“通信原理”課程多元化實驗教學方法

王丹+張高遠+吳紅海+謝萍

摘 要：通信原理課程是一門理論性與實踐性都很強的專業基礎課，在通信工程專業的課程體系結構中起著至關重要的作用。該文針對傳統實驗教學中存在的手段單一和軟硬件實驗關聯度差的不足，在實驗手段方面進行改革，提出THKCS-A型硬件實驗平臺、Matlab仿真平臺和Labview虛擬儀器軟件相結合的多元化實驗教學方法，提高學生理論聯系實際的能力，實現改善學生學習質量和激發學習興趣的目標。

關鍵詞：通信原理 多元化實驗教學 實驗手段

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0214-04

通信原理課程是一門理論性與實踐性都很強的專業基礎課，在通信工程專業的課程體系結構中起著至關重要的作用，是學習諸如移動通信、光纖通信以及數字通信等后續課程的基礎，其教學的重點在于讓學生理解基本概念和原理、掌握相關的分析方法和有關通信系統的重要結論。該課程特點是內容較多， 知識面廣， 概念抽象， 系統性強，理論更新快，同時強調理論和實踐的融會貫通[1-4]。

該項目針對傳統實驗教學中存在的一些不足，從實驗教學手段方面給出一些改革的措施和探索。通過對實驗教學方法方面的改良，調動學生學習本課程的積極主動性，提高實驗教學質量和效果，達到培養適應現代科學技術發展的高質量創新型人才的目的。

1 通信原理課程實驗教學發展現狀

傳統的實驗教學手段的不足之處在于：實驗教學方式單一，并且硬件實驗和軟件仿真是分離而獨立的，無法做到真正的理論和實際相結合，學生處于被動學習的模式。因此建議將實驗內容在軟硬件實驗平臺上進行統一，并進行關聯，這樣可以極大地激發同學們學習的興趣，變被動為主動，不僅可以促進實驗教學的靈活性和多樣化，而且可以提高學生的實際動手動力和理論分析能力，并可增進學生求職和工作時的自信心。

2 提出的實驗教學方案

目前，在該課程實驗教學方案中，我們設置了8個課時的硬件實驗，4個課時的Matlab軟件仿真實驗以及4個課時的Labview虛擬儀器仿真實驗，授課方式采用了軟件仿真和硬件設計相關聯的多元化實驗教學方式。和傳統實驗教學手段不同，該課程將浙江天煌科技有限公司的THKCS-A型硬件實驗平臺、Matlab仿真平臺[5]和Labview虛擬儀器仿真軟件平臺[6]相結合，可以克服傳統硬件實驗平臺靈活性差及和軟硬件仿真平臺關聯度差的不足。

3 多元化實驗教學方案實例與分析

3.1 THKCS-A型硬件實驗平臺實例

以增量調制編譯碼實驗為例。該實驗內容是利用數字雙蹤示波器觀測增量調制的編譯碼波形。在THKCS-A型實驗平臺上，TP1是頻率為4096 kHz的主時鐘信號，TP3和TP4分別是頻率為32 kHz的編碼時鐘和譯碼時鐘信號。TP5：輸入頻率為1 kHz、幅度為2 V峰-峰值的音頻信號，TP6與TP5波形相同。TP7為本地譯碼信號；TP10譯碼輸出信號，TP7與TP10是反向的，即譯碼電路延時了半個周期。TP8為編碼輸出信號，TP9為譯碼輸入信號，需要短線將其與TP8相連。TP11：模擬輸出音頻信號。將其與TP5比較，可以進行增量調制的系統性能的測試。

增量調制編碼基本原理是指用一位編碼，這一位碼不是表示信號抽樣值的大小，而是表示抽樣幅度的增量特性。其實驗結果由圖1所示，由于正弦波過零處曲線斜率最大，所以有連“0”或連“1”碼出現；對應正弦波的波峰或者波谷，由于曲線此處斜率為零，所以此處有“0”碼和“1”碼交替出現。該現象和增量調制的原理和理論是相吻合的。

由圖2所示，根據增量調制的編碼原理，即“1”碼表示信號幅值下降，而“0”碼表示信號幅值上升。得到的信碼輸出的波形為TP8，然后通過短線將TP8連接TP9，將增量調制的信碼送入譯碼器進行譯碼。譯碼器使用和編碼器編碼原則相對應的譯碼準則進行譯碼，即遇到1碼波形減值，遇到0碼波形增值恢復出譯碼輸出信號TP10，結果如圖3所示。可以看出，編碼過程中幾乎沒有出現空載噪聲和過載噪聲，TP7緊緊跟隨原音頻信號的變化，本地譯碼信號TP7與譯碼輸出信號TP10是反向的，這是因為電路處理的延時導致了譯碼電路延時了半個周期。最后，將TP10波形送入低通濾波器進行平滑處理得到最終的模擬輸出音頻信號TP11。但是，由于量噪比和電路噪聲的存在，TP11和和輸入的音頻信號TP5并不是完全相同的，而是存在一定的失真。我們也可以進一步通過該實驗平臺結合雙蹤示波器觀測進行增量調制系統性能測試的實驗。

3.2 Matlab仿真實例

在工程領域中，Matlab特別適用于一些需要做大量數據運算處理的復雜應用。我們同樣可以使用Matlab軟件實現增量調制編碼的仿真驗證工作。所不同的是3.1小節硬件實驗平臺使用的是鋸齒波，而Matlab軟件使用的是梯形波。假設在相同的音頻輸入信號的條件下，量化階距為1，由Matlab實現的增量調制仿真結果如圖4所示。結果表明：由原音頻信號和解碼結果對比來看，在輸入信號變化平緩的部分（斜率為零），編碼器輸出1碼和0碼交替，相應的解碼結果以正負階距交替變化形成顆粒噪聲，稱空載失真；在輸入信號變化過快的部分，解碼信號因不能跟上信號的變化而引起斜率過載失真。通過在Matlab軟件仿真平臺中靈活的調整量化階距值，可以發現：量化階距越小，則空載失真就越小，但是容易發生過載失真；反之，量化階距越大，則斜率過載失真減小，但空載失真增大。該實驗結果和理論分析是一致的。

比較使用THKCS-A型實驗平臺進行的增量調制實驗中，使用Matlab軟件仿真增量調制實驗具有靈活性高、價格低廉、易于實現和便于分析的優勢，而硬件實驗平臺的實驗結果考慮了電路延時等實際因素，更加接近于實際情況，具有更高的實踐指導意義。所以，二者并不能相互替代，而是需要進行有效地結合，才能提供給學生更加完善有效的實驗環境，更好地激發學生的自主學習熱情，有效地提高學生的設計分析能力。