层次化实验体系在通信原理教学中的应用

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摘要：为了充分发挥实验在通信原理教学过程中的效能，提出了层次化实验体系结构。结合“通信原理”课程特点，在阐述了多层次实验设置原则的基础上，从演示验证、模块构建、自主编程和硬件平台等几个方面详细给出了层次化实验的构建和实施方法。实践表明，该方法能有效提高通信原理教学效果。

关键词：层次化实验；通信原理；教学改革

作者简介：郭明喜（1978-），男，湖北武汉人，理工大学通信工程学院，讲师；高媛媛（1968-），女，湖北武汉人，理工大学通信工程学院，教授。（江苏　南京　210007）

基金项目：本文系理工大学通信工程学院2012教改重点课程立项项目（项目编号：TYJG201207）的研究成果。

中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）31-0109-02

“通信原理”是通信和电子工程类的一门专业基础核心课程，也是后续“移动通信”、“卫星通信”等专业课的基础。该课程特点是涉及知识面广，公式和数学推导较多，很多概念和原理比较抽象，学生学习起来普遍比较吃力。而在教学过程中全方位引入实验模块，一方面可以变抽象为直观，增强学生学习兴趣，提高教学效果，另一方面也可以培养学生理论联系实际的能力。

本着循序渐进、灵活多样的原则，结合通信原理教学内容，我们设计了多层次的的实验体系。所谓多层次包括两方面含义，一是在实验类别上有层次之分，包括演示验证、模块构建、自主编程和硬件实现等多个层次；二是在具体实验内容的设置上也有由简到繁、由易到难的层次之分。

一、层次化实验体系的构建和实施

为便于实施，我们重点构建了基于计算机这个特殊的实验室完成的通信原理实验，其中的演示验证、模块构建和自主编程实验采用了MathWorks公司的MATLAB/Simulink软件，而硬件实现则是基于自主研发的DSP+FPGA硬件平台展开，由学生在CCS和Quartus环境下完成编程、下载和调试工作，同时我们也编制了配套的实验指导书。

1.基于MATLAB库函数的演示验证性实验

演示验证性实验属于最简单的一类实验，利用MATLAB库函数及自行开发的一些函数包，根据实验指导书简单输入几条命令，便可直观得出结果。以基带传输码型及其频谱分析为例简述其过程：

b=binary（1000）； %产生随机二进制数据

x=wave_gen（b，’unipolar_nrz’）； %产生单极性不归零码

subplot（211），waveplot（x）； %显示时域波形

subplot（212），psd（x）； %显示功率谱密度

其中binary、wave_gen、waveplot和psd等均为自行开发的函数包，其余函数为MATLAB自带。学生只需输入上述4条命令，即可完成信号产生、波形成型、画时域和频域波形等功能，从而快速验证所学理论。此类实验开设简单，能覆盖通信原理所有核心内容，既可用于课下练习，也可用于课堂演示，主要目的在于加深对抽象理论的感性认识。由于此类实验无需关注具体实现细节，故学生的自主参与程度低。

2.Simulink模块构建实验系统

Simulink是MATLAB下的一个软件包，主要用来对动态系统进行建模、仿真和分析，其最大的特点是模块库丰富，且简单易学，只需使用鼠标拖放相关模块并将其连接即可。利用Simulink结合通信模块库可以快速构建出实验系统模型，此类实验主要用于基本概念、基本原理的快速建模和仿真。例如在讲授低通抽样定理时，可以利用Simulink模块建立如图1所示模型，形象展示抽样定理的内涵。其中原模拟信号由随机信号通过模拟低通滤波得出，其截止频率即为模拟信号的最高频率；采样脉冲由脉冲产生器产生；采样过程由乘法器完成；采样信号由另一个模拟低通滤波器以恢复原信号。通过修改采样脉冲序列的周期来模拟不同的采样速率，可以方便的观测原信号和抽样信号的时域频域波形，从而加深对低通抽样定理内涵的理解。对该模型稍加修改还可以演示平顶抽样以及带通抽样原理。

此类实验需在熟悉了相关理论及其实现框图后实施，在教师的引导下，学生可按要求自行设计，自主参与程度较高。

3.MATLAB自行编程构建基本模块

利用MATLAB现成的函数包或者Simulink模块可以对“通信原理”课程中的理论部分进行快速演示和验证，但为了加深对重点内容的理解和灵活运用，还需要利用m文件自行编程来实现某些重要模块，这也对学生提出了相对较高的要求。表1列出了“通信原理”课程中的一些主要实验，其中每一个模块又分别从容易、较难、难三个层次给出了相关的具体实验内容，比如基带传输系统的仿真实验，随机二进制数据的产生以及基带码型的选取非常容易，观察时域和频域波形也不困难，难点是发送和接收滤波器的设计，如果发端采用的是理想矩形成形滤波，则收端的匹配滤波实现相对较容易；而如果采用的是更加实用的升余弦成形滤波，则收端的匹配滤波以及相关的处理就要复杂得多，实现的难度也更大；在基带传输系统性能仿真中看似简单但极易出错的一个模块就是加噪声，给定信噪比后，需要结合成形后的发送信号的平均功率，准确计算出噪声的方差后才能产生合适的噪声，否则得出的性能曲线就不会与理论曲线吻合；而基带系统仿真中的一些辅助观测模块，如星座图和眼图等，以及存在码间串扰时的均衡技术等实现的难度也有所不同，可以根据学生的实际情况分层次组织实验。

表1　通信原理主要实验分类表

容易 较难 难

码型及频谱分析 单/双极性不归零码/归零码（半占空）；差分码 任意占空比归零码；AMI码 HDB3码编译码；基于FFT的频谱分析

基带传输系统 信号产生；基带码型选取；时域频域波形的观测 矩形成形及匹配滤波；星座图模块 升余弦成形及匹配滤波；加噪、眼图、均衡等模块