通信原理实验教学改革与实践

2013-12-23许正荣贾贤龙陈祎琼

实验技术与管理 2013年4期

许正荣，贾贤龙，李阳，陈祎琼

（1.安徽农业大学信息与计算机学院，安徽合肥 230036；2.合肥工业大学实验室与装备处，安徽合肥 230009）

通信原理实验课程是通信、电子信息工程等专业的一门重要的专业实验课，是通信原理课程教学工作的重要组成部分。随着现代通信和计算机的发展，数字通信和通信新技术的研究将更为重要，也给通信原理的实验教学带来了新的挑战。目前，部分学校通信原理实验课的开展方式主要是利用实验箱教学，电路结构相对固定，多数实验只需作导线连接和可变电阻器的更换与阻值的调节，学生独立思考和自主设计实验的机会很少，也很难收到理想的教学效果［1］。

我校的专业设置大多以农业为主，通信与电子信息工程专业通信原理实验课的开设仅有七八年时间，在实验教学上存在着实验室建设规模小、实验知识点单一、实验设备需要更新等问题。同时，通信原理课程涵盖知识面较广，主要涉及高频电子线路、信号与系统、随机过程等课程［1］，概念多而难以理解，学生很难做到得心应手。为了进一步提高通信原理实验课程的教学质量，培养学生成为具有科学思维方法和较强动手能力的高素质的工程技术人才，我们从多个方面完善和改革该课程的实验教学，并以2FSK（二进制频移键控）信号［2］的产生及FPGA（现场可编程门阵列）实现为例，阐述多种方法结合在实验教学中的优势。

1 教学内容

当前，数字通信、通信新技术以及现代通信的网络化、宽带化和智能化将成为时代前进的主要标志。为了提高专业的适应性、培养学生的动手能力，通信原理实验课程的教材和教学内容必须与科技发展同步。因此，我们认真分析研究了国内外多种与该课程相关的经典教材，结合我校通信类专业的办学特色和学分制教学特点，自编了一套实验教材。同时，我们在内容设置上从2个方面进行了适当的调整和修改。

首先，我们将实验内容进行分类，设置为基础型和提高型实验。基础型实验以实验箱上的验证实验为主，包括各个单一知识点的演示、2个或多个知识点的简单综合，例如单一的数字调制实验等。而提高型实验则以软件仿真为主，辅之硬件验证与测试环节，主要包括各个知识点的设计性与综合性实验［3］，例如数字调制系统实验等。其次，针对我校学生自身存在的差异性，在教学内容的选择上适当采用“菜单式”实验，保证不同程度的学生“吃饱吃好”。对于基础知识薄弱的学生，可以通过完成全部基础型实验和小部分提高型实验而达到学习目的；对于学有余力和潜心钻研的学生，则可以在完成实验教学要求的前提下，再根据自己的兴趣和特长，选择合适的提高型实验，实现自己的目标。通过教学内容的合理设置，不同程度的学生都可以循序渐进地掌握实验方法，提高实验技能。

2 教学手段

2.1 注重基础型实验，以提高动手能力

对于基础型实验，我们注重提高实验教学的理论层次，让学生掌握通信原理实验中的基本概念、基本电路和基本方法，培养他们综合运用各种实验调试方法与技能。每次实验课，在教师的指导下，将学生分成1～2人的小组，每小组成员独立完成实验电路图分析、导线连接、数据测试与实验记录，实验完成后每位学生都必须分析数据、递交实验报告。在本学期结束之前随机抽取实验，适当增减限制条件进行实验测试，并作为实验考核的内容之一。通过基础实验的训练，绝大多数学生的动手操作能力都得到了明显的提高。

2.2 加强提高型实验，以培养创新能力

随着大规模集成电路的发展，电子线路的传统设计方法逐渐被现代设计方法所替代。而运用Matlab、SystemView、LabView、QuartusⅡ等仿真软件在现代通信系统的设计中显得越来越重要［3－6］。当然，对于不同的软件仿真手段在教学仿真演示中的优点和不足，需要根据教学仿真目的的不同而进行适当的选择。例如，在数字通信系统中，采用不同纠错编码方式的目的是提高通信系统的可靠性，而纠错编码的理论性很强，许多概念也较难理解。为此在让学生学习理论知识的同时，辅之验证性、设计性、研究性的实验是非常必要的。我们选用纠错编码中较典型的一种纠错编码——循环码，在Qu－artusⅡ软件中进行实验的设计输入、仿真验证、编程下载和硬件测试，简单灵活地让学生体验了差错控制的全过程［5］。基于软件仿真的实验教学，使每个通信原理实验都具有非常好的系统性和灵活性，从而可以大大提高学生对实验的兴趣，培养他们的创新能力。

2.3 结合科研活动，以升华教学效果

科研活动本身是一种在已有知识基础上进行的探索性活动，先前所学知识和积累的经验在科研工作中会被直接或间接利用。在大学实验教学过程中，一定要重视对学生科研能力的培养，并将那些与授课内容关联的科研成果内化为教学内容，以实际问题引出思考，让学生看到和学到所学知识的应用。例如在2FSK 教学中，产生相位连续的2FSK 的方法主要有传统的压控振荡器法和现代的直接数字频率合成技术（DDS），我们选用现代电子系统设计的方法（科研课题的一部分），将多门课程（如可编程逻辑器件的应用、信号处理、自动化、数学等）及多种软件（如Matlab 中的DSPBuilder、simulink、modelsim、quartus2、labview 等）相结合，多方法、多渠道去解决问题，既让学生提高了将所学理论知识转化为认识和解决实际问题的能力，也在较大程度上激发了学生的主观能动性和创造力。

另外，积极鼓励学生参加课外科技活动也是运用科研活动促进教学的很好的方式之一。在教师的指导下，学生可以参与多种创新大赛，例如，大学生科学技术创新大赛、全国大学生电子大赛、建模大赛等。这些活动有利于学生扩大知识面，建立合理的知识结构，同时，也能让学生将所学知识串联起来，进而提高动手能力、创新能力、概括能力、文字表达能力，甚至沟通能力。

3 教学实践

产生2FSK 信号是现代调制技术中的一个典型实验，2FSK 有相位不连续（discrete phase frequency shift keying，记作DPFSK）和相位连续（continuous phase frequency shift Keying，记作CPFSK）2种类型，CPFSK 具有较高的频谱利用率和恒包络特性。对于二进制DPFSK 实验，我们可以在实验箱上直接完成，而二进制CPFSK，我们则采用一种新型的频率合成技术——DDS（direct digital synthesizer），即直接数字合成器。主要是运用DDS方法生成频率可控的正弦信号，利用数字基带信号控制DDS的频率字输入，从而产生相位连续的调制波形［7－11］。

3.1 设计流程

利用Altera公司的DSP 开发工具DSP Builder建立的二进制CPFSK 信号产生模型，将Matlab／Simulink的设计文件（.mdl）转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件（.vhd），以及用于控制综合与编译的TCL脚本，最后由FPGA／CPLD 开发工具QuartusⅡ来完成［12－13］。设计流程图如图1所示。

3.2 实验模型

在图2 所示的二进制CPFSK 产生模型中，DDS结构由8位累加器作为相位累加器，采用改变相位增量来控制频率的方法，可以产生相位连续的调制波形。此2FSK 模块输出的是无符号的调制波形（初始值为128），在实际应用中，数据输出Out8 需要经过DAC进行数模转换，然后经过低通滤波器后产生最终的模拟输出信号。

图1 设计流程图

图2 基于DDS的二进制CPFSK 信号的产生模型

3.3 实验仿真

3.3.1 系统级仿真

使用Matlab中的Simulink可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真（如图3所示），使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来。在图3中，高电平控制的时候，正弦波的频率较高，而低电平的时候正好相反，高频约为低频的4倍。

图3 Simulink模型仿真波形

3.3.2 RTL级功能仿真

系统验证仿真正确后，使用 ModelSim 完成VHDL描述的RTL 级功能仿真，生成.mdl文件，是针对具体的硬件结构的。如果不考虑时延，则其RTL功能仿真与系统级仿真结果完全一致。

3.3.3 门级时序仿真

为了更加精确地反映电路的全部硬件特性，需要进行门级的时序仿真。在QuartusⅡ环境下，先编译.vhd文件，选择目标器件EP1K30TC144－3［7］，再次编译、仿真。时序仿真波形如图4 所示。第一个数字128为无符号CP2FSK 已调波形的初始值。

图4 使用QuartusⅡ的仿真波形

3.4 实验验证

最后，我们在实验箱上测试验证二进制CPFSK的仿真结果。引脚锁定后，选择实验模式5，再将设计下载到目标器件EP1K30TC144－3 中，当变换控制键为高电平或低电平时，实验箱上的数码管显示灯分别快闪烁或慢闪烁，即频率分别为f1（高频）或f2（低频）变化；此外，在高速D／A 转换器的输出端，可以用示波器观测到相位连续的2FSK 信号（见图5）。实验结果与理论结果相比，有一定的时延。

图5 实验所得的CP2FSK 信号波形

4 结束语

在分析我校通信原理实验教学特点的基础上，提出一些完善和改革举措。并提出一种基于DDS方法产生二进制CPFSK 信号的实验方案，该方案是单纯在实验箱上进行验证性实验的有益补充与提高，充分体现了软件仿真在通信原理实验教学上的优势，使原本生疏难懂的实验充满了灵活性和挑战性。实践证明，这些措施的综合运用在培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力、正确的思维方法及严谨的工作作风等方面起着不可替代的作用。

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［1］徐升槐，范勤儒.通信原理实验课程教学研究［J］.实验技术与管理，2011，28（1）：65－66.

［2］樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2001.

［3］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，2011，30（6）：316－318，335.

［4］谢文苗.通信原理实验中的计算机仿真［J］.实验技术与管理，2001，18（1）：83－85.

［5］陈萍.现代通信实验系统的计算机仿真［M］.北京：国防工业出版社，2003.

［6］陈朝.MATLAB实验仿真在通信原理课程教学中的应用［J］.实验技术与管理，2007，24（5）：92－141.

［7］凌零，苏胤杰，晋春.软件仿真在通信原理实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2011，28（4）：83－85.

［8］叶敦范，刘金全，钱治军.2ASK／2FSK 信号发生器的FPGA 实现［J］.电子元器件应用，2009，11（3）：66－68.

［9］雷国伟，林兴元，舒强，等.基于DSP Builder的通用调制信号发生器设计［J］.电视技术，2009，33（2）：18－19，28.

［10］潘松，黄继业，王国栋.现代DSP技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.