通信原理实验教学探讨
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）29-0073-02
通信原理课程是通信工程、信息工程、网络工程、信息对抗等电子信息类专业的一门重要理论课程，也是一般专业基础课与专业课之间的“桥梁”课程，承担着从一般基础理论到实践应用、从个体功能到整体系统的重要过渡，对培养学生通信理论分析与综合应用能力有着非常重要的作用。[1]
然而，该门课程理论性强，公式和相关数学推导繁多，许多概念和原理非常抽象，这就需要在理论教学中合理而高效地引入实验环节，将枯燥抽象的概念和原理具体化、形象化。这样，既可以让学生深入地掌握理论知识，又可以提高学生的学习兴趣，锻炼学生的实际动手能力。
一、通信原理实验教学现状
1.传统的实验箱教学模式
目前的通信原理实验教学主要采用传统的通信原理综合实验箱进行验证性实验。学生在整个实验过程中只需根据实验内容找到相应的电路板模块，然后按照实验操作步骤进行简单的连接电路和拨动开关就可以利用示波器观察输出波形和相关数据。实验操作简单，验证效果直观形象，能够加深学生对相关理论的理解。
然而，这种实验箱模式的实验教学对培养学生综合思维能力、创新能力和动手能力方面所起的作用不大，主要体现在：第一，学生在做这类实验时往往不考虑实验原理，不做电路分析，只是机械地在实验箱电路板上进行连线测试，在预留的测试点观察波形和数据，甚至波形和数据是否正确都不知道。实验做完后，通过抄写实验指导书上的实验步骤和公式，简单整理数据便形成了实验报告，导致实验报告几乎是千篇一律。第二，这类验证性实验动手调节部分少，实验过程中也几乎不会遇到操作难点，这样经过两到三次实验后，学生对这种就是“看波形”的实验不再感兴趣，学习积极性下降，自然影响对通信原理理论知识的理解和掌握。
2.计算机仿真实验教学模式
传统的实验箱教学模式，一台套的实验设备包括通信原理综合实验箱、示波器、万用表、函数信号发生器、误码测试仪等，并且一般情况下需要购置20台套才能基本满足实验开课需求，花费非常大。因此，采用计算机进行仿真实验是很好解决实验室建设经费紧张的教学模式。
通常应用于通信原理课程实验的仿真软件主要有两种[2，3]：一是Matlab中的Simulink仿真平台。该平台可以进行交互式的动态仿真，用户可以利用模块框图方便地设计出仿真模型，不需要对模块内部进行任何的硬件和软件设计，仿真过程简单，结果形象。二是System View软件。利用该软件进行系统设计时，只需从配置的图符中调出有关图符，进行各个图符的参数设置和相互间的连线，即可进行仿真操作，给出分析结果。
计算机仿真的实验教学模式开设简单，方式灵活，既可以在多媒体课堂教学中演示，也可以以作业的形式让学生课后练习，能很好地加强学生对抽象概念的理解和感性认识，促进通信原理理论部分的理解和掌握；然而，计算机仿真教学模式同传统实验箱模式类似，只能给学生提供直观形象的波形展示，理解整个通信系统的模块组成，而各模块功能如何具体实现学生仍然未知，限制了学生从认知系统到设计系统的能力提高过程。
二、通信原理三级实验教学模式
针对上述通信原理实验教学存在的弊端，笔者所在的教学团队根据多年的实验教学探索，摸索出一条行之有效的三级实验模式，即验证性实验、仿真实现型实验、综合设计型实验逐级提高的实验教学模式。我校的通信原理实验课程通常包含10课时的课程实验和一周左右的课程设计，因此前两级实验安排在课程实验中进行，而综合设计型实验安排在课程设计中进行。具体的实验教学内容如下：
1.验证性实验
该级实验主要让学生掌握各类通信系统的模块构成以及通信信号在经各模块处理后的波形变化，使学生对抽象的通信原理理论有直观形象的感性认识。这部分实验可以通过通信原理实验箱进行或者利用更灵活的计算机仿真实现。在此以Simulink平台并以DSB调制解调系统为例进行说明。首先利用Simulink提供的模块库，找到构建系统所需的信号发生器、DSB AM调制模块、高斯信道模块、DSB AM解调模块以及波形显示模块（如图1所示），然后设置相关模块的仿真参数并连接即可。由于实验课学时有限，该级实验可以分解为课程实验、课堂演示实验以及课后作业式实验，使学生能尽可能多地完成一些典型的通信系统。
2.仿真实现型实验
初级的验证性实验可以简单地对理论知识进行验证与演示，但学生对模块内的结构原理缺乏细节性认识和掌握，因此也就无法较深刻地理解掌握理论知识。基于此，让学生脱离仿真软件模块，自主实现相应的模块功能既能促进对理论知识的深刻理解，又能增强算法实现能力，为后续的综合设计型实验打下较好的基础。以图1为例，DSB AM调制模块主要考虑实现调制信号和载波信号的乘积运算；高斯信道模块可以用已调信号和高斯噪声信号的加法运算来实现；而DSB AM解调模块则除了进行待解调信号与载波信号的乘法运算外，还需设计低通滤波器对乘积信号进行低通滤波处理。从该例可以看出，只有对DSB AM调制解调系统有非常清晰的原理性认知，才能有的放矢地设计相应的仿真性算法；同时，借助前一级的验证性实验所观察到的波形规律，可以很轻松地对仿真性的波形结果进行判定，以方便算法中相关参数和设计性结构的调试。显然，这一过程对通信原理相关知识从理论到实践有了更透彻清晰的理解和掌握。 3.综合设计型实验
通常情况下，学生在学习通信原理课程前已经学习过有关EDA技术的课程。EDA技术是现代电子设计技术的核心，它以EDA软件工具为开发环境，采用硬件描述语言，以可编程器件为实验载体，可实现源代码编程、自动逻辑编译、逻辑分割、逻辑综合、布局布线、逻辑优化和仿真等功能，并以ASIC、SOC芯片为目标器件，是以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计技术。[4]因此，将EDA技术引入到综合设计型实验中，学生不仅要进行硬件设计，也需要利用硬件描述语言（如VHDL语言）进行软件编程，是学生硬件和软件综合设计能力的培养。
为方便说明，以简单的振幅键控（ASK）解调系统为例，其相应的建模方框图如图2所示。解调器包括分频器、计数器、寄存器和判决器等。分频器对时钟信号进行分频得到与发端数字载波相同的数字载波信号；寄存器在时钟的上升沿到来时把数字ASK信号存入到寄存器中；计数器利用分频器输出的载波信号作为时钟信号，在其上升沿到来时对寄存器中的ASK载波个数进行计数，当计数值m > 3时输出为“1”，否则输出为“0”；判决器以数字载波作为判决时钟，对计数器输出信号进行抽样判决，并输出解调后的基带信号。根据上述建模思想进行VHDL语言编程，然后进行编译和时序仿真后，下载到FPGA目标器件中，以实现硬件设计功能。
该级实验主要采用课程设计的形式，也可以以科技创新活动的形式开展。时间相对充裕，学生可以有充分的时间查找资料，论证设计方案，验证实验结果。通过该级实验可以发挥学生的主观能动性，提高学生分析问题、解决问题的能力，为学生以后进入工作岗位提供很好的动手锻炼机会。
三、三级实验模式教学成效
多年来，笔者所在的教学团队根据学生的学习反馈，兼顾理论教学需要和学生的学习兴趣，不断调整上述各级实验的实验项目和要求，取得了明显的成效。首先，通信原理课程的学习兴趣提高，课程不及格率呈逐年下降趋势；其次，学生进行电子通信系统设计的兴趣明显增强，报名参加校级和全国性电子设计大赛的人数逐年增加，也取得了较好的成绩。如2013年有15组学生分别获得全国大学生电子设计大赛湖北赛区一、二、三等奖；再次，考研学生以通信原理作为专业课的人数逐年增加，毕业论文选题为通信系统设计方向的也明显增多。
四、结语
采用三级实验教学模式，由易到难，循序渐进推进通信系统的认知和设计，能有效克服学生的畏难情绪，逐渐培养学生的学习兴趣，使学生能更深刻地理解和掌握通信原理相关理论和知识，为后续课程的学习和工作实践打下了良好的基础。
