通信原理实验内容的设计与改革
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【摘要】实验是通信原理课的重要教学环节，本文在对原理验证性实验内容进行重新梳理的基础上，根据通信新技术的发展，规划了系统级的仿真实验和开发性实验，为本课的教学提供了有力的支撑。
【关键词】通信原理实验 原理验证 仿真实验 开发性实验
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）08-0227-02
通信原理是信息与通信工程学科的核心骨干课程，主要讲授调制、解调、编码、解码、同步、复用等原理，知识点多原理复杂，概念抽象数学推导多，老师难讲好，学生难学懂。为了帮助学生对原理的理解和提高工程实践能力，全国各高校的通信原理课普遍设有实验环节，但大部分高校的实验都是原理验证性实验，不利于拓展学生的视野和激发他们的创新潜能。根据笔者多年的教学经验，结合通信技术飞速发展的实际，并从我院新一轮教学改革要求出发，将通信原理课程教学的实验做了大幅度的调整，按原理验证性实验、系统仿真实验、开发性实验进行了分类，并对内容进行了全新的设计改革。
1.原理验证性实验
原理验证性实验是通过实验过程得到与所授原理内容相一致的结果的实验，实验内容就是课堂重点讲授的关键性原理，原理验证性实验可以帮助学生将理论与实际通信信号进行对比印证，加深对通信原理的理解，增强学生对通信电路的具体认识，并可帮助学生对通信系统的组成及工作过程产生初步的理解。这类实验主要包括模拟调制技术实验、多进制数字调试系统实验和编码与解码实验。
1.1模拟调制技术实验
模拟调制实验主要包括振幅调制（AM）、单边带调制（SSB）、双边带调制（DSB）和频率调制传输系统等实验。通过这些实验，学生可观察对比调制信号、载波信号和已调信号的波形，通过改变参数设置，分析通信系统的调制解调方法及抗噪声性能分析，图1和图2是双边带调制的MATLAB仿真过程及结果。做此实验前，要求学生熟悉DSB调制解调的原理，独立建模并得出实验结果，以加深学生对相关知识的理解。
1.2多进制数字调制系统实验
为顺应数字通信系统的多进制技术趋势，在数字调制系统实验中将传统的二进制改为多进制，开设QPSK传输系统实验、π/4DQPSK传输系统实验、MSK及GMSK传输系统实验。
QPSK传输系统实验，通过观察基带调制信号和QPSK调制信号的波形和频谱，掌握QPSK信号的调制解调方法。
π/4DQPSK传输系统实验，π/4DQPSK调制是一种正交相移键控技术，它能够进行非相干解调，从而使接收机设计大大简化。在实验中，观察π/4DQPSK调制信号的包络与基带信号波形，分析两者关系和调制信号频谱。在增大频差和减小频差的情况下，观察接收端I路和Q路的矢量图，掌握接收端解调器眼图信号的观测和抗噪声性能分析。
MSK及GMSK传输系统实验，高斯最小频移键控（GMSK）是由最小频移键控（MSK）演变来的一种简单的二进制调制方法，在实验中将调制的不归零（NRZ）数据通过预调制高斯脉冲滤波器，使其频谱中的旁瓣水平进一步下降，能量更加集中。观察GMSK和MSK调制信号包络和频谱，通过增大信道噪声功率，分析系统的抗噪声性能，进而掌握两种系统的调制解调基本原理。
1.3编解码实验
编解码内容主要依靠的是数学基础，其生成矩阵和监督矩阵的转换过程不方便用硬件电路来体现，而且实验的直观性不强，因此多要求学生编写程序，并通过仿真软件实现。要示学生对生成矩阵和监督矩阵的原理及应用有较深刻的理解。图3和图4就是（2，1，2）卷积码编解码VHDL在ModelSim中的仿真实现。
2.系统仿真实验
作为以硬件为主的实训平台的补充，增加基于计算机的通信仿真实验。通信仿真软件可以方便、直观、形象地构建通信系统，提供丰富的集成模块资源，并具有强大的分析能力，可对硬件开发提供方案论证和实践指导。现代通信原理仿真实验可以利用ModelSim、Matlab/Simulink、SystemView等多种通信仿真软件进行原理实验。例如，分析BFSK系统的输出信噪比对误码率的影响时，一方面可以进行理论推导，同时可以进行快速仿真，学生可以任意改变实验参数，甚至可以根据需求改变功能模块及其连接，通过设置不同条件的仿真要求，来达到训练考察学生动手能力的目的。
CDMA是一种以扩频调制为基础的多址连接技术，信号具有隐蔽性、保密性和抗干扰等优点，被广泛应用于现代通信中。以硬件平台来实现功能的难度很大，但通过仿真手段可很方便地搭建系统。通过仿真实验，使学生掌握m序列的产生及其性能分析方法，CDMA产生方法及接收信号频谱变化的特点，图5和图6分别是系统仿真和信源频谱图。
3.开发性实验
通信理论发展很快，当前通信系统中经常应用的QPSK、MSK、GMSK及广泛应用的CDMA等传输系统无法在实训平台上进行模拟实验，只能依靠老师讲解的传统方式教学。为了提高学生分析问题、解决问题的能力，增强主动性和创造性，应增设开发性设计实验，要求学生进行实际通信系统的开发性实验，并利用FPGA/CPLD设计和制作单元实验电路。
开发性实验顺应了大量使用DSP和FPGA实现通信功能的新趋势，增设了在此基础上的QPSK传输系统实验、π/4DQPSK传输系统实验、MSK及GMSK传输系统实验、CDMA传输系统实验、汉明编码译码实验、可变分频器实验、m序列的产生实验、帧同步实验、CDMA扩频调制解调实验、卷积编码器实验，通过对具体通信电路的设计，提高了学生对通信系统的设计开发能力。
利用开发性设计实验室，吸收学生参加科研和实验改革，培养学生分析问题的能力、探索能力和创新能力。开发性实验设计是培养学生创造思维的一条有效途径，对于求知欲强、实验兴趣浓、动手能力强的学生，老师应鼓励他们做自己爱好的项目或组成团队参加具体的课题或项目的研究。
综上所述，三种类型实验层次分明、目的明确、循序渐进，既有简单也有复杂，既有基础也有提高，既能巩固知识点也能激发创新思维。本学期按照这个实验课程规划实施，从学员的学习积极性、掌握知识点多少、创新能力等角度来看，已经取得明显的效果。作为新时期的教育工作者，只有从各个方向加入新的思维、新的举措，因材施教，与时俱进，不断革新，才能将一门基础理论性强、涉及知识面广、技术更新快的课程教学水准进一步得到提高。