通信原理實驗教學改革與實踐

許正榮，賈賢龍，李 陽，陳祎瓊

（1.安徽農業(yè)大學信息與計算機學院，安徽合肥 230036；2.合肥工業(yè)大學實驗室與裝備處，安徽合肥 230009）

通信原理實驗課程是通信、電子信息工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)實驗課，是通信原理課程教學工作的重要組成部分。隨著現(xiàn)代通信和計算機的發(fā)展，數(shù)字通信和通信新技術的研究將更為重要，也給通信原理的實驗教學帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，部分學校通信原理實驗課的開展方式主要是利用實驗箱教學，電路結構相對固定，多數(shù)實驗只需作導線連接和可變電阻器的更換與阻值的調節(jié)，學生獨立思考和自主設計實驗的機會很少，也很難收到理想的教學效果［1］。

我校的專業(yè)設置大多以農業(yè)為主，通信與電子信息工程專業(yè)通信原理實驗課的開設僅有七八年時間，在實驗教學上存在著實驗室建設規(guī)模小、實驗知識點單一、實驗設備需要更新等問題。同時，通信原理課程涵蓋知識面較廣，主要涉及高頻電子線路、信號與系統(tǒng)、隨機過程等課程［1］，概念多而難以理解，學生很難做到得心應手。為了進一步提高通信原理實驗課程的教學質量，培養(yǎng)學生成為具有科學思維方法和較強動手能力的高素質的工程技術人才，我們從多個方面完善和改革該課程的實驗教學，并以2FSK（二進制頻移鍵控）信號［2］的產生及FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實現(xiàn)為例，闡述多種方法結合在實驗教學中的優(yōu)勢。

1 教學內容

當前，數(shù)字通信、通信新技術以及現(xiàn)代通信的網絡化、寬帶化和智能化將成為時代前進的主要標志。為了提高專業(yè)的適應性、培養(yǎng)學生的動手能力，通信原理實驗課程的教材和教學內容必須與科技發(fā)展同步。因此，我們認真分析研究了國內外多種與該課程相關的經典教材，結合我校通信類專業(yè)的辦學特色和學分制教學特點，自編了一套實驗教材。同時，我們在內容設置上從2個方面進行了適當?shù)恼{整和修改。

首先，我們將實驗內容進行分類，設置為基礎型和提高型實驗?；A型實驗以實驗箱上的驗證實驗為主，包括各個單一知識點的演示、2個或多個知識點的簡單綜合，例如單一的數(shù)字調制實驗等。而提高型實驗則以軟件仿真為主，輔之硬件驗證與測試環(huán)節(jié)，主要包括各個知識點的設計性與綜合性實驗［3］，例如數(shù)字調制系統(tǒng)實驗等。其次，針對我校學生自身存在的差異性，在教學內容的選擇上適當采用“菜單式”實驗，保證不同程度的學生“吃飽吃好”。對于基礎知識薄弱的學生，可以通過完成全部基礎型實驗和小部分提高型實驗而達到學習目的；對于學有余力和潛心鉆研的學生，則可以在完成實驗教學要求的前提下，再根據(jù)自己的興趣和特長，選擇合適的提高型實驗，實現(xiàn)自己的目標。通過教學內容的合理設置，不同程度的學生都可以循序漸進地掌握實驗方法，提高實驗技能。

2 教學手段

2.1 注重基礎型實驗，以提高動手能力

對于基礎型實驗，我們注重提高實驗教學的理論層次，讓學生掌握通信原理實驗中的基本概念、基本電路和基本方法，培養(yǎng)他們綜合運用各種實驗調試方法與技能。每次實驗課，在教師的指導下，將學生分成1～2人的小組，每小組成員獨立完成實驗電路圖分析、導線連接、數(shù)據(jù)測試與實驗記錄，實驗完成后每位學生都必須分析數(shù)據(jù)、遞交實驗報告。在本學期結束之前隨機抽取實驗，適當增減限制條件進行實驗測試，并作為實驗考核的內容之一。通過基礎實驗的訓練，絕大多數(shù)學生的動手操作能力都得到了明顯的提高。

2.2 加強提高型實驗，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子線路的傳統(tǒng)設計方法逐漸被現(xiàn)代設計方法所替代。而運用Matlab、SystemView、LabView、QuartusⅡ等仿真軟件在現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計中顯得越來越重要［3－6］。當然，對于不同的軟件仿真手段在教學仿真演示中的優(yōu)點和不足，需要根據(jù)教學仿真目的的不同而進行適當?shù)倪x擇。例如，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用不同糾錯編碼方式的目的是提高通信系統(tǒng)的可靠性，而糾錯編碼的理論性很強，許多概念也較難理解。為此在讓學生學習理論知識的同時，輔之驗證性、設計性、研究性的實驗是非常必要的。我們選用糾錯編碼中較典型的一種糾錯編碼——循環(huán)碼，在Qu－artusⅡ軟件中進行實驗的設計輸入、仿真驗證、編程下載和硬件測試，簡單靈活地讓學生體驗了差錯控制的全過程［5］?；谲浖抡娴膶嶒灲虒W，使每個通信原理實驗都具有非常好的系統(tǒng)性和靈活性，從而可以大大提高學生對實驗的興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

2.3 結合科研活動，以升華教學效果

科研活動本身是一種在已有知識基礎上進行的探索性活動，先前所學知識和積累的經驗在科研工作中會被直接或間接利用。在大學實驗教學過程中，一定要重視對學生科研能力的培養(yǎng)，并將那些與授課內容關聯(lián)的科研成果內化為教學內容，以實際問題引出思考，讓學生看到和學到所學知識的應用。例如在2FSK 教學中，產生相位連續(xù)的2FSK 的方法主要有傳統(tǒng)的壓控振蕩器法和現(xiàn)代的直接數(shù)字頻率合成技術（DDS），我們選用現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的方法（科研課題的一部分），將多門課程（如可編程邏輯器件的應用、信號處理、自動化、數(shù)學等）及多種軟件（如Matlab 中的DSPBuilder、simulink、modelsim、quartus2、labview 等）相結合，多方法、多渠道去解決問題，既讓學生提高了將所學理論知識轉化為認識和解決實際問題的能力，也在較大程度上激發(fā)了學生的主觀能動性和創(chuàng)造力。

另外，積極鼓勵學生參加課外科技活動也是運用科研活動促進教學的很好的方式之一。在教師的指導下，學生可以參與多種創(chuàng)新大賽，例如，大學生科學技術創(chuàng)新大賽、全國大學生電子大賽、建模大賽等。這些活動有利于學生擴大知識面，建立合理的知識結構，同時，也能讓學生將所學知識串聯(lián)起來，進而提高動手能力、創(chuàng)新能力、概括能力、文字表達能力，甚至溝通能力。

3 教學實踐

產生2FSK 信號是現(xiàn)代調制技術中的一個典型實驗，2FSK 有相位不連續(xù)（discrete phase frequency shift keying，記作DPFSK）和相位連續(xù)（continuous phase frequency shift Keying，記作CPFSK）2種類型，CPFSK 具有較高的頻譜利用率和恒包絡特性。對于二進制DPFSK 實驗，我們可以在實驗箱上直接完成，而二進制CPFSK，我們則采用一種新型的頻率合成技術——DDS（direct digital synthesizer），即直接數(shù)字合成器。主要是運用DDS方法生成頻率可控的正弦信號，利用數(shù)字基帶信號控制DDS的頻率字輸入，從而產生相位連續(xù)的調制波形［7－11］。

3.1 設計流程

利用Altera公司的DSP 開發(fā)工具DSP Builder建立的二進制CPFSK 信號產生模型，將Matlab／Simulink的設計文件（.mdl）轉成相應的硬件描述語言VHDL設計文件（.vhd），以及用于控制綜合與編譯的TCL腳本，最后由FPGA／CPLD 開發(fā)工具QuartusⅡ來完成［12－13］。設計流程圖如圖1所示。

3.2 實驗模型

在圖2 所示的二進制CPFSK 產生模型中，DDS結構由8位累加器作為相位累加器，采用改變相位增量來控制頻率的方法，可以產生相位連續(xù)的調制波形。此2FSK 模塊輸出的是無符號的調制波形（初始值為128），在實際應用中，數(shù)據(jù)輸出Out8 需要經過DAC進行數(shù)模轉換，然后經過低通濾波器后產生最終的模擬輸出信號。

圖1 設計流程圖

圖2 基于DDS的二進制CPFSK 信號的產生模型

3.3 實驗仿真

3.3.1 系統(tǒng)級仿真

使用Matlab中的Simulink可以更加方便地對系統(tǒng)進行可視化建模，并進行基于時間流的系統(tǒng)級仿真（如圖3所示），使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來。在圖3中，高電平控制的時候，正弦波的頻率較高，而低電平的時候正好相反，高頻約為低頻的4倍。

圖3 Simulink模型仿真波形

3.3.2 RTL級功能仿真

系統(tǒng)驗證仿真正確后，使用 ModelSim 完成VHDL描述的RTL 級功能仿真，生成.mdl文件，是針對具體的硬件結構的。如果不考慮時延，則其RTL功能仿真與系統(tǒng)級仿真結果完全一致。

3.3.3 門級時序仿真

為了更加精確地反映電路的全部硬件特性，需要進行門級的時序仿真。在QuartusⅡ環(huán)境下，先編譯.vhd文件，選擇目標器件EP1K30TC144－3［7］，再次編譯、仿真。時序仿真波形如圖4 所示。第一個數(shù)字128為無符號CP2FSK 已調波形的初始值。

圖4 使用QuartusⅡ的仿真波形

3.4 實驗驗證

最后，我們在實驗箱上測試驗證二進制CPFSK的仿真結果。引腳鎖定后，選擇實驗模式5，再將設計下載到目標器件EP1K30TC144－3 中，當變換控制鍵為高電平或低電平時，實驗箱上的數(shù)碼管顯示燈分別快閃爍或慢閃爍，即頻率分別為f1（高頻）或f2（低頻）變化；此外，在高速D／A 轉換器的輸出端，可以用示波器觀測到相位連續(xù)的2FSK 信號（見圖5）。實驗結果與理論結果相比，有一定的時延。

圖5 實驗所得的CP2FSK 信號波形

4 結束語

在分析我校通信原理實驗教學特點的基礎上，提出一些完善和改革舉措。并提出一種基于DDS方法產生二進制CPFSK 信號的實驗方案，該方案是單純在實驗箱上進行驗證性實驗的有益補充與提高，充分體現(xiàn)了軟件仿真在通信原理實驗教學上的優(yōu)勢，使原本生疏難懂的實驗充滿了靈活性和挑戰(zhàn)性。實踐證明，這些措施的綜合運用在培養(yǎng)學生的動手能力、分析和解決問題的能力、正確的思維方法及嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L等方面起著不可替代的作用。

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