军队院校“通信原理”的实验教学改革

吴 俊，徐 丹，罗 勇

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033)

我校的“通信原理”课程经过多年的教学实践，积累了丰富的经验，取得了多项教学成果，先后多次被评为大学及海军优秀课程。但其实验教学与国内其它重点高校的实验教学相比，还需要进一步完善。为了完成海军优秀课程建设的目标，并充分考虑军队院校通信专业学生的实际需求，我们制定了对该课程实验教学改革的方案。

1 实验类型的改革

四种类型，以煅炼学生的综合思维能力、创新能力和实际动手能力。

我们一方面精选实验内容，减少验证性实验，尽可能把验证性实验转换为简单的综合性实验。另一方面增加综合性和设计性实验，开设虚拟仿真性实验，并鼓励有能力的学生在完成已有实验项目的基础上积极开展自主研究性实验。改革后的总体实验结构如表1所示。

该课程实验类型由原来单一的验证性实验调整为验证性、综合设计性、虚拟仿真性以及自主研究性

2 实验平台的改革

我们以前采用的通信原理实验平台主要是通信原理实验箱和Matlab通信仿真平台。这两种实验平台各有优缺点［1］。

实验箱的优点是学生可以接触到实际的硬件电路，学习使用各种仪器，提高学生的动手操作能力。缺点是实验设备有限，部分实验设备缺少(如频谱仪、误码仪等);实验项目有限，有的实验不能做(如模拟调制实验)。由于都是模块化设计，学生不能深入了解电路内部结构，不能自行设计实验，自主发挥的空间比较小。

表1 总体实验结构

Matlab通信仿真平台是借助仿真软件，自行编写代码来完成通信系统的建模、设计和测试。其优点是设计灵活，对学生建立通信系统很有帮助。使用仿真软件实验投入少，维护简单。缺点是在仿真设计中采用的都是模型，学生的理解仅停留在模型表面，缺乏对模型具体电路的认识和设计。因对学生的编程能力和综合能力要求都比较高，在有限几个学时完成Matlab实验对部分学生而言稍显困难。

我们最新增加的System View通信仿真平台与Matlab的不同在于，它不需要自行编写代码，而是应用已有库中的模块来完成通信系统的建模、设计和测试［2］。它一方面保留了软件平台的设计灵活性，一方面也具有同实验箱一样的上手快，易操作等优点。它比实验箱效率更高，效果更好，且成本低。

考虑到通信领域里越来越多地采用软件无线电方式，即用FPGA等可编程芯片来实现复杂多样的数字调制解调器，它是一种比较新的设计方法。我们已将FPGA设计引入实验。不过，其缺点是学生需要有一定的知识基础，且实验时间较长。

我们综合考虑上述几种实验平台的优缺点，按以下环节设计实验:为了加强学生对“通信原理”理论知识的理解，并让学生对实际通信电路有感性的认识，部分实验内容(表中①-⑥项)采用通信原理实验箱;为了让学生熟悉一般通信系统的设计方法和步骤，表中⑦项实验采用System View仿真;为了提高学生综合编程能力和创新能力，表中⑧项实验采用FPGA设计(基于通信原理实验箱的FPGA二次开发模块完成)。

3 实验内容的改革

3.1 验证性实验

除了表中抽样定理实验③和时分复用实验④属于基本验证性实验外，①、②、⑤项都为综合验证性实验，即在搭建起的完整的通信系统的基础上进行验证，而不是在单个模块基础上的验证。学生有了系统的概念，对各个模块的作用和区别也会有更加清醒的认识和理解，验证的效果也会更好。

(1)基带传输编译码实验①

该实验较之以前单一芯片即可完成的码型变换实验，增加了同步模块和基带信号形成模块，使之成为一个简单的基带传输系统。学生可以搭建一个基带传输系统，从中了解到基带信号的产生、信道信号的形成、接收滤波器的工作原理、同步信号的产生机理、基带信号编译码过程和抽样判决等基带通信系统各个环节的内容。该实验较之以前的码型变换实验，观察的码型增多，包括NRZ码、RZ码、AMI码、HDB3码、CMI码和BPH码等多种常用码型。

(2)频带传输调制解调实验②

该实验扩充为调制解调系统实验，增加了载波同步和位同步模块，目的也是增强学生对整个频带传输系统的认识而不仅仅是对调制解调的认识。学生对调制方式的选择有了更大的灵活性，可以选择2ASK、2FSK和2PSK(2DPSK)等基础方式，也可以选择稍复杂的QPSK(OQPSK)和QAM等调制方式。

我们的培训对象是全体农村教师，所以他们的培训需求是我们选择培训形式的重要依据。通过前期调研收回的有效问卷，我们发现，教师都希望“送培下乡”活动能够创新培训模式、重视培训过程、更新培训内容。因此我们在送培时间上，在学校工作日以一个学期一次为主展开，集中在2～3天内完成整个活动流程，尽量不占用他们的休息时间。在送培形式上，首先是一线骨干教师讲授示范课，其次是区域学科带头人组织互动评课，再次是网络教研与集中面授相结合的学科研修。

(3)信道编译码实验⑤

该实验也同样遵循上述原则。学生要搭建一个简单数字通信系统的环境，可以自由选择编译码方式(汉明码、循环码和卷积码等)。

3.2 综合设计性实验

我们把模拟信号数字化传输系统实验⑥作为综合设计性实验，出于以下两点考虑:第一，模拟信号的数字化传输一贯是“通信原理”的重点内容，目前常见的通信系统都是把模拟信号进行数字化传输的，例如手机、有线电视等，因此该实验实用性较强。第二，模拟信号的数字化传输所涉及到的通信技术和手段比较多，因此该实验的综合性和可设计性均较强，比较适合作为综合设计性实验。

该实验系统框图如图1所示，涉及到的技术基本涵盖了通信系统的各个方面。对学生而言，需要掌握的知识比较多，具有一定的难度和挑战性。

图1 模拟信号数字化传输系统实验框图

以往的模拟信号数字化传输实验，我们仅考虑了A/D和D/A转换过程(如PCM编译码过程)，而没有考虑其它方面，而且PCM的编译码通常也是仅用一个芯片自环完成，没有考虑系统的概念，学生仅仅看到一个正弦波输入，紧接着又看到一个同样的正弦波输出，这中间是如何编码的又是如何解码的基本没搞清楚。我们现在把PCM编码模块和译码模块分开，同时还在中间插入实际系统中通常会有的信道编译码、载波调制和解调模块，以及同步模块等，使之成为一个完整的模拟信号数字化传输系统。再增加时分复用的技术传输多路信源，使整个系统的综合性更强。

A/D转换过程除了可以采用PCM编码，还可选择CVSD编码以及调量调制方式等;载波调制解调过程可以选择 2ASK、2FSK、2PSK、QPSK和 QAM等，也是根据学生的不同能力来自行选择。

此外，除了信号发生器产生的正弦波可以作为输入信号源，还增加了麦克风输入以及音乐信号输入，接收端增加了耳麦和扬声器，以增添实验乐趣。

3.3 虚拟仿真性实验

SystemView通信系统仿真实验⑦较之于以前的Matlab通信系统仿真实验，减少了编写代码环节，学生可以利用现成的模块完成复杂通信系统的搭建。学生利用虚拟的信源和示波器查看系统搭建的效果，改进系统参数和模块设置，可操作性强，教学效果明显，可以在有限学时内完成。

我院的SystemView通信系统仿真实验不同于一般高校，主要开设以下具有军队特色和实用价值的题目以供学生选择设计:①甚低频通信系统中的编码和调制方式设计与仿真;②短波通信系统中的编码和调制方式设计与仿真;③超短波通信系统中的编码和调制方式设计与仿真;④卫星通信系统中的编码和调制方式设计与仿真。

这些选题的针对性比较强，需要学生对系统相关知识有一定了解，对学生的自我学习能力和综合设计能力有一定的要求。

3.4 自主研究性实验

自主研究性实验主要靠学生自身能力来完成，教师只能从旁引导。没有学生在课下刻苦钻研，仅凭一两个学时，自主研究性实验是很难完成的。

FPGA实现数字调调制解调实验⑧是使用通信原理实验箱自带的FPGA二次开发模块的自主研究性实验。学生籍助硬件实验箱、范例、参考书及教师引导，有了这些较好的自主研究性实验条件，较之以前的Matlab软件编程实验，可获得更好的效果。

4 结语

我们对实验课单独进行考评，实行百分制，实验①至实验⑥满分10分，实验⑦和⑧满分20分。每个实验又分基础档和提高档两种不同难度级别，完成基础档实验任务8分，完成提高档实验任务10分。实验课不满60分视为“通信原理”课程不及格。目前通信原理实验课改革正朝着构建的集软件仿真实验系统、硬件实验系统和虚拟实验系统于一体的实验体系方向发展，努力开展多视角实验教学［3］。利用该实验体系，对于同一知识点，学生首先采用软件仿真实验系统进行理论分析和研究;然后在硬件实验系统上进行实际测量，并将二者的结果进行比较和分析;最后学生还可随时随地通过校园网络访问网络化虚拟实验系统，进行自主性和创新性实验。

［1］ 徐彦凯.通信原理实验教学的探索.上海:实验室研究与探索［J］.2011(6):316 ～335.

［2］ 蔡丽萍，洪利，卢晓轩.基于System View的通信原理系统软件实验设计［J］.上海:实验室研究与探索，2006，25(8):899-901.

［3］ 屈晓旭.构建三位一体的通信原理课程多视角实验教学体系［J］.西安:高校实验室工作研究，2011(11).:18-19