，如何把数字流映射为特定的符号？

问题5：计算基带带宽的时候，需要用到哪些参量？

射频调制后，一路信号占用的射频带宽是基带带宽的两倍，即64kHz。共10路信号，处理类似，其占用的射频带宽共计640kHz。

问题6：如何计算射频调制时的频带利用率？

接收机带通滤波后，信号完全通过，而带外的噪声得到抑制。

问题7：带通滤波器的作用是什么？

继续考虑一路信号。匹配滤波接收时，需要用到16个已知的信号，根据其与接收信号的匹配程度做出对应的判决，判决后的数据速率为128kbit/s。

问题8：匹配滤波接收机的工作原理如何？

卷積译码对匹配滤波接收后的数字输出进行译码，译码后每路数据速率为64kbit/s。

问题9：卷积译码的方法有哪些？

经过内插滤波以后，恢复对应的模拟信号。

问题10：内插滤波的作用是什么？

在抛出每一个问题后，要给学生思考、讨论、发言的时间，教师在必要的时候给出提示甚至讲解，确保学生能够回忆起相关的知识并理解其含义。

经过这一案例的综合训练，学生对多个章节的多个知识点进行了巩固、加深了对系统的整体的理解，建立起通信系统分析与设计的方法，做到把多个章节的内容进行融汇与贯通，增强了应用具体知识分析及解决问题的能力，提升了学习效果。

四、案例教学法应用注意事项

1.注意在实施案例教学法时，要与其它教学方法互相配合，互相补充。传统的PPT加板书仍是不可缺少的，在某些基本理论、基本概念已经学完的基础上，教师才可以选取合适的案例，使之发挥串联、沟通章节内容的作用。

2.在实施案例教学法时，教师的作用显得十分重要。这体现在选取案例、引导学生思维、帮助学生解决困难、最后对相关知识串联、讲解并提升学生的认知上。

3.案例教学的重要一环是分组讨论，并解决问题。这需要教师对学生的情况有总体了解，使各组成员的整体水平尽量平衡。

总之，对案例法教学效果进行分析可见，与传统的PPT加板书、问题引入式、线上线下混合式等教学方式相比，学生对案例教学法的兴趣与参与度都较高，学习效果较好。案例教学法能够把多个章节中的多个知识点之间的关系以案例的方式串接起来，可以提升学生的学习效果，适应社会的需求，是对《通信原理》课程教学新方法的一种有益的探索。

基金简介：河北省自然科学基金，题目：基于微波微扰法自补偿圆柱腔内壁水膜厚度测量方法的研究，项目编号：E2019502039

参考文献：

[1]黄清.案例教学在移动通信课程中的应用与思考，电气电子教学[J]2009（9）：18-20

[2]郭娟，杨武军，梁思远.基于OBE理念的通信工程课程体系优化[J]工业和信息化教育，2020（2）：16-19.

[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第七版）[M]北京：国防工业出版社，2016