通信原理综合实验教学改革的实践

李 莉， 赵 蓉， 项 东

(吉林大学 通信工程学院通信系，吉林 长春 130012)



通信原理综合实验教学改革的实践

李 莉， 赵 蓉， 项 东

(吉林大学 通信工程学院通信系，吉林 长春 130012)

主要探索通信原理课程综合实验的教学方法。针对通信原理实验内容的特点，作者分析了硬件实验与软件仿真的利弊，阐述了软件仿真更利于发挥学生学习通信原理课程的能动性与创新性。在实验内容上，作者提出了基础实验和提高实验相结合的方法，在基础实验部分让学生打牢通信原理及仿真手段的基础，在提高实验部分突出学生的创新能力。

通信原理； 教学方法； 软件仿真

0 引 言

通信原理课程是通信工程专业的标志性课程。实验教学是“通信原理”课程教学中的一个重要的环节。传统的通信原理课程中实验教学是作为理论教学的辅助，不独立设置学分。近几年，考虑到实验教学对通信原理课程的重要性，很多大学独立设置了通信原理综合实验课程，其目的是通过实验加深对通信原理理论的理解，让学生创新地自主设计通信系统，并实现设计的系统，增加学生在通信原理课程学习中的能动性，从而也调动学生对实验的积极性[1-5]。

1 通信原理实验特点

从通信原理课程出发，通信原理实验内容包括[6-10]：

(1) 通信系统模型的建立。通信系统模型是通信原理课程的基础。在通信原理课程中，通信系统分为两类：模拟通信系统和数字通信系统。在模拟通信系统的发送端主要考虑调制器功能的实现，在接收端主要考虑解调器功能的实现；在数字通信系统的发送端要考虑编码与调制，其接收端要考虑解调与解码。

(2) 通信系统各节点时域波形与频域波形的观察。观察通信系统各个节点上的时域与频域的波形，是分析通信系统性能的很重要的手段。时域波形的观察无论模拟通信系统还是数字通信系统，利用示波器观察都是很容易实现的。频域波形的观察，模拟通信系统与数字通信系统是有差别的。在模拟通信系统分析中，为了让学生能够容易理解调制和解调的原理，通常都假设发送端发送的基带信号是确知信号，这样频域通常是用傅里叶频谱来描述；在数字通信系统中，由于所有的数字信号都是随机的信号，因此，频域不再能用傅里叶频谱描述，需要用功率谱来描述。

(3) 信道模型。信道是通信系统的传输媒质，信道模型是通信系统重要组成部分。通信系统中常用信道模型有加性高斯白噪声模型和多径信道模型。在通信原理课程中，更多考虑的信道模型是加性高斯白噪声信道模型，无线通信中，多径信道模型将被考虑。

(4) 有效性与可靠性分析。衡量通信系统性能的指标主要包括有效性与可靠性。在模拟通信系统中，有效性可以通过已调波的带宽衡量，而可靠性则需要在接收端通过信噪比来衡量；在数字通信系统中，有效性用频带利用率来衡量，可靠性通常用误码率来衡量。

无论用什么手段来进行通信原理综合实验，都应保证上述通信原理实验内容便捷、直观地实现。

2 实验手段选择

2.1 硬件实验与软件仿真

开设通信原理综合实验首先遇到的问题是利用实验箱还是软件仿真来完成实验内容。以往通信原理实验多采用通信原理实验箱，在实践教学中发现，硬件实验有一定的局限性。

(1) 验证性实验与设计性实验。硬件实验通常采用通信原理实验箱来完成，以验证性实验为主。在实验箱上，集成了各种通信系统所涉及的各个模块，学生参考实验指导书将各个连接端连接好，就可以看到实验的结果。在硬件实验中，学生往往只是观察、分析实验的结果，比如发送端的已调波形和接收端接收信号的波形，而忽略或无法分析已调波是通过什么方法实现的，在解调端解调的方法是什么。也就是说学生只知某个模块的功能而不知这个功能是怎样实现的。

(2) 实验项目与实验功能受限。硬件实验实验项目是固定的，学生只能够观察实验箱上提供的实验。通过实验箱，学生往往能够观察到的都是时域的波形。频域波形以及误码率之类的指标通过实验箱往往是做不到的。

(3) 创新性。通过实验箱进行通信原理实验，对学生来说往往是被动的，主动性很差，很难有创新性。

如上所述，开设通信原理综合实验课程，仅用实验箱来完成是不够的。可以采用软件仿真为主，硬件实验为辅的方法。

2.2 仿真软件的选择

目前能够进行通信原理仿真的软件有Matlab、Matlab Simulink以及Systemview等[11-15]。选择哪个软件来完成通信原理综合实验内容从两个角度衡量：一个是能够完成实验内容仿真，另一个方面就是能够让学生快速地介入。实验时间有限，如果学生需要花费大量的时间学习软件，才能够掌握如何用软件仿真实验内容，应该说这个软件就是不适合的。

选择仿真软件应该能够实现上述的功能。显然，Matlab、Matlab Simulink以及Systemview三种软件都能实现上述功能，只是实现方法不同、方便程度不同。Matlab是通过代码来实现功能，是代码级语言；Matlab Simulink与Systemview是图形化语言。相比之下，搭建通信系统，进行通信系统的分析，Matlab Simulink与Systemview比Matlab更直接。Matlab Simulink和Systemview都为图形化语言，都可以进行系统级仿真，但在系统中每个模块参数进行设置时，Simulink的参数设置不如Systemview容易被学生接受。在时域波形与频域波形显示方面，Systemview的示波器功能的显示窗口的调整比Simulink要容易，并且频域显示窗口提供了确定性信号的傅里叶变换频域以及多种随机信号的功率谱分析，使用灵活方便。

3 实验内容规划

以通信工程学院通信原理综合实验课程为例，课程学时为40学时，其中32学时做软件仿真，另外辅助8学时硬件实验。32学时的软件仿真实验包括实验准备、基础实验和提高实验三个部分。

(1) 实验准备(2个学时)。学生熟悉仿真软件，给出完整的实例让学生观察仿真实验过程。

(2) 基础实验。表1对基础实验学时进行了分配。表1的实验安排兼顾了通信原理课程的各个知识点，通过实验选择要求进一步约束学生，保证对通信原理学习的全面性。基础实验要求学生能够完整实现选择的通信系统，即包括发送端与接收端以及信道。模拟通信系统要对比发送与接收信号的失真情况，数字通信系统要给出误码率。

(3) 提高实验(16学时)。提高实验分模拟通信系统与数字通信系统两部分。在提高实验中不指定调制方式，仅给出通信系统的指标，学生自己设计相应的通信系统完成。 对于模拟通信系统，衡量学生完成质量看占用带宽及输出端的信噪比，鼓励学生用多级调制；对于数字通信系统，衡量学生完成质量看频带利用率及误码率，鼓励学生能够解决码间干扰问题。

相对于基础实验，提高实验的难度要大，但具有综合型，可充分发挥学生能动性，调动学生积极性，不让学生受一些条条框框的限制，让学生能够做到创新。

表1 基础实验学时分配

4 结 语

通信原理课程是电子通信类专业的一门重要专业基础课程，对该类专业的后续学习起着至关重要的作用，通信原理实验教学可以深化通信原理课程的学习。以往通信原理课程设置课内实验，而实验通常用实验箱来完成。为了能够强化本科生对通信原理的理解，以北京邮电大学为代表的通信类学院设置了独立的通信原理综合实验。通信工程学院也在2013版通信工程专业、光通信工程专业培养方案中设置了通信原理综合实验课程。为此，如何研制通信原理综合实验，成为通信原理教师的一个工作重点。本文根据通信原理实验的特点，对通信原理综合实验课程的内容及实验手段进行了论证，提出了利用软件仿真，将基础实验与提高实验相结合的方法，在实验中，让学生选择感兴趣的实验，并且自主设计通信系统，调动学生的积极性，真正做到创新性实验。

[1] 哈聪颖,王 俊,张有光.通信专业类综合性实验研究与探索[J].实验室研究与探索,2013,32(8):170-173.

[2] 包永强.“通信原理”课程实践教学探讨[J].电气电子教学学报,2013,35(4):114-116.

[3] 田竹梅.通信原理课程教学改革实验与探索[J].九江学院学报(自然科学版),2013(1):122-124.

[4] 李 安,周南润,王玉皞.通信工程国家级特色专业虚拟实验室建设与实践[J].实验室研究与探索,2013,32(1):150-154.

[5] 许正荣,贾贤龙,李 阳,等.通信原理实验教学改革与实践[J]. 实验技术与管理,2013,30(4):171-174.

[6] 赵 蓉,李 莉,项 东,等.现代通信原理教程[M].北京：北京邮电大学出版社,2009.

[7] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].7版.北京:国防工业出版社,2012.

[8] 周炯槃,庞沁华,续大我，等.通信原理[M].3版.北京:北京邮电大学出版社,2008.

[9] 张艳红,赵 恒.通信原理课程教学改革探索[J].河南教学学院学报(自然科学版),2013,22(3):62-63.

[10] 井敏英.2FSK通信系统信道仿真分析[J].实验室研究与探索,2013,32(11):82-84.

[11] 李 欣,谢 宏.虚拟仪器技术在通信原理教学中的应用[J].实验室研究与探索,2014,33(5):155-159.

[12] 张 鸣.通信原理仿真实验系统设计与实现[J]. 实验技术与管理,2013,30(6):54-57.

[13] 于子甲,宋启祥,董全德.Matlab仿真在通信原理教学改革中的应用[J].鄂州大学学报,2014,21(12):102-103.

[14] 刘光普,高玉春.Matlab在通信原理教学中的应用[J].数据采集与处理,2012,27(1):39-42.

[15] 庞 姣,王 虹,赵 璞.SystemView在通信原理实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(8):267-268.

Practice on Teaching Reform of Synthesis Experiment for Communication Principles Course

LILi,ZHAORong,XIANGDong

(Communication Engineering College, Jilin University, Changchun 130012, China)

It mainly explores the teaching methods of comprehensive experiment of communication principle course in this paper. According to the characteristics of communication principle experiment, the authors analyze the advantages and disadvantages of both hardware test and software simulation, illustrate that the latter helps the students to show more initiative and creativity when they study the communication principle course. When it comes to the experimental contents, the authors put forward a method combined basic experiment with improved experiment together. The basic experiment part is to enable students to lay a solid basis of communication principle and simulation tools. And in the improved experiment part, it is more important to highlight students’ innovation ability.

communication principle; teaching method; software simulation

2014-08-26

吉林大学实验教学改革项目(2013037)

李 莉(1964-)，女，吉林德惠人，博士，副教授，主要研究方向：通信信号处理。Tel.：15043098118;E-mail:ll@jlu.edu.cn

TN 911.1;G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0179-03