數字通信原理實驗教學改革初探

摘 要：文章就驗證性實驗教學方法進行了改進，同時將SystemView通信仿真軟件引入到綜合性實驗教學，最后增加了設計性實驗項目。實踐證明，以上方法很好的解決了數字通信原理實驗教學中存在的問題，培養和提高了學生的實踐創新能力，極大地激發了學生的學習熱情。

關鍵詞：通信原理課程 實驗教學教學改革 實踐創新

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

數字通信原理是電子信息類專業非常重要的專業基礎課，它為后續專業課程的學習打下了堅實的基礎，該課程的特點是：理論性強，數學表達式多，概念籠統復雜，而相應實驗課程的開設，不僅可以幫助學生理解和掌握該課程的基本內容，而且還可以提高學生的動手能力，培養學生的創新思維。因此，如何更好地開展數字通信原理實驗教學，對提高教學質量，提升學生的綜合能力具有重要意義。

目前，我校的數字通信原理實驗仍停留在實驗箱這種傳統的硬件設備上，學生只需進行連線操作，然后使用示波器測量波形即可完成。這種實驗平臺單一，實驗電路極少采用現行的邏輯編程器件或數字信號處理芯片，有的雖然采用了邏輯編程器件，但信號已經在這種器件中編好，學生無法真正使用這些邏輯編程器件或數字信號處理芯片進行相關的設計，學習效果有限。在實驗性質上，大多都采用“N+1”的模式，“N”為驗證性的基礎實驗，學生在驗證性實驗過程中的學習積級性不高，而“1”為綜合性實驗，這種模式缺少設計性實驗，無法滿足學生實踐創新能力的培養。

針對以上問題，我們在實驗平臺的選取上，采用軟硬件相結合的辦法，以實驗箱為硬平臺，將CPLD/FPGA可編程器件引入進來，強化學生的硬件編程能力。同時將SystemView通信仿真軟件作為軟平臺，構建模塊化實驗系統，充分利用各種平臺的優勢，達到更優的實驗教學效果；實驗模式采取“驗證性實驗”+“綜合性實驗”+“設計性實驗”，不同的實驗模式采取不同的實驗平臺；在實驗教學的過程中，改進教學方法激發學生的學習熱情，引導學生綜合運用所學知識，獨立分析和解決問題，注重培養學生的實踐創新能力。

一、結合電子技術基礎理論，改進驗證性實驗教學方法

1 培養學生綜合運用所學知識的能力

驗證性實驗的開設，是為了幫助學生理解數字通信原理課程中抽象的原理和復雜的概念。比如：脈沖編碼調制PCM編譯碼原理、增量調制編譯碼系統和糾錯譯碼實驗等。在實驗平臺的選取上，使用傳統的實驗箱設備，每個項目在實驗時間安排上緊跟相應的理論教學，這要求實驗教師與理論課老師緊密協作，有助于學生及時消化課堂上還不太理解的知識點。此類實驗主要由學生根據實驗指導書上的步驟自主完成，所以在編寫實驗指導書時應適當加入相應的通信原理理論，同時要求學生運用已經學過的知識分析實驗過程中產生某種實驗現象的原因，引導學生自主學習。

2 培養學生獨立分析和解決問題的能力，激發學生的學習熱情

實驗電路一般由很多元器件和各種專用集成芯片組成。由于這些元器件和芯片本身的特性，學生在進行實驗操作時難免會遇到這樣或是那樣的問題，此時我們會引導學生綜合運用所學知識，獨立分析出現問題的原因，然后解決問題，真正做到將理論與實踐相結合，從而激發學生的學習熱情。例如：在做PCM編譯碼時實驗時，需要先將CPLD可編程芯片產生的方波送人同步信號源模塊轉換成正弦波，然后將這個正弦波作為模擬信號送入到PCM編碼輸入端，有些學生發現經方波轉換出來的正弦波出現了嚴重的頂部失真，而有些則出現了底部失真的問題。這時，教師不應該只指導學生調整電路中的某個元件來解決問題，而應該引導學生結合所學的模擬電子技術、數字電子技術和高頻電子線路等專業基礎知識來分析電路圖，找到產生問題的原因。實際上這個問題是由于送入到同步信號源模塊輸出級射級跟隨器的信號幅值過大或過小造成，射級跟隨器采用三級管實現，在模擬電子技術中，輸人電壓幅值過大會使三級管器件工作在截止狀態，而輸入電壓幅值過小會使之工作在飽和狀態。教師在指導學生時，不光要讓學生知道解決問題的方法，而且還要讓學生明白為什么要這樣做，只有這樣，學生學習起來才有熱情和積極性。

二、將System view通信仿真軟件引入到綜合性實驗教學中來

基于System view的通信系統仿真實驗，與傳統實驗箱相比，更趨于綜合性和系統性，強化了學生對所學通信原理知識的整體認識，建立系統概念，同時引導他們向設計性實驗過渡。

1 實現對通信系統準確的模擬仿真

SystemView通信仿真軟件是一款用于構建視圖化系統模型的開發工具，可用于通信類、電子信息類專業中涉及的系統進行構建、仿真、分析和評估。它由信號源、器件庫、分析工具構成。利用SystemView軟件進行通信系統仿真設計，實現簡單，不需要編程，不需要搭建復雜的硬件電路。反映的物理概念和現象直觀明確，模塊化設計便于全面了解系統構成和各模塊的功能，對通信系統中各模塊的參數也可重新設置，分析參數變化對系統性能的影響，對相應輸出信號的頻域和時域的波形進行動態觀察分析。實驗得出的信號波形不會像實驗箱平臺那樣存在或多或少的失真和延時，實驗結果更加準確。比如，利用SystemView提供的信號源、相乘器，濾波器、延遲器、抽樣判決器等功能模塊能準確的模擬2FSK、2PSK/DPSK等數字通信系統。

2 使學生更好地把握通信系統模塊功能，提高學習效果

在使用SystemView通信仿真軟件對系統進行仿真之前，學生必須對各模塊的功能非常熟悉。比如，在做2FSK調制解調系統、2PSK/2DPSK調制解調系統及眼圖實驗時，首先利用SystemView提供的功能模塊組建2FSK、2PSK/DPSK等系統，然后結合眼圖來檢測信道噪聲和碼間串擾對各種數字通信系統通信質量的影響，用以加深學生對數字通信系統組成原理的總體把握和理解，依據模塊在整個系統中的所起的具體功能，需要進一步設計模塊中的重要參數，如，對于濾波器模塊，需要設計濾波器的類型和帶寬，這樣有助于學生對各個模塊功能的更深層次的理解，極大的提高了學生的學習興趣和學習效率。

三、增加設計性實驗項目

1 培養和提高學生的實踐創新能力

設計性實驗不僅要求學生掌握一定的知識和實驗技能，還要求他們能靈活地、創造性地綜合運用這些知識和技能。它在激發學生的創新欲望、培養學生的創新能力方面所起的作用是驗證性實驗和綜合性實驗無法代替的。在進行設計性實驗教學時注意啟發引導，發揮學生的主體性，對學生創造力的培養非常有效。對于設計性實驗，教師先介紹設計過程和設計題目，學生通過查資料、咨詢等方式，獨自設計初步方案，計算實驗參數。在這個過程中，要求學生充分利用通信系統仿真軟件System View，學生設計的方案仿真通過后，可畫出原理圖，設計安裝布線圖，列出元件清單，經教師指導修改后，才可開始焊接制作。制作完成后，由學生獨自調試反復實驗，測定參數，滿足設計要求后由教師驗收。最后，由學生撰寫設計報告。整個實驗過程自始至終由學生獨立思考，獨立設計，自己動手。

2 因材施教地設置設計性實驗內容

由于學生的基礎和專長不同，我們在安排設計性實驗項目內容時，設計性實驗題目的難度是有所區別的，以便于學生根據自身特點來選擇適合自己的實驗項目，最大限度地激發學生的創造性。例如：

課題1 時分復用TDMA硬件系統電路的設計

要求：設計一個含有兩路用戶的TDMA實驗系統，輸出的兩路時分復用信號波形觀察直觀，明了，盡量不失真，沒有毛刺和抖動，波形穩定性效果好；采用PCM編譯碼芯片TP3067搭試電路；主時鐘工作在2048kHZ，幀同步脈沖為8kHZ脈沖序列，編碼時鐘為2048kHZ，這些信號要求采用CPLD／FPGA可編程器件實現；傳輸的兩路用戶信息分別用正弦波信號和三角波信號模擬。

課題2 用同步正交鎖相環提取位同步信號的硬件電路設計

要求：設計一個PSK調制解調器，要求調制器輸出的載波失真度<3％，在無干擾時，解調器能正確還原輸入調制器的偽隨機碼，提取出的位同步信號波形沒有毛刺和抖動，波形穩定性效果好；調制載波為1024kHZ正弦波，輸入調制器的數字基帶信號采用周期為15的偽隨機碼，其速率為32kb/s，這些信號要求用CPLD/FPGA可編程器件實現。

其中，課題1要求學生初步掌握了PCM編譯碼原理后，綜合運用此原理來設計實現多路復用，要求采用CPLD/FPGA可編程器件實現的信號也較簡單，專門針對基礎較薄弱的學生，而課題2要求學生熟練的掌握PSK調制解調原理和鎖相環的用法，然后才可能設計電路，且要求采用可編程器件實現的信號也較復雜，專門針對基礎較扎實、硬件編程能力強的學生。綜上所述，它們滿足了不同層次的學生自主學習和協作學習，達到了因材施教的目的。

四、結束語

在近兩年的數字通信原理實驗教學改革過程中，采用這種軟硬件相結合的綜合實驗平臺，注重引導學生綜合運用所學知識，獨立地分析和解決問題，同時增加設計性實驗項目等，極大地提高了學生的學習興趣，學生的實踐創新能力也得到了顯著增強。

參考文獻

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(文字編輯、責任校對：龐龍斌)