“新工科”建设要求下的多层级通信原理课程实验研究与设计

高 翔

山东大学(威海)机电与信息工程学院 山东威海 264209

一、概述

新工科建设是国家为主动应对新一轮科技革命与产业变革、支撑“服务创新驱动发展”等一系列国家战略而采取的重要举措。“新工科”要求培养能够适应、引领未来工程需求的人才。通信原理课程是电子信息工程、通信工程等专业课程体系中的核心课程,针对通信原理课程的实验教学课程设计更应主动适应“新工科”培养的要求。目前国内高校的通信原理实验主要采用硬件实验箱或软件仿真的方法进行实验,不能满足对课程内容中各类知识点有针对性、分层级的实验、实践训练要求,特别是不能够满足对通信原理课程特点所要求的通信系统整体架构进行认识、实验、实践的要求。[1]本文设计了一套针对通信原理课程不同知识点、不同教学要求的分层级实验课程体系和内容,针对单个知识点采用硬件电路实验的方法进行实验,旨在帮助学生学习实现和验证基本原理的电路构成,并通过改变电路参数表现出不同的性能结果;针对通信系统收发信机各模块的分析和设计方法,采用软件仿真的方法进行实验,旨在帮助学生学习通信系统模块的设计原理和不同实验方法,并通过改变程序使模块适应不同种类通信系统模块的实现要求;针对通信系统收发信机的整体性、系统性实验采用软件无线电的方法进行实验,旨在帮助学生更为容易地建立通信系统的概念,学生不必关注复杂的系统硬件搭建,只需要在通用的软件无线电平台中进行各模块的编程以及相关参数的设置,即可实现通信系统收发信机的通信功能。

二、通信原理实验教学的现状

通信原理课程要求学生系统性地掌握经典数字通信系统的系统架构,同时通信原理中相应模块原理和通信协议方法的数学推导相对复杂,理论性较强。[2]因此,为了帮助学生更容易地掌握经典数字通信系统的架构以及抽象化的原理和概念,任课教师需要在教学过程中有针对性地、合理地引入实验环节,这样理论加实验的教学方式才能帮助学生很好地掌握通信原理课程所要求的知识点和系统框架,提升学生对于课程的学习兴趣,提高学生在通信工程方面的实践动手能力。[3-5]

(一)硬件实验箱教学模式

使用硬件式实验箱开展实验教学的模式是目前国内众多高校开展通信原理课程实验的主要模式。这种模式在开展实验时,只需要学生按照实验操作手册的实验步骤使用相对应的实验电路模板,进行简单的系统连线,通过开关和旋钮来控制电路中相关器件参数,然后利用示波器等设备就可以比较直观地观察到对应实验的实验结果。

这种配套实验的开展模式,好处在于可以承接学生之前课程体系中所学电子电路类的相关课程,使学生便于上手开展实验,同时可以帮助学生了解通信系统各模块的基础电路构成。但是,这种实验方式也有不足之处。首先,这种实验方式不方便学生观察通信信号的频域特性,如幅频特性和相频特性,因此学生不能从信号的不同域全面掌握信号传输特性。其次,学生在实验过程中往往不需要进行电路分析,对于现成的电路模板拿来即用,不需要思考电路的工作原理,仅是简单的连线实验,对于学生的实践动手能力培养上有不足之处。最后,实验过程中通信系统的收发信机是通过简单连线完成,没有真实仿真无线通信系统中的信道干扰和噪声等场景,不能很好地帮助学生理解信道这一重要概念。

(二)软件仿真教学模式

使用软件仿真实验教学模式是随着计算机和软件技术发展在近些年高校中开展通信原理配套实验的一种新模式。这种模式在开展实验时,只需要学生按照软件操作手册上的步骤利用计算机仿真通信系统的各模块,通过代码和模块连接即可进行不同种通信模块和协议的仿真实验。

这种配套实验的开展模式,好处在于不需要像硬件实验箱那样需要在硬件设备和测量设备上花费较多资金,只需要有计算机和配套的实验软件即可,开设简单方便。同时该种实验模式可以方便帮助学生掌握通信信号的频域特征,实验过程通过代码完成,对应复杂的电路结构完全由计算机仿真,实验结果直接、清晰,不需要经过电路板调试。但是,这种实验方式也有不足之处。首先,学生对于实验所涉及的电路内部结构没有直观认识,不能很好地掌握通信系统各模块的底层电路结构。其次,实验过程中所使用的测量仪器设备和信号发生装置均为计算机仿真设备,对于学生学习和掌握设备使用上没有帮助。最后,仿真实验的结果较为理想,不能帮助学生锻炼硬件电路调试能力,对于学生实践动手能力的培养不利。

三、针对教学内容的多层级实验课程研究与设计

根据对通信原理课程配套实验的多年教学总结和调查研究,本文提出一种针对通信原理课程教学内容层次、强调通信原理系统框架掌握、突出学生实践动手能力培养的多层次、符合“新工科”建设要求的通信原理课程实验体系和内容。实验体系强调由单独知识点配套实验,到通信系统模块和原理实验,再到通信系统整体架构实验的由浅入深、由点到面、由局部至整体的渐进式的实验教学和动手能力培养体系。实验内容方面,根据独立知识点要求简洁、快速、容易验证的特性,设计了由传统硬件实验箱配套进行实验的相关内容;根据通信系统局部模块要求掌握通信协议模型、信号处理流程的特性,设计了由软件仿真配套进行实验的相关内容;根据通信系统收发信机整体结构要求掌握系统搭建框架、系统模块组合关系以及配套协议和方法的特性,设计了由软件无线电平台配套进行实验的相关内容。

(一)依托实验箱平台的硬件实验

使用实验箱平台中各电路板,通过简单连线,利用万用表和示波器来进行通信原理课程中的知识点验证是传统的实验方式。目前我校使用的是LTE-TX-03 A型通信原理实验箱。

针对本文所设计的多层级实验课程体系,硬件实验箱平台主要针对通信原理课程中的各独立知识点来进行设计。例如:基带传输的基本码型、眼图、锁相环、载波同步、帧同步等实验。这种实验方式可以帮助学生直观、快速地完成实验,验证课堂中所学理论知识点,同时可以有效地承接课程知识体系中在通信原理课程前边完成的一系列电路类课程,便于学生形成完整的课程知识体系。同时,这种实验方式的操作非常简单,只需要进行电路板间的连线,并对部分开关和参数进行调整,即可在示波器中呈现实验结果。这对于“新工科”建设要求中所要求的厚基础,也就是强调基础知识扎实非常有帮助。

表1 依托实验箱平台开展的通信原理硬件实验情况

这种实验方式的缺点也十分明显,因为硬件电路可编程能力的欠缺,所以针对需要编程设计的通信编译码、调制解调等方面的实验效果非常有限,因此这部分的实验采用依托MATLAB仿真软件的软件实验进行。

(二)依托MATLAB仿真软件的软件实验

使用MATLAB编程语言和编程模块,通过程序代码的书写和编程模块的连接进行通信原理课程中的可编程知识点验证实验也是传统的实验方法。目前我校有专用机房配备安装有MATLAB软件的计算机可以进行实验。

针对本文所设计的多层级实验课程体系,软件实验主要针对通信原理课程中的需要编程实现的模块和协议来进行设计。例如,信源编译码、PCM编码、信道编译码、数字调制解调等实验。这种实验方式可以较为灵活地通过程序代码及编程过程中各参数的改变和调整帮助学生更为深刻理解这部分知识点的内容和逻辑原理。同时,这种实验方式可以有效衔接学生在前导软件类课程中所学习的知识,对于使用软件工具针对具体的通信系统知识的仿真实现有很大的帮助,便于更好地形成完整课程知识体系。这对于“新工科”建设要求所要求的宽口径,也就是强调使用多种工具对所学知识进行系统化应用非常有帮助。

表2 依托MATLAB仿真软件开展的通信原理软件实验情况

这种实验方式的缺点也十分明显,因为在实验过程中所有通信系统的模块和测量设备均由代码和虚拟仪器代替,因此学生不能很好地对实体设备进行充分的学习和认识。

(三)依托软件无线电平台的综合实验

使用软件无线电平台可以利用其标准化、模块化的硬件设备,通过软件方式定义通信系统中的通信协议、空中接口和相关功能进行通信原理课程中要求的综合实验项目。目前我校使用的是北京威视锐科技的Y310软件无线电平台。

针对本文所设计的多层级实验课程体系,软件无线电平台实验主要针对通信原理课程中的综合性实验。例如:数字通信系统收发机的搭建、与旧体制电台的通信、OFDM系统实验和MIMO系统实验等。这种实验方式既用到了标准化、模块化的硬件设备,又可以通过软件定义的方式对相关通信协议、编码方式和调制方式等按需要进行更改,使搭建的实验系统具有更高的整体性、开放性和灵活性。学生在实验过程中可以很好地利用平台组件化、软件化的思维进行一个完整、复杂通信系统的搭建和实验,同时学生可以很好地衔接前边分别基于硬件、软件的相关知识点实验,实现学生在实验中由点到系统的知识结构进阶。

表3 依托MATLAB仿真软件开展的通信原理软件实验情况

这种实验方式对于在学期末进行综合性、整体性的课程实验有非常明显的优点,且对于学生有较高的知识结构要求,富有挑战性,是对学生这门课程所学知识点的综合应用的最佳途径。

四、结论

本文通过“新工科”建设要求下的通信原理课程要求进行了系统性分析,调研了目前国内各高校开展同类实验所使用的方法和配套实验设备,针对通信原理课程中各相关知识点的具体要求,分析了适合各类知识点进行配套实验的最佳手段,提出了针对课程中不同知识点要求的多层级实验课程体系,通过硬件、软件和软件无线电平台等多种手段开展实验教学。通过针对2019级量子信息工程专业学生按照新体系进行实验课程开展的情况统计和总结,学生对于实验课的参与兴趣明显提升,实验辅助课程知识点的学习效果很好,学生建立通信系统整体框架概念的情况很好,基本达到了“新工科”建设所要求的学生工程意识的建立和学生动手实践能力的提升。

从成绩的角度来看,学生通信原理实验课程成绩相较于以往有10%左右的提升,学生评教成绩较以往有5%左右的提升。通过多层级实验课程体系的锻炼,目前已经有30余名学生将软件无线电平台应用于“互联网+”、挑战杯、全国大学生电子设计大赛等高校学生课外竞赛实践活动中,多人次在全国赛和省级赛中获奖。从多层级实验课程体系实施过程中的反馈意见来看,学生反映的问题主要集中在课程难度的提升,使部分基础相对薄弱的学生不能很好跟上实验开展的进度,后期需要任课教师在学生补齐基础短板方面多增加一些学时以及有针对性的指导,保证新的实验课程体系惠及全体学生。