基于微课和MATLAB的通信原理实验教学改革探索
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）10-0125-03
Experiment Teaching Reform on Communication Principle based on Micro-lecture and MATLAB//LUO Liping， WEI Wenshan，
ZHOU Wei
Abstract 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 micro-lecture and MATLAB are described in detailed. The results show that the experiment teaching effect can be prompted greatly and the students can benefit from the teaching reform.
Key words communication principle experiment； micro-lecture； MATLAB； teaching reform
1 前言
通信原理是电子通信类专业非常重要的一门专业基础课[1-2]，在本科教学中占有举足轻重的地位，也是很多高校研究生入学考试必考课程之一。然而这门课程理论性很强、数学公式推导多，学生学习起来觉得非常抽象难懂。因此，开好实验课就显得十分重要。通过实验，学生能够形象真切地观察通信过程中信号的传播、调制与解调过程，从而加强对理论知识的理解，并提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
目前，广西民族大学通信原理实验课教学都是在实验箱上进行，属于验证型实验。实验箱虽然使用方便，操作简单，但从笔者多年教学情况来看，使用实验箱开设通信原理实验存在以下几个方面的问题。
1）实验指导书上有明确的实验步骤，学生完全不需要理解实验原理，按照步骤接线就可以看到实验结果，对结果也不加以分析，导致做完实验后依然不懂得原理，实验效果不好。
2）实验箱中的模块系统结构已经固化，参数已基本设定好，实验方式机械，不便于扩展实验内容，不利于培养学生的创新思维。
3）实验箱容易损坏，学生使用示波器不熟练，经常需要教师帮忙调试。
由此可以看出，使用传统的实验教学工具和方法，并不能达到预期的教学效果，有必要对通信原理实验教学模式进行改革。
2 微课和MATLAB应用于通信原理实验教学的优势
近年来，微课随着“翻转课堂”和“可汗学院”在全球迅速走红而成为教育界关注的热点话题。微课作为一种新型的教育信息资源形式，以其“主题突出、短小精悍、交互性好、应用面广”等特点被广泛认可，也将是高校教学资源库建设的方向。在信息化、大众化和全球化背景下，微课教学将在高校课程与教学改革中发挥重要的作用[3-4]。教师可以选择相应的微课视频辅助教学，学生可以在课下根据需求进行预习和复习。具体到通信原理实验教学这门课程，教师可以制作一些实验教学案例的视频供学生预习，学生依照案例进行扩展，通过自己动手动脑完成实验任务，从而达到良好的教学效果。
在通信原理教学中，很多教师借助MATLAB仿真来辅助教学[5]。利用MATLAB强大的图形处理功能和计算功能，可以形象直观地展现一些抽象的概念和信号传输及调制解调过程，从而加深学生对所学知识的理解。利用MATLAB来开设通信原理实验，可以不受实验设备、条件、时间和学时等限制，学生可以利用课余时间进行。通过MATLAB编程，还可以加强学生对通信原理理论知识的理解和提高学生的计算机应用能力。
3 基于微课和MATLAB的通信原理实验教学案例
本节以QPSK（四进制移相键控）调制与解调实验为例，说明如何在通信原理实验中应用微课和MATLAB仿真软件。
QPSK调制的基本原理 在数字移相键控中，要传输的数字信息隐藏在载波的相位之中。由于载波相位的范围是0≤θ≤2π，则用于传输数字信息的载波相位就是θm=2πm/M（m=0，1，...，M-1），称为MPSK。其中M=2n，当M=4时就为QPSK。载波相位总共有M个可能的取值，待传输的数字信息是M进制符号，每个符号由n位二进制比特流组成。具体到QPSK，总共有4个符号，每个符号由2位二进制比特流组成，即00、01、11、10，载波相位为θm∈{0，π/2，π，3π/2}。逻辑关系如表1所示。
QPSK信号的产生 QPSK信号的产生方法有两种：调相法和相位选择法。在MATLAB中产生QPSK信号的思路是：首先产生一串范围在（0，1）之间均匀分布的随机数，如果该随机数在（0，0.5）之间，则对应的二进制比特为0，否则就是1；再由相邻的两个二进制比特组成一个四进制符号00、01、11、10，从而实现串并转换。再依据表1所示的相位逻辑关系实现相位映射，如此产生QPSK信号。具体的MATLAB代码如下： QPSK解调与检测 解调是从已调信号中提取消息信号的过程。解调有两种方法：相干解调和非相干解调。在数字通信中，解调和检测可以互用，其中解调侧重于波形的恢复，而检测侧重于码元的判决。理想情况下，QPSK信号si经由AWGN信道传输，叠加了高斯白噪声n，检测器观察到的信号为r=si+n。最佳检测器将接收到的信号r投射到4个可能的传输信号向量si上，并判决对应于最大投影的信号就是传输的QPSK信号。将判决结果与发送的信号向量进行比较，用差错计数器对检测器产生的符号差错进行计算，从而计算出解调差错概率。QPSK系统仿真模型如图1所示。
在MATLAB中通过语句“noise=sigma*（randn+1i*randn）”产生复数加性高斯白噪声。检测器进行映射判决的MATLAB代码如下所示：
实验结果及扩展分析 按照以上思路编写完整的MATLAB代码，实现QPSK调制与解调仿真，检测器的差错概率结果如图2所示。从图中可以看出，蒙特卡罗仿真值与理论值的曲线基本重合，验证了仿真思路的正确性。
将本节所述内容通过教师讲解、代码解读、图片展示，制作成微课视频，并附上完整的MATLAB代码，上传到本校的教学资源网，供学生下载学习，学生也可以反复观看微课。通过理论讲解和代码演示相结合的方式，可以帮助学生更好地理解实验原理，学习如何在MATLAB中进行通信系统仿真。通过这个例子，学生可以扩展到衰落信道下QPSK系统的仿真，还可以扩展到MPSK、MPAM、MFSK、MQAM等系统的仿真。此外，教师可以鼓励学生将好的实验作品制作成微课，供所有学生学习。这样能激发学生做实验的积极性，提高他们的动手能力和创新能力。
4 结语
本文通过一个案例说明微课和MATLAB在通信原理实验教学中的作用。通过案例可以看出，微课视频能很好地帮助学生进行课前预习及观摩练习，有助于学生理解实验原理，从而节省实验教学的时间。而MATLAB可以形象直观地显示调制解调的实现过程及实验结果，能进一步加深学生对理论知识的理解。因此，结合微课和MATLAB对通信原理实验教学形式进行改革，能增强实验效果，提高学生的动手能力和创新水平。
