雨课堂与项目结合的通信原理课程教学方法研究

高伟霞，韩新风，樊晓宇

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 蚌埠 233030)

通信原理课程是通信、电子信息、计算机网络等信息类相关专业重要的专业基础课程，通过对该课程的学习能够为之后进一步学习通信技术相关专业知识和从事通信方面工作提供重要的理论基础[1]。通信原理课程的理论性较强，要求学生具有扎实的数理基础以及信号处理、电子线路等专业基础知识，公式定理推导复杂且抽象[2-4]，使得学生在学习过程中容易产生挫败感和畏难情绪，因此需要教师及时掌握学生的学习动态，调整教学进程。而基于现代信息技术开发的教学辅助工具“雨课堂”，使得教师及时掌握学生的学习情况成为可能。“雨课堂”是由清华大学在线教育办公室和学堂在线共同研发的辅助教学工具，通过网络技术将教师与学生之间的联系由课堂上扩展到课前、课上和课后每个教学环节，使得教师与学生之间通过手机微信和PPT实现及时沟通[5-6]。

本文以通信原理的模拟通信理论知识为基础，将调频立体声广播系统作为主线案例，以SIMULINK为实验平台，进行模拟通信教学案例开发，通过调频立体声广播系统的实现过程和需要解决的问题串联整个模拟通信的知识点并由SIMULINK进行仿真展示，让学生理解每一个知识点及其在具体工程中的应用，提升其学习的积极性。在授课过程中通过雨课堂督促和掌握学生的学习情况，合理地安排教学进程。

1 知识点学习路线图

模拟通信主要介绍模拟调制解调的原理和性能分析，其中模拟调制解调的原理主要介绍幅度调制解调和频率调制解调，而性能分析主要分析各调制解调方法的有效性和可靠性，其中有效性主要分析调制后的信号带宽，可靠性则分析解调后的输出信噪比和制度增益。整章内容按照幅度调制解调-频率调制解调-频分复用的主线进行介绍。而调频立体声广播系统几乎包含了模拟通信章节的所有知识点，其框图如图1所示，从图中可以看出调频立体声广播系统包括了左右声道频分复用、幅度调制解调和频率调制解调的部分。

图1 调频立体声广播系统框图

根据教学内容的先后顺序及工程案例的特点，在教学过程中安排了如下的教学路线图进行“模拟通信”的教学：工程问题引入-理论分析-Simulink仿真-工程问题解决，使学生明白模拟通信的理论是在解决具体的通信传输问题过程中产生的。课程的知识点在调频立体声广播系统中的应用实例如表1所示。

表1 课程知识点与调频立体声广播系统应用对比

2 结合工程案例开展课堂教学

2.1 通过调频立体声广播系统引入调制解调概念

在课前通过雨课堂发布调频立体声广播系统的相关技术资料，督促学生阅读，使其对模拟通信的整个章节的内容及应用背景有所了解。课上介绍立体声广播是将左右声道音频信号经过预处理加载到高频正弦载波上，进行功率放大后通过天线转化为电磁波信号发送出去。从中引出调制的概念，然后给出问题：为什么要进行调制？引导学生在课堂上进行讨论以及通过雨课堂的弹幕进行全员讨论。在讨论过程中逐步引导学生从实现不扰民的远距离传输、多路音频信号互不干扰传输、信号频率与天线尺寸关系导致音频信号不适合通过天线进行辐射等方面进行思考，增强学生的课堂参与度与积极性，最后教师进行总结及分析，增强学生对调制的重视。之后引出解调的概念——从已调信号中恢复调制信号的过程[5-6]。

2.2 结合实例讲授幅度调制

幅度调制是控制载波的幅度随调制信号的变化进行相应的线性变化，即将调制信号装载到载波的幅度上进行传输，幅度调制的一般模型如图2所示[7-8]。

图2 幅度调制的一般模型

让学生观察图2，先忽略h(t)，分析幅度调制的原理：控制载波cosωct的幅度随调制信号m(t)进行线性变化，即将调制信号m(t)“装载”到载波cosωct的幅度上[7-8]。让学生根据《信号与系统》的知识对幅度调制的频谱进行分析，总结出幅度调制，将调制信号的频谱搬移到了载波cosωct的频率±ωc附近。

然后介绍幅度调制在立体声广播系统中也有应用，主要对左右声道的差信号进行调制，其中载波的频率固定为38 kHz，即将差信号的频谱搬移到38 kHz附近[7-8]。给出调频立体声广播信号产生子系统仿真模型，如图3所示，其中方框圈出的部分即DSB幅度调制的仿真模型。

图3 调频立体声广播信号产生子系统

为了形成明显的仿真结果对比，在图3中左右声道采用两路完全不同的音频信号，一路是欢快的音乐，一路是声音低沉的音乐。DSB幅度调制的仿真结果如图4和图5所示。

图4 左右声道差信号波形及其频谱

图5 左右声道差信号的DSB已调信号波形及其频谱

通过雨课堂的分组或弹幕功能进行讨论，之后由随机点名或实时答题进行回答，DSB已调信号的频宽是多少？左右边带是否是完全一样的？为了提高幅度调制的有效性，是否可以去掉一个边带或部分边带？等等问题引出图2中h(t)的作用，构成SSB调制、VSB调制等。

2.3 幅度调制解调的原理和载波同步的重要性

提出问题：如何将幅度调制后的信号恢复回来，即解调？引导学生从调制的过程去思考，DSB调制实现信号的频谱一半左移一半右移，那么与载波cosωct再相乘一次会出现什么结果？让学生分组进行讨论，然后通过随机点名的方式让学生回答，引出相干解调的概念。

通过雨课堂分组功能，让学生分组讨论，利用Simulink分别仿真载波同步和不同步的情况如图6所示，其中实线为调制信号，虚线为解调信号。

图6 解调载波同步和不同步时解调信号与调制信号对比

之后让学生根据相干解调的公式推导当载波不同步时解调信号的表达式：

(1)

从上式(1)可以看出，当载波出现相位偏移时，将其中的高频分量滤除，恢复出的信号的幅度是调制信号的cos(θ/2)。因此解调出的差信号与和信号幅值上出现偏差，导致恢复出的左右声道音频信号出现误差。之后提出问题：如何解决载波不同步的问题？

介绍立体声广播为了实现载波同步采取了导频制，如图3所示。在发送端将载波2分频后的19 kHz的正弦波作为导频，和音频信号一起传输，在接受端将其提取出来后经过倍频即可恢复载波，实现解调载波的同频同相。

让学生讨论为什么不采用载波作为导频？引出频谱混叠的问题，并给出为防止左右声道的音频信号对导频产生频谱混叠，因此在图3中加入了抗混叠滤波器，左右声道音频信号的频谱被限制在15 kHz以内。

之后发布课后学习任务：除了导频制以外还有哪些载波同步的方法？让每个学生将收集到的载波同步方法发布到雨课堂的讨论区中进行讨论，丰富学生们的知识点。

2.4 噪声对解调结果的影响

当信号在信道中传输时不可避免地会受到噪声的影响，使得解调信号出现失真。其中受到噪声污染的导频会引起接收端的解调载波出现偏差，进一步加剧了解调信号的失真，对于该问题一般采用锁相环解决。

在调频立体声广播系统仿真模型中加入噪声信道模拟噪声的影响。噪声信道的信噪比设置为20 dB，在信道输出端通过带通滤波器提取导频，将其倍频后经锁相环进行载波恢复，然后与接收端通过带通滤波器提取出的差信号相乘进行解调。为展示锁相环的工作过程设置压控振荡器的中心频率偏离载波频率100 Hz(38100 Hz)，灵敏度设为500 Hz/V。仿真模型如图7所示，仿真结果如图8、图9所示。

图7 DSB解调载波恢复子系统

图8 锁相环压控振荡器控制电压曲线

图9 噪声环境下DSB调制信号与解调信号对比

图8中曲线为锁相环压控振荡器的控制电压曲线，从中可以看出在经过短暂的震荡后控制电压稳定在-0.2 V左右，只是随输入载波的波动做小幅度调节，即将压控振荡器的震荡频率由38100 Hz调整到38000 Hz，实现了频率和相位锁定。从图9中可以看出噪声环境下解调信号的波形与调制信号波形整体上是相似的，时间上出现了延迟，但是解调信号曲线上出现了许多毛刺波动，即在噪声的影响下出现了失真。通过播放调制信号与解调后的信号，引导学生从听觉上感觉解调后的音频并进行对比，加深对噪声影响的认识。

之后给出调制解调可靠性的评价标准——制度增益，即解调器输出信噪比与输入信噪比的比值。并简要分析DSB解调器的制度增益，引出幅度调制的可靠性较差。为了提高立体声广播的抗噪能力，需要采用其它方式进行调制，引出频率调制的概念。

2.5 以调频立体声广播系统中的频率调制(FM)为例讲授频率调制

在仿真中采用Simulink提供的FM Modulator Passband 和FM Demodulator Passband 模块实现FM的调制和解调。我国的调频广播规定使用的频率范围为87-108 MHz，频偏为75 kHz。为了加快仿真的运行速度，将载频设置为0.441 MHz，频偏为75 kHz，采样频率设置为8.82 MHz。运行仿真，将解调出的音频信号放给学生听，对比幅度调制解调和频率调制解调后恢复的音频信号，让学生了解频率调制解调的抗噪性能优于幅度调制解调，引起对调频的兴趣，引出调频内容。

所谓频率调制，即控制载波的瞬时频率随调制信号成比例的偏移，表示为dφ(t)/dt=Kfm(t)，其中Kf为调频灵敏度[7-8]。之后对频率调制和解调内容进行讲解，结合仿真展示频率调制的特点和有效性。仿真如图10所示。FM调制信号和已调信号频谱图如图11所示。

图10 FM调制信号和已调信号波形图

图11 FM调制信号和已调信号频谱图

让学生观察图10中FM调制信号和已调信号波形图，发起讨论，对比FM调制信号和已调信号的波形有没有什么规律。之后教师进行总结：调频已调信号的幅度不变，其频率随调制信号的变化而变化，即调频已调信号的频率变化反映了调制信号的变化。

让学生观察并对比图11FM调制信号频谱与已调信号频谱，引导学生总结：调频输出信号的频谱比输入信号频谱宽很多，多了许多新的频率分量，属于非线性调制。因此频率调制的带宽要远远大于幅度调制，在有效性上幅度调制是优于频率调制的。进行理论分析，给出频率调制频谱公式：

(2)

让学生分析(2)式，理论上FM已调信号的频谱为无限宽，而图11中已调信号的频谱似乎是有限宽的。给出解释：由于边频的幅度AJn(mf)随n的增大是衰减的，n较大时AJn(mf)的值较小，因此看起来是有限宽的。在实际工程应用中，通常将幅度大于未调载波10%以上的边频分量所占据的频率范围作为FM的带宽[7-8]。给出频带宽度公式：

B=2(mf+1)fmax

(3)

对于可靠性，则分析其输出的信噪比与输入信噪比的比值——制度增益，对于非相干解调其制度增益为：

(4)

由上式和(3)式可以看出，FM的制度增益主要由调频指数mf决定。因此mf越大则FM的抗噪能力越强，即可靠性越强，而mf的增大导致带宽增大，使得有效性下降，从中也反映出有效性与可靠性是相互矛盾的。

通过仿真给出FM与AM调制的抗噪能力的对比，如图12所示。

图 12 DSB解调信号与FM解调信号对比

引导学生分析图12中的DSB和FM解调信号，其中实线为FM解调信号、虚线为DSB解调信号。从图中可以看出实线比虚线更平滑一些，而虚线毛刺更多一些，表现为受噪声的影响较大，从中也可以反映出FM调制解调比DSB调制解调具有更好的抗噪性能，即可靠性更好。播放DSB解调结果的音频信号与FM解调的音频信号，使学生在听觉上加深对FM具有更强抗噪性能的认识。

2.6 预加重和去加重

通过上面的分析可以看出FM的抗噪能力与调频指数mf有关，而在FM无线广播中频偏△fm是确定的，因此在频偏△fm受限制的情况下若fmax越大则mf越小，其抗噪能力越差；而语音信号的能量主要集中于低频部分，使得音频信号的高频部分能量较弱，易受噪声影响。常采用预加重和去加重的方法来提升信号高频部分的抗噪能力。引出预加重和去加重的内容。预加重和去加重的频率特性互为反函数，在调频立体声广播系统中预加重和去加重的系统函数分别为：

(5)

图13是设置采样频率为44100 Hz，τs=50 μs设计出的预加重和去加重的幅频特性曲线。

让学生观察比较图14的未经预加重和去加重处理与经预加重和去加重处理的信号曲线，可以看出经过预加重和去加重处理后的音频信号曲线相比未预加重和去加重处理的音频信号曲线毛刺更少一些，更加平滑，说明细节部分波动较少，即对高频部分的噪声实现了抑制。播放经过预加重和去加重处理和未经预加重和去加重处理的音频信号，让学生在听觉上感受预加重和去加重的作用。

图13 预加重和去加重幅频特性曲线

图14 未经预加重和去加重处理与经预加重和去加重处理的输出信号对比

3 雨课堂在基于项目的课程教学中的应用

雨课堂作为“智慧型”教学辅助工具，可以帮助教师实现课前、课上和课后全方位的教学活动组织和实施。每次课前发布预习课件，在预习课件中根据每次课的教学内容与立体声广播中应用联系起来，并设置知识点在立体声广播中的应用测试题，提升学生预习的兴趣，并根据测试题答题情况、学生反馈及不懂PPT等掌握学生预习中的难点问题，合理安排每个知识点的教学时间，如图15所示。

图15 雨课堂预习及课后复习学情反馈

在课堂上，通过立体声广播中的问题引出待讲解的每个知识点，辅助仿真直观展示每个知识点的应用效果，通过“雨课堂”的实时答题、弹幕、随机点名或分组学习等方式让学生对案例的仿真结果进行分析和总结，增强学生对每个知识点的理解和掌握，提升其自学和总结能力，在开始时可以设置逐步递进的知识点选择题，引导学生一步一步地实时回答实现知识点的总结，同时从雨课堂反馈的学生的答题情况中教师也可以了解每个学生对知识点的掌握情况，实时调整授课进度，如图16所示。

图16 雨课堂课堂学情反馈及弹幕互动

课后，通过“雨课堂”发布复习题、仿真等资料督促学生及时复习，学生也可以将答题、仿真过程中遇到的问题发布到“雨课堂”讨论区，由教师或其他同学共同进行讨论回答，通过问题的解决提升学生的知识应用能力和加深对知识点的理解，教师也可以通过雨课堂课后测试题反馈功能有针对性地对学生未掌握的知识点进行在线辅导。

4 教学效果分析

为了客观地分析雨课堂对通信原理课程基于项目的教学效果的影响，选取安徽科技学院电子科学与技术专业的2016级和2017级进行对比，其中2017级采用基于雨课堂的项目教学。两个年级的入学成绩相近，授课教师和参与的考试内容相同。分析的数据来自于《通信原理》课程的期末考试成绩，其中2016级考试人数84人，2017级考试人数79人。

从平均成绩上看，2016级平均成绩为64.70，2017级平均成绩为67.08，平均成绩有所提升；从优秀率上看，2016级90分以上学生人数为3.57%，2017级90分以上为13.92%，优秀人数提升较为明显；2016级80分以上学生人数为11.90%，2017级则为25.32%，说明基于雨课堂的项目教学法对认真学习学生的帮助较为明显，使其对知识点的理解和掌握更为扎实。

下面根据雨课堂的数据统计功能对学生的学习行为进行分析，选取数据为学生预习的完成情况、测试成绩(课堂测试、课后复习测试等)两类数据进行分析，预习的完成情况以观看PPT、视频的完成的百分比作为参数，测试成绩换算为百分制进行统计。以2017级学生的期末考试成绩作为外部标记，将期末成绩换算为5等级制。统计结果如表2所示。

表2 学生预习和测试成绩统计表

从表2可以看出，无论是期末考试成绩好的还是差的学生，预习完成情况都尚可，无法反映其真实的学习情况，原因是有一些学生只是为了获取预习的成绩而匆匆浏览预习课件。这一点也可以从“雨课堂”统计的学生预习时长上反映出来，有些同学的预习时间很短，有部分同学只是为了完成预习任务，而长时间打开PPT或视频进行“挂机”，时间长达一两个小时，甚至四五个小时。因此需要进一步采取增加预习部分测试题在考核中的比重，以及在课堂上对学生的预习情况进行检查以促进学生对预习的重视，培养学生学习的自主性。

测试成绩统计包括课堂上对知识点的实时测试和课后对复习情况的测试等，从表2中可以看出，测试成绩与期末考试成绩有较强的关联性，期末考试成绩较好的同学测试平均成绩较好，期末成绩较差同学的测试成绩则较差，即测试成绩更能反映出每个学生对知识点的掌握情况和学习效果。在今后的教学中可以加强对课堂实时测试和课后复习测试教学环节的设计和分析。

5 结论

通信原理课程既具有较强的理论性，又具有广泛的应用背景，将实际工程案例引入到课程的教学中，以实现工程案例中信息传输所需解决的问题串联知识点，形成以问题为导向的学习模式，使学生从应用的角度去学习通信原理课程，让学生明白学有所用，最终达到学以致用的目的。在授课过程中利用“雨课堂”的弹幕、投稿、讨论、课堂限时测试等功能加强教学互动，激发学生课堂参与的热情，提升了课堂教学效率，根据实时学习数据反馈、详细数据分析等功能，为教师更加全面地掌握学生的学习情况调整教学进程和客观地对学生进行过程性考核提供了参考依据。通过安徽科技学院电子科学与技术专业两个年级的期末考试成绩对比可知，雨课堂和工程案例的引入提升了课堂效率，激发了学生的学习积极性，加深了学生对通信系统、信息传输理论的认识和理解，提升了学习的兴趣。