通信原理實驗教學創新研究

【摘 要】實驗是通信原理課程的重要教學環節，本文在對該課程一般實驗教學方法、原則基礎上，根據通信新技術的發展趨勢，探索并規劃了一些系統級開發性實驗，為通信原理教學提供新思路。

【關鍵詞】通信原理實驗 通信新技術 探索 開發性實驗

通信原理是通信與信息工程學科的核心骨干課程，主要講授調制、解調、編碼、解碼、同步、復用等原理，其內容繁多復雜、涉及面廣、技術發展快，數學理論推導和抽象概念多，不易理解。對于通信原理課程的教學，僅僅依托傳統教學模式的理論講授是不夠的，理論講授與實驗并舉，已成為全國高校的普遍模式，而且通信專業越強的高校，其實驗課時比重就越大，實驗內容就越豐富。

通信理論發展很快，在日常生活通信系統中經常應用的QPSK、MSK、GMSK等調制方式的無線傳輸系統，已無法在簡單實驗平臺上進行全系統模擬實驗，但若只依靠教員講解原理這樣的傳統教學方式，又而造成教學項目缺失，且教員難教、學員難學等教學效率低下問題。針對這一突出問題，已開設了大量地原理驗證實驗，但這些實驗對于那些學習有余力、追求更高學習目標的學員來講還是遠遠不夠的。為了化解這一矛盾，同時響應素質教育改革的號召，在原理驗證實驗的基礎上增設自主開發實驗就顯得十分必要。

目前，幾乎所有實際應用的無線通信系統，都采用了超大規模集成電路與軟件數字信號處理相結合的方式實現，這實質上是軟件無線電思想的具體應用。自主開發性實驗則也順應了大量使用ARM、FPGA、CPLD和DSP等超大規模集成電路與軟件數字信號處理相結合的方式實現通信功能這一新趨勢，在硬件平臺基礎上增設QPSK傳輸系統實驗、π/4DQPSK傳輸系統實驗、MSK及GMSK傳輸系統實驗、CDMA傳輸系統實驗、漢明編碼譯碼實驗、可變分頻器實驗、m序列的產生實驗、幀同步實驗、CDMA擴頻調制解調實驗、卷積編碼器實驗等，這些實驗主要供研究生和做畢設的本科生在教員指導下使用，但這些實驗并不像原理驗證性實驗一樣，有實驗指導書等實驗詳細操作流程，可供參考的資料僅僅是原理資料和完成目標。

幀同步是數字通信系統中重要組成部分，又被稱為時鐘同步或時鐘恢復。在接收數字信號時，為了對接收碼元積分以求得碼元能量以及每個接收碼元抽樣判決，必須知道每個接收碼元準確的起止時刻[1]。在設置開發性實驗伊始，以循序漸進為原則，設定了幀同步實驗、卷積編譯碼器實驗、GMSK傳輸系統實驗等。現就幀同步實驗為例，詳細講解開發性實驗的操作過程。首先，將學員納入某科研小組（組長為負責該實驗的教員），接受小組管理；其次，將實驗過程中需要用到的資料（鎖相環相關資料）、實驗平臺（FPGA試驗箱）交給學員，并根據學員自身知識結構和實驗難易程度給出一段時間（一般不超過一周）對這些資料進行學習、消化，完成后，學員以文檔形式要給出數字鎖相環總體設計框圖和具體實現方案，再通過小組討論，確定完整方案后即可付諸實施（從小組討論到確定方案最多不超過3天）；再次，由小組組長根據方案和實驗難易程度情況將實驗分成若干環節，并要求他們在規定時間內（每環節一般不超過一周）完成每一環節既定目標；最后，根據實驗過程中得到的數據、調試記錄、文檔等給出1～2天時間完成實驗報告和總結。

假定將某位學員納入某科研小組后，經過一周時間資料重點學習后，最終確定如圖1所示開發性實驗——數字鎖相環的原理實現框圖。根據框圖小組組長可將數字鎖相環實現分成四個階段，分別為：第一階段——鑒相器和N分頻器實現；第二階段——K變模可逆計數器實現；第三階段——脈沖加減器實現；第四階段——系統整體調試、驗證。

在確定以上四階段后，即可制定每一階段的實現周期：第一階段1天，第二和第三階段分別為3天，第四階段4天。每一階段的完成情況都需要小組討論、確定實際完成既定目標情況或修改方案，討論通過后，方可進行下一階段。通過以上四階段的進行，可以看出這類實驗的重點和難點在于最后的系統調試、驗證階段。該階段要求將前幾個相互獨立的階段成果連接起來，作為一個完整小系統來調試，如果這個小系統還是其他更大系統的一部分時，要評估該小系統的完整性、穩定性、健壯性，就必須將該小系統放入大系統中進行調試、驗證。如果說前三個階段是鍛煉學員的學習能力、編程能力、仿真能力，那么在第四階段將小系統放入大系統中進行聯合調試、驗證，往往是鍛煉學員調試能力、故障定位能力、故障排除能力、創新能力最好時機，因而需要教員善于引導、善于授漁。從這里也不難看出，開發性實驗不僅僅是對學員各種能力的鍛煉、提高，同時也是對教員自身素質的一種較高要求。因而，開發性實驗的開展受益是多方面的。

通過以上例子的詳細講解，不難發現開發性實驗是對具體通信鏈路的軟硬件模塊化、模塊再設計，并對這些設計進行了合理有效的規劃，使學員能腳踏實地的完成每一個過程。這樣不僅可以鞏固書本上的理論知識，還可以提高學員對通信原理課程的創新能力、應用能力和規劃能力。

利用開發性設計實驗室，吸收學員參加科研和實驗改革，培養學員分析問題的能力、探索能力和創新能力。開發性實驗設計是培養學生創造思維的一條有效途徑，對于求知欲強、實驗興趣濃、動手能力強的學員，教員應鼓勵他們做自己愛好的項目或組成團隊參加具體的課題或項目研究。

【參考文獻】

[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理（第6版）[M].北京：國防工業出版社，2012.