《通信原理》课程的课堂与实验教学改革

沈文丽，余燕平，贾 波

(浙江工商大学 信息与电子工程学院，杭州 310018)

《通信原理》课程的课堂与实验教学改革

沈文丽，余燕平，贾 波

(浙江工商大学 信息与电子工程学院，杭州 310018)

《通信原理》是通信类、电子类专业非常重要的专业基础课。该课程具有理论性强、抽象概念多、教学难度大等特点。为了提高学生的学习兴趣、激发学生的潜在能力，针对教学中存在的问题，从改进教学课件、采用软硬件结合的实验等方面探索如何提高教学效果的一些思路。实践证明，通过以上教学方法的改革，教学质量得到了提高，教学实践取得了良好的效果。

通信原理；多媒体课件；硬件实验；Matlab软件

《通信原理》课程是我国高校信息与电子工程学科中的一门工程性和综合性都很强的专业基础课。它既是基础课向专业课的过渡，也是通信电子学科的入门课，在通信、电子类专业中占有非常重要的地位。它的先修课程是高等数学、概率论、随机过程、信号与系统等;它的后续课程有光纤通信、移动通信、无线通信、通信网络技术等。它对学生的要求比其他课程高得多，仅靠传统的教学方法和手段，不能很好地调动学生学习的积极性和主观能动性达不到很好的教学效果。《通信原理》课程的教学包括理论与实验两个环节，两者需要相互结合和相互促进。我们采用更加生动形象的多媒体课件、软硬件结合的实验模式等多种辅助教学手段来改革传统的教学思路。培养学生具有扎实的理论基础、分析问题解决问题的能力，以适应现代社会对创新性和应用型人才的需求，是《通信原理》课程的主要教学目标。

1 改进多媒体课件

1.1 增加图形和动画

《通信原理》课程内容抽象、专业术语多、公式的数学推导多，需要学生具有扎实的数学功底和对专业术语较强的理解力[1_4]。因此多媒体课件应具备多样化形式，除介绍基本的概念、公式和理论推导外，还应增加Flash动画、图片、流媒体等形式，尽量将抽象的理论公式形象化。

以调幅AM信号的频谱结构为例，标准调幅信号就是常规双边带调制。假设调制信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个直流偏量A0后与载波相乘，即可形成调幅信号[5]。其时域表达式为

式中，A0为外加的直流分量;m(t)可以是确知信号也可以是随机信号。

若m(t)为确知信号，其频谱为M(ω)，则AM信号的频谱为

根据AM信号的频谱公式可以画出其频谱图如图1所示，并将载频分量、上下边带和带宽均标注其上。采用这样的图形可以很形象地将载频分量、上下边带和带宽的概念表示出来，清楚明确、一目了然。正负载波中心频率位置的频谱成分称为载频分量;正载波中心频率右侧和负载波中心频率左侧的频谱成分称为上边带分量;正载波中心频率左侧和负载波中心频率右侧的频谱成分称为下边带分量。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波分量的双边带信号，它的带宽是基带调制信号带宽的2倍。

学生从图1可以直观明了地掌握几者的关系，将枯燥的理论知识以生动形象的图形方式呈现出来，既提高了学生学习通信专业知识的兴趣，又降低了知识本身的理解难度。

图1 调幅信号的频谱图

1.2 增加概括和总结

通信原理课程的内容体系非常清楚[5_6]，以樊昌信的《通信原理》教材为例。第一章至第四章是概率论和确知信号以及随机过程的基础知识，第五章是模拟调制系统，第六至八章是数字调制系统。第九章是模拟系统与数字系统的转化[5]。因此，在学习数字调制系统时可以采用与模拟系统类似的学习方法，其基本内容包括时域表达式、频谱表达式和带宽的概念、调制解调方法和性能。当然，模拟传输系统与数字系统是有本质区别的。在教学过程中，我们对两者的异同点加以总结和比较，学生在学习过程中能更快理解和掌握新知识点，减少了不必要的混淆。

模拟带通信号和数字带通信号的带宽都是以基带信号的带宽作为基本单位。但是模拟基带信号的带宽一般用fH来表示，是表示基带信号的最高频率。例如，对于模拟信号，双边带信号的带宽是2fH，带边带信号带宽是fH，残留边带信号带宽处于fH和2fH之间。而数字基带信号的带宽用fs来表示，它是码元周期Ts的倒数。例如二进制振幅键控和二进制相移键控的带宽是2fs，二进制频移键控的带宽是｜f1_f2｜+2fs。学生在学习过程中容易将两者混淆。

二进制振幅键控(2ASK)和二进制相移键控(2PSK)的调制方法也有类似之处。我们将之加以总结，并绘出如图2所示的调制原理框图。如图2(a)的模拟相乘法中，若模块A输入的是二进制单极性不归零信号，调制得到的就是2ASK信号;若模块A输入的是双极性不归零信号，则调制得到的就是2PSK信号。同样，对于图2(b)的数字键控法，若模块B接地，最后输出得到的就是2ASK信号;若模块B输入的是载波的180°移相信号，调制得到的就是2PSK信号。在授课过程中，若加以比较和总结，可以加深学生对知识的理解和掌握。

图2 二进制振幅/相移键控的调制原理框图

2 软硬件结合的实验辅助手段

2.1 采用实验箱进行硬件实验

在《通信原理》课程的硬件实验中，我们采用的实验箱是武汉凌特电子技术有限公司的LTE_ TX_02E通信原理综合实验系统。该实验箱的主要特点是模块化设计，各模块采用独立电源开关，可根据需要自行配置。涵盖了通信系统中的信源编码技术、基带和带通传输技术、数字调制解调技术、复用技术、同步技术以及接口技术等。完全满足通信原理课程的教学要求。

以2ASK的调制实验为例，在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”，这样就可以得到2ASK信号，这种二进制振幅键控方式称为通—断键控(OOK)。其时域数学表达式为：

式中，A为未调载波幅度;ωc为载波角频率;an为符合下列关系的二进制序列的第n个码元。

综合式(5)和式(4)，令A=1，则2ASK信号的一般时域表达式为：

式中，Ts为码元间隔;g(t)为持续时间[_Ts/2，Ts/2]内任意波形形状的脉冲(分析时一般设为归一化矩形脉冲);S(t)代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。

将实验箱上的预留测试点连接示波器，得到如图3所示的2ASK已调信号的波形图。本实验是验证型实验，在通信原理课程中数字基带传输技术(码型变换、眼图观测)、数字调制解调实验(2ASK、2FSK、2DPSK)和模拟信号数字化(PAM、PCM、增量调制)都可以采用该实验箱来完成。

图3 2ASK已调信号的波形

2.2 Matlab软件的应用

除采用硬件实验箱进行实验教学外，我们将Matlab引入实验教学环节中。要求学生自己动手运用Matlab软件强大的图形功能将理论公式转化为图形表述。通信原理中的很多知识点，如模拟调制、数字调制、通信系统的同步原理等，都可以借助Matlab进行仿真分析[7_8]。学生可以根据所学内容自行设计方案、编写程序，对知识点进行仿真分析。通过这个过程，许多抽象深奥的理论变得形象、生动、具体，学生可以更好地理解公式所要表达的意思，从图形中进一步加深对所学知识的理解和掌握。从死记硬背记公式转化为以理解公式和图形为主，减少学生在学习过程中的困难，从而有效地提高学生学习的热情和兴趣，培养自主创新能力，提高分析解决问题的能力和综合设计能力。

以抑制载波的双边带为例，其调制信号的时域表达式一般可表示成

式中，m(t)为基带调制信号。

设基带信号m(t)的频谱为M(ω)，则可以得到已调信号sm(t)的频谱Sm(ω)为

用Matlab编写程序，产生如下参数的调幅信号，其载波频率为50 Hz;采样频率为1 000 Hz，基带调制信号是频率为10 Hz的单音正弦波。

基带信号和调幅信号的频谱分别如图4和图5所示。

从基带信号和调幅信号的频谱图可以看出，调幅信号将基带信号的频谱搬移到载波中心频率位置，并且含有上下两边带。由此可以让学生更直观地了解调幅信号产生的整个过程，更深刻地理解调幅信号的时频特性。

图5 调幅信号的波形与频谱图

3 结束语

本文从改进多媒体课件和采用软硬件结合的实验来改革通信原理课程的传统教学方式。实践证明，两种方法相辅相成，一定程度地提高了教学质量，达到预期的教学效果。通过提高学生的学习兴趣，激发主观能动性，培养学生扎实的理论基础以及创新意识和实践能力，为社会输送“实基础、强能力、高素质、有专长”的应用型人才。

[1]马冬梅，朱正伟.“通信原理”实验教学的改革与探索[J].实验室科学，2010，13(4)：17_19.

[2]赵金宪，江晓林.电气信息类专业“通信原理”实验与实践教学的研究[J].电气电子教学学报，2010，32 (S1)：l11_113.

[3]徐升槐，范勤儒.“通信原理”实验课程教学研究[J].实验科学与技术，2011，9(1)：65_66.

[4]刘凯，徐桢，张军.《通信原理》中的教学方法研究[J].高教论坛，2009(3)：26_29.

[5]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2007：87，259.

[6]曹志刚.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社，2008：27_54.

[7]张鸣，李白萍.Matlab仿真在通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理，2012，29(11)：87_89，93.

[8]郝秀兰，杜煜，苏利敏.Matlab在通信原理课程教学中的应用[J].计算机科学，2012，39(10)：42_45.

Course and Teaching Reform in the Curriculum of Communication Principle

SHENWenli，YU Yanping，JIA Bo
(College of Information and Electronic Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China)

Communication Principle is a very important professional and basic course of communication and electronic major.As the concept of communication techniques is theoretical and abstract，improvementof the teaching effect is difficult.In order to improve the interest and inspire the potential ability of the students in learning，the improvement of teaching courseware，the application of hardware and software experiments are explored to improve the teaching effect.In the practice of teaching reform，the teaching quality has been improved.It shows good results through the reform ofmethods.

communication principle;multimedia courseware;hardware experiments;Matlab software

G642.0；TN911

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.020

2013_03_22

浙江本科高校实验教学示范中心项目（44）；浙江工商大学2010年度通信工程校级重点建设专业（浙商大教〔2011〕36号）。

沈文丽（1982_），女，博士，讲师，研究方向：无线通信。