基于微課和MATLAB的通信原理實驗教學改革探索*

◆羅麗平 韋文山 周 衛

基于微課和MATLAB的通信原理實驗教學改革探索*

分析采用實驗箱開設通信原理實驗的不足，提出應用微課和MATLAB進行通信原理實驗教學的優點。以QPSK調制與解調實驗為例，詳細說明基于微課和MATLAB的實驗教學設計與實現思路。結果表明，利用微課和MATLAB能有效增強通信原理實驗教學的效果，有助于學生對理論知識的理解。

通信原理實驗；微課；MATLAB；教學改革

1 前言

通信原理是電子通信類專業非常重要的一門專業基礎課［1-2］，在本科教學中占有舉足輕重的地位，也是很多高校研究生入學考試必考課程之一。然而這門課程理論性很強、數學公式推導多，學生學習起來覺得非常抽象難懂。因此，開好實驗課就顯得十分重要。通過實驗，學生能夠形象真切地觀察通信過程中信號的傳播、調制與解調過程，從而加強對理論知識的理解，并提高動手能力和分析問題、解決問題的能力。

目前，廣西民族大學通信原理實驗課教學都是在實驗箱上進行，屬于驗證型實驗。實驗箱雖然使用方便，操作簡單，但從筆者多年教學情況來看，使用實驗箱開設通信原理實驗存在以下幾個方面的問題。

1）實驗指導書上有明確的實驗步驟，學生完全不需要理解實驗原理，按照步驟接線就可以看到實驗結果，對結果也不加以分析，導致做完實驗后依然不懂得原理，實驗效果不好。

2）實驗箱中的模塊系統結構已經固化，參數已基本設定好，實驗方式機械，不便于擴展實驗內容，不利于培養學生的創新思維。

3）實驗箱容易損壞，學生使用示波器不熟練，經常需要教師幫忙調試。

由此可以看出，使用傳統的實驗教學工具和方法，并不能達到預期的教學效果，有必要對通信原理實驗教學模式進行改革。

2 微課和MATLAB應用于通信原理實驗教學的優勢

近年來，微課隨著“翻轉課堂”和“可汗學院”在全球迅速走紅而成為教育界關注的熱點話題。微課作為一種新型的教育信息資源形式，以其“主題突出、短小精悍、交互性好、應用面廣”等特點被廣泛認可，也將是高校教學資源庫建設的方向。在信息化、大眾化和全球化背景下，微課教學將在高校課程與教學改革中發揮重要的作用［3-4］。教師可以選擇相應的微課視頻輔助教學，學生可以在課下根據需求進行預習和復習。具體到通信原理實驗教學這門課程，教師可以制作一些實驗教學案例的視頻供學生預習，學生依照案例進行擴展，通過自己動手動腦完成實驗任務，從而達到良好的教學效果。

在通信原理教學中，很多教師借助MATLAB仿真來輔助教學［5］。利用MATLAB強大的圖形處理功能和計算功能，可以形象直觀地展現一些抽象的概念和信號傳輸及調制解調過程，從而加深學生對所學知識的理解。利用MATLAB來開設通信原理實驗，可以不受實驗設備、條件、時間和學時等限制，學生可以利用課余時間進行。通過MATLAB編程，還可以加強學生對通信原理理論知識的理解和提高學生的計算機應用能力。

3 基于微課和MATLAB的通信原理實驗教學案例

本節以QPSK（四進制移相鍵控）調制與解調實驗為例，說明如何在通信原理實驗中應用微課和MATLAB仿真軟件。

QPSK調制的基本原理 在數字移相鍵控中，要傳輸的數字信息隱藏在載波的相位之中。由于載波相位的范圍是0≤θ≤2π，則用于傳輸數字信息的載波相位就是θm=2πm/M（m=0，1，...，M-1），稱為MPSK。其中M=2n，當M=4時就為QPSK。載波相位總共有M個可能的取值，待傳輸的數字信息是M進制符號，每個符號由n位二進制比特流組成。具體到QPSK，總共有4個符號，每個符號由2位二進制比特流組成，即00、01、11、10，載波相位為θm∈｛0，π/2，π，3π/2｝。邏輯關系如表1所示。

表1 QPSK信號相位編碼邏輯關系

QPSK信號的產生 QPSK信號的產生方法有兩種：調相法和相位選擇法。在MATLAB中產生QPSK信號的思路是：首先產生一串范圍在（0，1）之間均勻分布的隨機數，如果該隨機數在（0，0.5）之間，則對應的二進制比特為0，否則就是1；再由相鄰的兩個二進制比特組成一個四進制符號00、01、11、10，從而實現串并轉換。再依據表1所示的相位邏輯關系實現相位映射，如此產生QPSK信號。具體的MATLAB代碼如下：

圖1 QPSK系統仿真模型圖

QPSK解調與檢測 解調是從已調信號中提取消息信號的過程。解調有兩種方法：相干解調和非相干解調。在數字通信中，解調和檢測可以互用，其中解調側重于波形的恢復，而檢測側重于碼元的判決。理想情況下，QPSK信號si經由AWGN信道傳輸，疊加了高斯白噪聲n，檢測器觀察到的信號為r=si+n。最佳檢測器將接收到的信號r投射到4個可能的傳輸信號向量si上，并判決對應于最大投影的信號就是傳輸的QPSK信號。將判決結果與發送的信號向量進行比較，用差錯計數器對檢測器產生的符號差錯進行計算，從而計算出解調差錯概率。QPSK系統仿真模型如圖1所示。

在MATLAB中通過語句“noise=sigma*（randn+1i*randn）”產生復數加性高斯白噪聲。檢測器進行映射判決的MATLAB代碼如下所示：

圖2 QPSK蒙特卡羅仿真的差錯概率值與理論值的比較

實驗結果及擴展分析 按照以上思路編寫完整的MATLAB代碼，實現QPSK調制與解調仿真，檢測器的差錯概率結果如圖2所示。從圖中可以看出，蒙特卡羅仿真值與理論值的曲線基本重合，驗證了仿真思路的正確性。

將本節所述內容通過教師講解、代碼解讀、圖片展示，制作成微課視頻，并附上完整的MATLAB代碼，上傳到本校的教學資源網，供學生下載學習，學生也可以反復觀看微課。通過理論講解和代碼演示相結合的方式，可以幫助學生更好地理解實驗原理，學習如何在MATLAB中進行通信系統仿真。通過這個例子，學生可以擴展到衰落信道下QPSK系統的仿真，還可以擴展到MPSK、MPAM、MFSK、MQAM等系統的仿真。此外，教師可以鼓勵學生將好的實驗作品制作成微課，供所有學生學習。這樣能激發學生做實驗的積極性，提高他們的動手能力和創新能力。

4 結語

本文通過一個案例說明微課和MATLAB在通信原理實驗教學中的作用。通過案例可以看出，微課視頻能很好地幫助學生進行課前預習及觀摩練習，有助于學生理解實驗原理，從而節省實驗教學的時間。而MATLAB可以形象直觀地顯示調制解調的實現過程及實驗結果，能進一步加深學生對理論知識的理解。因此，結合微課和MATLAB對通信原理實驗教學形式進行改革，能增強實驗效果，提高學生的動手能力和創新水平。■

［1］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.6版.北京∶國防工業出版社，2006.

［2］曹志剛，錢亞生.現代通信原理［M］.北京∶清華大學出版社.2008.

［3］李莉，顧朝志，李世寶.基于微課教學模式的通信類課程教學平臺建設［J］.課程教育研究，2014（2）∶247.

［4］李敏，朱永丹，李時東.MOOC環境下通信原理課程教學研究［J］.教育教學論壇，2015，10（41）∶161-162.

［5］鐘麗輝，呂丹桔.基于MATLAB的通信原理實驗教學改革［J］.電子設計工程，2012，20（6）∶76-78，82.

Experiment Teaching Reform on Communication Principle based on Micro-lecture and MATLAB

LUO Liping， WEI Wenshan，ZHOU Wei

In this paper， the short points of the experiments for com munication principle on the experiment case are analyzed， and then the advantages of applying the micro-lecture and MATLAB into the teaching of the communication principle experiment are put forward. Taking the modulation and demodulation of QPSK signal for example， the teaching design and realization based on microlecture and MATLAB are described in detailed. The results show that the experiment teaching ef f ect can be prompted greatly and the students can benef i t from the teaching reform.

communication principle experiment； micro-lecture；MATLAB； teaching reform

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0125-03

◆羅麗平 韋文山 周 衛

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.125

*項目來源：2016年廣西高等教育教學改革工程項目（2016JGA180）；2013年廣西民族大學教育教學改革工程項目；2015年廣西高校青年教師教學業務能力提升計劃項目（第二期）。

作者：羅麗平，廣西民族大學信息科學與工程學院副教授，研究方向為無線通信；韋文山，廣西民族大學信息科學與工程學院教授，研究方向為教育技術；周衛，廣西民族大學信息科學與工程學院副教授，研究方向為移動計算（530006）。