现代通信原理实验
实验教案
杨 斌
实验一 数字基带信号及传输
一、实验目的：
1．了解单极性码、双极性码、归零码、非归零码等基带信号的产生原理及其波形的特点。
2．掌握ＡＭＩ码、ＨＤＢ３码、双相码的编码规则。3．掌握插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。4．学会设计简单的时分多路信号传输系统。
二、实验内容：
1．用示波器观察单极性非归零码（ＮＲＺ），传号交替反转码（ＡＭＩ），三阶高密度双极性码(HDB3)。
2．改变码序列，比较其单极性码，ＡＭＩ码，ＨＤＢ３码波形，并验证是否符合其编码规则。3．观察ＨＤＢ３编码中的四连零检测、补Ｖ、加Ｂ补奇、单／双极性变换的波形，并验证是否符合编码规则。
4．观察并比较单、双极性码（非归零、归零）、时钟信号、时序信号及双相码的波形和相位特点。
5．分析电路，设计实验方案，产生100％占空比的AMI码，比较100％占空比AMI码与50％占空比AMI码的功率谱。（选作）6．分析电路，设计实验方案，产生不同码速率的信息。（选作）7．尝试用信源电路的组合，产生其它码型。（选作）
三、预习要求：
1．复习教材中有关基带信号及时分复用的内容。2．认真预习本实验指导书的工作原理和实验内容。
3．熟悉有关器件的功能及其应用方法以及两模块框图的信号流程和设计原理。4．对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。
四、实验仪器：、两路3A直流稳压电源
一台
2、双踪示波器
一台
3、频率计
一台
4、数字信源模块
一块
5、HDB3编译码模块
一块
6、频谱仪
一台（选做）2
五、基本实验参考实验步骤： 1．熟悉信源模块的工作原理。
2．调整直流电源输出分别为＋１２Ｖ，－１２Ｖ。3．用示波器观察数字信源模块上的各种波形。
（1）接通电源
用示波器观察两个通道探头分别接Ｐ１０的２５６kHZ时钟和Ｔ２０的单极性归零码并观察其波形。
（2）用Ｕ２１产生Ｘ１１１００１０（Ｘ为任意码，１１１００１０为７位帧同步码）、Ｕ２２、Ｕ２３、Ｕ２４产生任意信息代码，并观察本实验中集中插入帧同步码时分复用信号帧结构以及ＮＲＺ码的特点。
（3）用示波器观察P１９~P２１，P２２，P２３各点的波形。
（4）用示波器观察AMI码与单极性归零码的关系。（5）观察T１、T２、T３、T４四路时序信号的相位关系。（6）观察单极性非归零码与双相码的波形关系。
七、实验报告要求：
１．根据实验观察和记录各点波形（用座标纸绘），并分析波形与理论是否相符。２．比较不同信码中的ＡＭＩ码与ＨＤＢ３码波形是否相同，为什么？
３．什么是时序信号，比较各时序信号的相位关系，并分析时序信号在信号合路时的作用。
实验二
HDB3编、译码实验
一、实验目的： １． 加深对HDB3编、译码的工作原理的理解。２． 了解HDB3编码与译码器的电路组成及工作过程。３． 了解HDB3码信号中提取位同步信号（时钟）的方法。
二、实验内容： １． 观察HDB3编码器中的四连零检测、补V、加B补奇、单／双极性变换以及
HDB3码的波形，并验证是否符合编码规则。２． 观察HDB3译码器中的双／单极性变换、Ｖ码检测及扣Ｖ扣Ｂ后的译码波形以及时钟提取电路输出的位同步信号波形。３． 手动加入误码时，观察解码输入和检错显示。４． 当输入信码为外加伪随机信码时，设计实验方案观察输入信码和HDB3码的功率频谱。（选做）５． 设计实验方案，观察与比较100％占空比HDB3码与50％占空比HDB3码的功率谱。（选做）
三、预习及预习报告要求： １． 预习本实验的工作原理和实验内容。２． 对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。
四、实验仪器：、两路3A直流稳压电源
一台
2、双踪示波器
一台
3、频率计
一台
4、数字调制模块
一块
5、数字解调模块
一块
6、频谱仪
一台（选做）
五、实验报告要求：
１．根据实验观察和记录各点波形（用座标纸绘），要求绘出３２位码的完整波形，并分析波形与理论上的是否相符。
２．若把对应的ＡＭＩ码送入ＨＤＢ３译码中会出现什么现象？并说明道理。３．本实验的误码检测电路只能检测哪类误码差错，为什么？ ４．对本实验有何体会，有何改进意见？
实验三 数字调制与解调
2FSK调制与解调
一、实验目的：
1、了解二进制移频键控2FSK信号的产生过程及电路的实现方法。
2、了解非相干解调器过零检测的工作原理及电路的实现方法。
3、了解相干解调器锁相解调法的工作原理及电路的实现方法。
二、实验内容：
1、了解相位不连续2FSK信号的频谱特性，了解频偏△f=(f1-f2)/2不同时，传输2FSK信号所需带宽的情况与2ASK信号带宽进行比较。
2、了解2FSK（相位不连续）调制，非相干、相干解调电路的组成及工作原理。
3、观察2FSK调制，非相干、相干解调各点波形。
4、了解畸变信道模拟电路的原理，畸变信号送入过零检测电路与锁相解调电路，会产生如何结果。（选作）5、2FSK信号保持f1=1024KHz.改变f2使f2-f1=3fs时，改变f2使f2-f1=2fs时解调器解调效果。（选作）
6、改变f1、f2的频率大小，观察不同调制指数下的调制解调效果。（选作）
7、利用实验模块的电路，设计出其它解调方法，并自行验证。（选作）
三、预习要求：
1、复习教材有关2FSK调制与解调的理论。
2、复习模拟锁相环的原理和实验方法。
3、认真预习本实验指导书的工作原理和实验内容。
1、对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。
四、实验仪器：、两路3A直流稳压电源
一台
2、双踪示波器
一台
3、频率计
一台
4、数字调制模块
一块
5、数字解调模块
一块
7、频谱仪
一台（选做）
五、实验报告要求
1、将数字调制器、过零检测器、锁相解调器观察输出波形画出，并给以必要的 说 明。
2、画图时将波形的相位关系正确表示出来，若波形之间产生相位差说明原因。
3、通过实验说明各种解调方法各有什么优缺点。
4、本实验有何收获，请提出改进意见。
2PSK、2DPSK调制与解调
一、实验目的
1、了解2PSK、2DPSK的调制原理及电路的实现方法；
2、掌握绝对码、相对码相互变换方法；
3、了解2PSK调制与解调存在的相位含糊问题；
4、了解2PSK、2DPSK的相干解调原理及电路的实现方法
二、实验内容
1、用示波器观察2PSK、2DPSK调制器信号波形与绝对码比较是否符合调制规律；
2、用示波器观察2PSK、2DPSK信号频谱；
3、用示波器观察2PSK、2DPSK信号解调器信号波形；
4、观察相位含糊所产生的后果；
5、观测绝/相、相/绝变换的规律，设计出另一种定义的绝/相、相/绝变换电路，并测试。（选作）
6、设计实验方案，比较不同信道带宽下调制解调的性能。（选作）
7、利用各种实验模块的电路，自行组合出差分非相干解调的实验。（选作）
8、加入噪声后，设计实验方案测试误码情况。（选作）
三、预习要求：
1、复习教材有关2PSK、2DPSK的调制与解调的理论。
2、复习绝/相、相/绝变换的原理。
3、认真预习本实验指导书的工作原理和实验内容。
4、对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。
四、实验仪器
1、两路3A直流稳压电源一台
2、频率计一台
3、双踪示波器一台
4、数字调制模块一块
5、数字解调模块一块
6、频谱仪一台
7、连接线若干
五、实验报告要求
1、画出2DPSK调制器、相干解调器详细方框图。
2、根据实验测试记录依次画绝对码为11101100时2DPSK调制器、相干解调器各点波形，并作必要说明。
实验四 P CM 基带通话系统设计
一、实验目的
1、将所做过的独立实验内容综合运用，组成两个采用PCM的2人可通话的基带传输系统。
2、了解独立实验模块在系统实验中所起的作用。改变独立实验模块的参数，直观感受对系统的影响。
3、掌握独立实验模块之间正确的连接方法。
二、实验内容
1、掌握独立实验模块之间正确的连接方法。
2、连接不用时域均衡器的PCM两人通话的基带传输系统。
3、连接使用时域均衡器的PCM两人通话的基带传输系统。（选作）
4、设计实验方案，用其它线路码进行基带传输系统。（选作）
注意：以上实验信号的流程是单向的。要实现2人通话，将耳机交叉后。
三、预习要求
1、复习教材前面相关各章节的理论。
2、认真预习本实验指导书的工作原理和实验内容。
3、对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。
四、实验仪器
1、两路3A直流电源一台
2、频率计一台
3、示波器一台
4、数字信源模块、数字调制模块、载波、时钟提取模块、数字解调模块、帧同步提取模块、终端模块、PCM编译码模块各一块。
5、连接线若干
五、实验原理
1、不使用时域均衡器模块的基带传输系统：
该系统传输的HDB3码是理想码，即不产生畸变、也不需采取均衡措施。基带传输系统发端：包括PCM编码器、HDB3编码器、复接器等。这些电路都以数字信源模块的时钟相位作为基准，因此PCM编码器所需的时钟、帧同步信号、主时钟都是由信源模块提供。其信号流程图如下：
基带传输系统收端：包括HDB3译码器、时钟提取电路、帧同步提取模块、终端模块，这些电路都是后面模块以前面模块的时钟相位作为基准。因此，PCM译码器需要外时钟、外帧同步信号。而主时钟可根据集成电路的要求，采用异步时钟。我们采用PCM模块自身的主时钟2048KHz。其信号流程如下图：
2、使用时域均衡器的基带传输系统：
该系统所传输的HDB 3码产生畸变。这是模拟传输线传输中的由于时延、衰减等等造成的信码畸变。在收端必须采用均衡的办法加以弥补。其信号流程如下图：
基带传输系统发端时相同的，收端则增加了时域均衡器。在时域均衡器内有信码畸变电路，它应该属于传输线部分。除此之外还有时钟提取电路，它真实的反映了收端时钟的产生过程。在收端同样是后面的模块以前面模块的时钟相位为基准。
使用时域均衡器模块的基带传输系统实验，应该复习时域均衡器模块实验的内容和方法，当信码畸变电路固定后，正确调整可变系数求和电路，使得眼图波形张开最大。改变时钟延时使其处于最佳取样时刻，否则会产生大量误码使信号中断。
六、实验步骤
1、连接好整个系统的电源线和信号线
2、连接不使用时域均衡器的基带传输系统
3、采用数等衬言源模块、时域均衡器模块，复习正确调试时域均衡器的方法
4、连接使用时域均衡器的基带传输系统
七、实验报告
1、画出发端、收端关键波形，且绘出相位关系
2、画出可通话2DPSK方框原理图
关键词：通信原理实验,实验教学,教学改革
引言
《通信原理》课程是工科院校电子信息工程、通信工程专业的一门专业基础课[1,2],该课程的学习为以后的《移动通信》、《光纤通信》以及《扩频通信》等相关通信课程的开设奠定了重要的基础。然而,由于该课程理论性较强,公式推导较多,对于一个初学者来说,一时很难系统的掌握通信理论知识。因此,本课程实验课的开设就显得尤为重要。
1 传统实验教学不足之处
目前,各高校都开设了《通信原理》课程实验,其实验过程基本相同,即:实验前教师对实验目的、实验原理等问题进行分析说明,然后让学生在设备生产商提供的实验箱上进行实验,并记录实验数据[3]。在教学一线的教师可能都体会到,这种教学方式并没有获得一个良好的教学效果,很多学生甚至在完成实验之后,都还不清楚这些实验数据是否正确。而且这种实验教学方式过于单一,缺乏对学生的实际动手能力的培养,不利于他们进一步深造和发展[4]。
为此,本文阐述了一种行之有效的实验教学方法,不仅能够加深学生对理论知识的掌握,同时也培养了学生的动手能力。
2 实验教学总体架构
该课程实验教学主要从以下三个方面进行改革:
第一、精选实验内容。《通信原理》课程是通信领域中的一门基础课程,而通信技术发展的一个显著特点是日新月异,因此,实验内容的选择就显得尤为重要,既要注重基础知识,又要跟踪最新技术,同时还要能够提高学生动手能力。依上述原则,我们在内容设置上主要采取了以下措施:
(1)将实验项目内容分为两大类:验证型和设计型。验证型实验的目的是让学生对相关的基础知识进行验证,加深对知识点的理解和掌握;设计型实验的教学目的是让学生在已有的知识水平的基础上结合最新技术,独立设计实验方案,完成实验内容。
(2)教材选取上,我们吸取当前各类参考资料之优点,结合教学大纲以及最新技术,自行编写实验教材,并不断更新完善,这样就避免了市场上现有教材不能及时更新知识的不足。
第二、改变实验方式。根据实验内容及大纲要求,实验过程也相应的进行调整,主要分为以下几个阶段:
(1)预习阶段:对于验证型实验,实验前要求学生按照给定的电路原理图对系统进行仿真,即:通过软件仿真方式来完成实验内容;对于设计型实验,主要采取的教学方法是只提出实验要求,让学生按照要求通过查阅相关资料、方案设计、仿真及系统搭建等过程来完成实验内容。目前我们所用的仿真软件主要有NI multisim 10.1、matlab、proteus等常用软件。在仿真结果正确的前提之下,要求学生根据仿真电路原理图,利用相应硬件,自己设计、搭建、测试实验系统。
(2)实验测试阶段。由于实验室设备、器件较全,因此实验的测试在实验室完成。通过相应点的测试来完成实验内容。
3 教学实施与教学效果
由于搭建电路以及查找器件相关资料需要花费不少时间,因此课前的预习就显得尤为重要。对于验证型实验,要求学生预习时按照提供的电路图在面包板上搭建好电路;课堂上,主要让学生按照实验要求,对自己搭建的电路进行测试,记录实验数据完成实验。例如:伪随机序列(即:m序列)产生实验,该实验主要通过由D-触发器、异或门及与非门组成的反馈移位寄存器电路产生m序列。实验前,要求学生在理解实验原理的前提下,根据实验电路图查找相关器件使用守则,如:哪个引脚是接电源,器件工作电压是多少等;然后按照电路原理图在面包板上搭建好电路;课堂上,学生在自己搭建的电路上完成实验内容,记录实验中测得的数据。由于这种实验方式与以往的不同,因此,在第一次实验中大部分学生都会遇到电路不通的问题,而且并不知道如何检查电路。这现象正说明了学生动手能力差;同时也说明了以前的实验教学方式并不能提高学生的动手能力。通过这样的几次实验教学之后,几乎所有的学生都能独立的解决实验中出现的各种问题。
经过一个学期的实践教学之后,学生不仅很好的掌握了通信知识,而且还增强了动手能力,感受到学习的乐趣。通过调查问卷发现,该班所有的学生都感觉到自己的动手能力大大加强,学习兴趣受到很大的激发,希望以后的实验课都采用这种教学方式。
4 结语
本文主要针对目前高校《通信原理》课程实验教学的不足,对该课程实验过程进行改革,并应用到实际教学。通过教学实践表明:这种教学方式在很大程度上使学生的认识能力、实践能力和应用能力得到了全面的培养和提高,完全达到了实验教学改革的目的。同时,为其他课程实验的改革提供了一个良好的参考。
参考文献
[1]樊昌信,张甫翊,徐炳祥等.通信原理(第五版)[M].北京:国防工业出版社,2001
[2]南利平,李学华,张晨燕等.通信原理简明教程(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2007
[3]夏平,覃琴,万钧力等.“通信原理”实验教学体系构建与实践[J].电气电子教学学报,2008,30(2):114-115
关键词：卓越工程师，现代通信原理，教学改革，能力培养
中国分类号：H191
Abstract： Taking EIP-CDIO launched by Shantou University as a guiding principle， we perform the teach reform to promote the core undergraduate course “Principles of modern Communication”for the Deparment of Electronic Engineering. We focus on cultivating students ability of practice and thought of integration， excellent engineers training for the future and for the enterprises. This teach reform can provide a reference for the similar courses in China.
Key words： Excellent engineers， Principles of modern Communication， teach reform， ability training
现代通信原理（Principles of modern Communication）是通信工程专业的主要专业基础课程之一。本课程的教学目的是使学生了解通信系统的基础知识，掌握通信系统的分析和设计的基本理论、基本知识、基本技能，了解通信技术的应用和发展趋势，培养学生分析问题、解决问题的能力，为学习后续专业课程及从事通信技术实际工作打下初步基础，学完本课程后学生应能够掌握通信系统的基本知识，分析简单的通信系统的抗噪能力，按照要求设计出实用的通信系统，并了解通信技术的应用和发展趋势[1-2]。
另一方面，现代高新技术企业对高校毕业生提出了越来越高的要求，希望能达到卓越工程师的培养要求[3-4]。具体来说，除了希望他们具有扎实的理论基础外，更看重毕业生的能力培养，包括1）发现问题和表述问题能力。2）建模能力。3）仿真实验能力。4）查询印刷资料和电子文献的能力。5）批评性思维及整合思维的能力。6）组建有效的团队合作能力。7）时间和资源的管理能力。近几年高校毕业生就业形势非常严峻，但那些具有卓越工程师实践能力的学生却往往能找到理想的工作。这表明高校应进一步加强对学生实践能力的培养，使学生能更好的适应社会需求。相应地，《现代通信原理课程》需要做出教学改革，着力培养适应未来社会需求的卓越工程师。具体改革措施如下：
1、精简传统教学内容，提炼培养目标与知识点，明确熟练程度的要求，设计预期学习结果。
传统的《现代通信原理》课程教学侧重于理论教学，传授的知识点多且杂，学生难以全部掌握，反而学习效果不好。为此有必要通过精简教学内容，提炼核心知识点，这样既方便学生掌握，也不会降低课程的整体要求。此外，严格按照布鲁姆教育要求[5-6]，明确需要掌握的熟练程度，设计预期的学习结果，从而确保了知识点的减少不会影响课程知识的传授，反而会提升对学生能力的培养。经过多个学期的教学实践，汕头大学电子系通信教研组为《现代通信原理》设计的培养目标、核心知识点、熟练程度及预期学习结果。
参考文献
[1] 樊昌信，《现代通信原理》，北京国防工业出版社， 第六版， 2006.9.
[2] 曹志刚， 钱亚生，《现代通信原理》， 清华大学出版社 1992年.
[3] 文进， 以创新教育为导向的卓越工程师培养模式[J]， 中国科教创新导刊， 2011， 12：12-14.
[4] 林健， “卓越工程师教育培养计划”专业培养方案再研究[J]， 高等工程教育研究， 2011， 4：10-17.
[5] 常经营， 兰伟彬， 布鲁姆教育目标分类的新发展[J]， 南阳师范学院学报， 2008， 5：84-86.
BPSK(DBPSK)调制+汉明码系统测试
一．实验目的
1.加深信道调制解调器在通信系统中的地位及作用； 2.熟悉信道误码对话音通信业务的影响； 3.加深认识纠错编码在通信系统中的作用及性能。
二．实验器材
1.JH5001通信原理综合实验系统 2.20MHz双踪示波器 3.电话机二部
三．实验内容
1.准备工作
(1).将通信原理综合实验系统上电话1 模块内发、收增益选择跳线开关K101、K102设置在N 位置（左端），电话2 模块内发、收增益选择跳线开关K201、K202 设置在N 位置（左端）；DTMF1 模块内增益选择跳线开关K301 设置在N 位置（左端），DTMF2 模块内增益选择跳线开关K401 设置在N 位置（左端）；ADPCM1模块内输入信号选择跳线开关K501 设置在N 位置（左端），发、收增益选择跳线开关K502、K503 设置在N 位置（1_2：左端），输入数据选择跳线开关K504设置在ADPCM2 位置（中间）；ADPCM2 模块内输入信号选择跳线开关K601设置在N 位置（左端），发、收增益选择跳线开关K602、K603 设置在N 位置（1_2：左端），输入数据选择跳线开关K604 设置在CH 位置（左端）；
(2).DTMF1 模块内增益选择跳线开关K301 设置在N 位置（左端），DTMF2 模块内增益选择跳线开关K401 设置在N 位置（左端）；
(3).将汉明编码模块工作方式选择开关SWC01 设置在和汉明编码器工作（H_EN），开关位置00010000；将汉明译码模块输入数据和时钟选择开关KW01、KW02设置在CH 位置（左边），汉明译码使能开关KW03 设置在工作ON 位置（左端）；将输入数据选择开关KC01 设置在DT_SYS(左端：同步数据输入)；(4).将解调器模块载波提取环路开关KL01 设置在1_2 位置（左端：闭环），输入信号选择开关KL02 设置在1_2 位置（左端），加入噪声；
(5).将噪声模块输出电平选择开关SW01 设置最小噪声电平位置（10000001），此时信噪比较高；
(6).用中频电缆连接K002 和JL02，建立中频自环；(7).将2 部电话机分别接入PHONE1 和PHONE2 插座；
(8).加电后，用示波器测量测试点TPMZ07 有脉冲则系统运行正常；(9).通过菜单选择调制方式为“BPSK 传输系统”，调制器输入信号为“外部数据信号”工作方式设定“ADPCM 编码”方。
2.加噪环境的ADPCM话音通信质量测试
(1).将汉明编码模块工作方式选择开关SWC01中ADPCM数据接入，开关位置00011000；通过电话拨号接通电话，使两端电话处于正常通话状态。如不能通话请检查各跳线器设置是否正确。通过电话机1 讲话，听ADPCM1至ADPCM2方向经过调制、加噪、纠错信道传输的话音信号质量；
(2).通过噪声模块噪声电平选择开关SWO01将噪声增加一档（10000010），降低信噪比。重复上述测量步骤。定性测量话音质量和观测解调器眼图信号波形；(3).重复上述操作逐渐降低信噪比，直至最小。
结果分析：SWO01将噪声每增加一档，电话机听到的噪声分量越多，通话质量越差。
3.不同噪声环境下的眼图
调节噪声模块噪声电平选择开关SWO01，改变噪声得到不同噪声环境下的眼图。
(1).SWO01设置在10000001，解调器眼图信号波形如图6.1所示；(2).SWO01设置在10000010，解调器眼图信号波形如图6.2所示；(3).SWO01设置在10000100，解调器眼图信号波形如图6.3所示；(4).SWO01设置在10001000，解调器眼图信号波形如图6.4所示；(5).SWO01设置在10010000，解调器眼图信号波形如图6.5所示；(6).SWO01设置在10100000，解调器眼图信号波形如图6.6所示；(7).SWO01设置在11000000，解调器眼图信号波形如图6.7所示。
图6.1 SWO01设置在10000001 图6.2 SWO01设置在10000010
图6.3 SWO01设置在10000100 图6.4 SWO01设置在10001000
图6.5 SWO01设置在10010000 图6.6 SWO01设置在10100000
图6.7 SWO01设置在11000000
分析：SWO01将噪声每增加一档，噪声越大，眼图逐渐变粗，且越来越模糊，睁眼越来越小，且有些杂乱。
四．心得体会
本次实验让我们亲自体会到了加噪环境的ADPCM话音通信质量测量以及观察到不同噪声环境下眼图的变化。此外，在实验室看到小时候家里用的电话机的挂机感觉很亲切，觉得自己所学的知识，越来越靠近人们的生活，内心对当初选择的通信专业更多了些热情以及对自己最初选择的肯定。当做最后一个实验的时候，我和同组的同学像其他同学一样在实验室拨打电话，对方拿起电话接听，试通话质量时的场景，现在还记忆犹新。实验带给我们的不只是动手能力的锻炼，知识的深刻理解，也是一种接触新鲜事物而有的收获的喜悦，激励我们在专业知识的学习上走得更远更好。
为方便观察电路输出波形及调节电路状态,在电路的关键处理环节引出测量探针,在压控振荡器和鉴相器电路上添加电位器(图3中W1、W2和W3)。为保证实验平台电路的稳定性,提高FPGA芯片长期运行的可靠性,在芯片工作电源的设计上采用AC-DC开关隔离、DC-DC开关稳压和LDO线性稳压相结合的供电方式[11]。220V交流电,经过AC-DC隔离开关电源得到一组约为16V的直流低压,然后经过降压型DC-DC开关稳压电路得到5V和8V的电压对母板电路供电,再经过LDO线性稳压电路得到3.3V及1.2V的电压对子板FPGA芯片进行供电。采用这种供电方式,可以大幅度降低电网尖峰脉冲对实验平台电路的干扰,保证实验平台的稳定工作。
1实验平台的特点
开放性设计平台具有通用性强、功能强大等优点,传统验证性实验箱具有成本低、性能稳定等优点,实验平台综合了两者的优点,具体特点如下。(1)通用性强,用途广泛。实验平台支持硬件电路及软件系统设计,同时满足开设传统电子电路实验及基于FPGA的大型综合设计性实验的要求。目前,该实验平台主要应用在通信原理、数字系统设计、数字电子设计、模拟电子设计等课程的实验教学中。同时,还广泛应用在学生课外创新实践活动中。(2)系统功能强大,支持二次开发。FPGA子板逻辑资源丰富,扩展接口众多,核心芯片全面支持NiosII处理器,不仅满足当前综合设计性实验的要求,而且基于FPGA的开放性可对实验平台进行二次开发,满足新技术、新实验的要求。(3)成本低,易于维护及升级。首先,当前商品化的通信实验平台价格昂贵,基本在万元价格,而该实验平台的成本大概为600元左右,大大节约了实验经费。其次,该实验平台的面板结构采用母板和子板相结合的形式,当核心处理芯片损坏或者需要升级换代时只需更换子板即可,避免了传统实验箱更换微处理器必须更换整个实验箱的弊病。(4)性能稳定,安全可靠,便于携带。实验平台采用220V标准电源供电,且配备箱式外壳,在实验室资源配置紧张时,学生可携带实验平台回宿舍等地实施实验,灵活方便。该实验平台已在本院实验教学中使用多年,故障率低,无安全事故发生。
2实验平台的应用案例
基于该实验平台设计了众多通信相关综合设计性实验,如“扩频通信收发系统设计”[12]、“DPSK调制解调系统设计”、“HDB3线路编译码系统设计”、“(7,4)汉明码编译码传输系统设计”等。基于扩频通信在移动通信中的重要地位,近年来常以“扩频通信收发系统设计”作为通信原理的课程设计题目。该实验不仅覆盖了通信原理众多重要的基础知识点,而且重在锻炼学生的电路分析设计及硬件系统软件化设计等实用的工程应用能力,是基于该实验平台典型的应用案例。下面以该实验为例,讲述实验的设计以及实验平台在实验过程中的.应用。
2.1扩频通信收发系统设计
“扩频通信收发系统设计”实验的功能及实现要求如下(见图4):在实验平台上设计实现扩频通信收发系统,发送端将多路信息源信号复接后通过扩频调制、DPSK数字调制处理后发送出去,接收端从接收信号中准确提取位时钟信号和帧同步信号,经过扩频解调并拆分出多路信号,还原出与发送端信息源一致的数字信号。实验要求DPSK解调在实验平台母板上以硬件的方式实现,发送端以及接收端中的数字信号处理部分功能采用软件设计并分别固化到FPGA子板的收发子系统上,最后通过整机联调完成实验任务。
2.2实验平台在扩频通信收发系统设计实验中的应用及效果
实验的基本流程如图5所示。在实验准备阶段,给学生发放实验指导书及提供实验平台,学生通过查阅相关资料,熟悉软硬件平台并根据实验要求确定可行的实验方案。在实验设计阶段,强调学生的自主创新设计及实验动手能力锻炼。学生在ALTERA公司提供的QUARTUSII设计平台上,应用原理图的方法或者采用VHDL等硬件描述语言按实验要求编程设计扩频通信收发系统发送端及接收端的信号处理部分功能,或者利用MATLAB中提供的动态系统模拟、交互式仿真分析软件Simulink对扩频通信收发系统进行建模设计。软件设计完毕并仿真通过后,通过FPGA子板上的JTAG接口把设计程序下载到实验平台的收发子系统中,配合BPSK解调电路及自行设计的归零码电路进行软硬件综合调试以验证整个扩频通信收发系统是否满足实验要求。调试完毕后,通过FPGA子板上的AS接口固化设计程序。在实验验收阶段,采取现场实物验收方法,验收通过后撰写相关实验报告,实验完毕。“扩频通信收发系统设计”作为通信原理的课程设计题目实施多年,教学效果显着。学生普遍反映,该实验平台性能稳定,接口齐全,使用方便;利用该实验平台完成“扩频通信收发系统设计”实验的过程中,不仅系统地掌握了扩频通信相关知识和FPGA设计技术,学习了电路设计、故障定位及排查的方法,而且培养了发现问题、解决问题和综合运用知识的能力,提高了创新设计及实验动手能力。
3结语
（一）、K501：2–
3、K502： 1-
2、K503：1-
2、S107：从信号发生器加800Hz正弦波
用示波器在TP501处观察测量，在该点信号输出幅度应不失真，如有削顶失真则减小外加信号源的输出幅度或调节W108。
用示波器在TP112处观察其通信话路终端发送滤波器输出波形。用示波器在TP109、TP110处观察测量其通信话路终端接收滤波器输出波形。
4.改变外加信号源的频率，分别为300Hz、800Hz、1.6KHz、2.4KHz、4KHz，在测量点TP112、TP109、TP110处用示波器观测其通信话路终端滤波器的带宽，并绘出幅频特性曲线，掌握通信话路终端语音信号传输的幅频特性。5.开关的设置
J104：编码输入类型选择。J105：译码输出类型选择。S102：误码测试数据输出。S103：外加数字信号输入。S104：误码测试时钟输入。S105：误码测试数据输入。S106：误码测试时钟输出。
S107：外加模拟信号输入。
6．电位器调节
W106：调节接收信号反馈量。W107：调节接收信号幅度。W108：调节发送信号幅度。
五、测量点说明
TP501：在该点输入信号
TP506：PCM译码输出模拟信号，波形同TP501。
1 现有通信原理实验存在问题
1.1 实验内容以验证性实验为主
通信原理实验依托在通信原理实验箱基础之上, 现有实验箱能开设的实验项目大多包括以下内容, 如表1所示。
由上表可以看出, 现有实验内容以验证性实验为主, 综合性实验为辅, 没有研究性实验。同时存在学生不了解基本原理的情况下, 只要连线正确就可以完成实验, 导致学生缺少独立思考, 独立设计的过程。
1.2 通信设备费用高
若要增加综合性实验以及研究性实验, 硬件上需要采购拓展模块和计算机, 甚至更换现有实验设备。但是由于费用偏高, 资金有限, 采购困难, 很难实现实验室的一次性大换血, 从而限制综合性实验和研究性实验的开展。
1.3 教学学时有限
总教学课时限制实验教学, 由于有限的实验教学课时, 必然要求学生在规定时间内完成相应的实验内容, 因此, 要想完成全部内容, 必须加快实验的速度, 从而很难保障学生独立学习、独立思考的时间。
1.4 教师队伍结构年轻化
以哈尔滨华德学院为例进行分析, 教师结构队伍年轻化, 大多直接从学校到学校, 缺乏实践能力, 培训机会少, 影响实践教学的效果。
针对上述情况, 难以培养出适合社会对通信工程行业学生的需求, 实验教学改革势在必行。
2 通信原理实验教学体系改革
2.1 分步骤、系统的将实验与理论相结合
引入Matlab软件, 同时分步骤、系统的将实验与理论相结合, 这样可以解决验证性实验带来的机械性操作的弊端, 同时也解决了实验设备重采购和实验学时的限制问题。
首先, 统筹规划整个通信原理授课的模式、课时以及内容。根据哈尔滨华德学院通信工程人才培养方案, 通信原理共计68学时, 实验20学时, 理论48学时。因此, 统筹理论与对应实验的模式, 充分利用现有学时, 合理规划教学内容, 让学生充分掌握理论知识, 对其进行设计、综合、最后到研究的实验。以通信原理模拟调制系统为例进行说明, 这部分实验为DSB调制和解调的验证性实验, 学生通过简单的连线, 用示波器就可以观察到实验结果, 但很难使学生进一步思考和研究。所以, 可以利用理论4学时讲授DSB调制、解调原理以及抗噪声性能, 理论讲解过程完成后利用2学时引入Matlab软件对DSB调制、解调进行M文件的编写, 这部分编写代码由教师完成。通过演示效果可以引起学生的兴趣, 效果图如图1所示, 再让学生在原有的M文件做进一步的修改, 引导学生观察引入噪声后的系统性能特征, 这部分由学生课后自己完成。然后, 利用Simulink搭建模拟调制系统模型如图2所示, 经过上述理论分析以及M文件的编写可以使学生充分掌握调制解调的原理, 模型的搭建可以使学生将调制、解调模块还原到模拟通信系统中如图2所示, 最后, 带领学生进行硬件实验操作。通过分层次、系统的将理论与实践结合起来, 可以将原本单纯的验证性实验上升到综合性实验, 甚至研究性实验。
2.2 采用循序渐进的教学模式
上述系统的、分步骤的实验与理论相结合的方式, 通过实践取得较好的效果, 为进一步加强学生的独立分析、设计、研究能力, 采用循序渐进的教学模式。就是通过上述DSB调制、解调的分析、综合处置后, 教师不再参与其中, 而是让学生独立自主的分析处理数字调制、解调实验。首先, 教师通过理论学时 (6学时) 将基本理论传授给学生;其次, 课后让学生根据已学的基本理论和查找资料自行设计实验方案, 包括硬件实验模块如图3所示和软件实现方案, 给出实验步骤, 通过Matlab/M文件验证数字调制、解调的现象如图4所示 (以二进制为例) , 通过Simulink设计出数字通信系统如图5所示;最后, 通过提出的实验方案, 自行寻找所需的实验模块, 完成实验, 将所得实验结果与前面的仿真结果进行对比, 如果实验结果与前面不同, 则进一步检查硬件电路。同时, 为进一步激励学生参与其中的积极性, 可采用加分奖励机制, 并计入期末总成绩中。
2.3形成书面化实验结论
形成不同于以往实验报告的书面化实验结论。而是让学生形成具有个性化的实验报告, 即可以锻炼学生分析问题、解决问题的能力, 同时, 也解决以往千篇一律的实验报告形式带来成绩难以断定的问题。
通过上述系统的、有步骤的将理论与实验结合的方式, 可以将验证性的实验上升到综合性甚至研究性的实验。而循序渐进的教学模式可以进一步地培养学生独立自主的学习能力, 并且为形成具有个性实验报告打下基础。以数字调制和解调实验为基础, 寻求以学生为主体的循序渐进实验模式, 教师提出问题, 学生自行设计实验方案, 到最后实现实验方案。则在设计方案层面上具有不同的实现方法, 进而在软件验证以及硬件实现上, 也会具有差距。例如数字调制实现方案也可以通过键控电路实现, 则Matlab的M文件也不同, Simulink综合系统设计亦不同, 则硬件实验电路模块也有所区别, 最后, 形成的实验报告及结论亦不同。
2.4 整合教学内容引入研究性实验
整合教学内容, 在验证性实验和综合性实验的基础上, 引入研究性实验, 将以教师为主体的实验内容彻底转化为以学生为主体。
分析、设计模拟及数字通信系统后, 系统模型是建立在理想信道基础之上。而实际的通信系统中一定存在噪声, 因此, 可以将综合性实验上升到研究性实验, 将信道噪声引入上述理想数字系统模型, 研究噪声对通信系统的影响。由随机过程可知, 通信系统信号满足平稳随机过程, 噪声也同样满足平稳随机过程, 且以高斯白噪声为典型噪声。学生自行根据理想系统模型改造成实际系统模型, 进而分析噪声对通信系统的影响。这样, 通过Matlab仿真软件可以将硬件实验和软件仿真结合起来, 达到自主研究的目的。
以下为利用Simulink软件实现添加噪声的数字通信系统模型及实验现象, 以分析码型变换实验为例, 设计的数字通信系统模型, 研究噪声对数字通信系统的影响, 如图6所示。
2.5 实行双师型教师实验室管理模式
哈尔滨华德学院各个实验室均由专业授课教师负责管理, 这样, 即有利于教师的双师型培养, 也有利于方便学生随时随地寻求教师帮助, 在授课教师的带动下, 可以大大提高学生的研究兴趣。同时, 由于总学时的限制, 以及过去封闭式实验环境, 难以满足研究性实验的完成, 因此, 为保证学生完成研究性实验, 实验室将实行半开放形式。所谓半开放就是工作日按照学生没课的时间段开放, 学生有课时间段封闭, 这样既节省教师的劳动时间, 也充分利用实验室的使用效率。
2.6 加强教师自身的实践能力
由于教师队伍的年轻化结构, 大多是从学校到学校, 没有企业实践经验, 导致教师的实践能力有限, 创新意识薄弱, 难以培养出有创新意识的学生。因此, 为更好地指导学生的实践实验, 哈尔滨华德学院与中兴企业签订校企合作模式的同时, 派年轻的教职工到中兴企业进行企业培训, 通信教研室60%以上的教师均为双师型结构, 为进一步培养学生独立自主设计、研究实验打下了良好的基础。因此, 在系统规划通信原理实验基础上, 哈尔滨华德学院分别建立中兴光通信与程控交换实验室, 中兴3G技术与数据通信实验, 均与企业需求直接挂钩。
3 结束语
重视实验教学环节, 发挥实验教学作用, 是学习好通信原理课程不可缺少的重要部分。本文在详细剖析通信原理实验教学存在的问题基础上, 分析规划实验与理论学时的合理分配;采用循序渐进方式将由教师主导的验证性实验转化为由学生主导的综合性、研究性实验;最后, 形成具有个性化的实验报告结论, 以培养学生独立思考、独立学习的能力。为保障完成上述实验体系改革, 实行双师型实验室管理以及加强教师队伍自身的实践素质。实践证明, 这些改革措施取得了较好的教学效果, 但在具体实施过程中有些方法需要进一步完善。
摘要：现有通信原理实验大多是集成化、模块化的验证性实验, 为更好地培养学生独立分析问题、解决问题的创新能力, 本文在详细分析当前通信原理实验教学存在问题的基础上, 提出一系列实验教学体系改革的措施, 并在实践教学过程中取得较好的效果, 为通信原理实验教学改革开拓一条较好的路径。
关键词：通信原理,实验教学,创新能力
参考文献
[1]王芳.基于MATLAB平台的通信专业柔性实验系统研究与实践[J].实验技术与管理, 2012 (7) :77-79.
[2]褚南峰.高等教育的实践教学体系研究[J].中国现代教育装备, 2006 (2) :89-92.
[3]王秀芳.在通信原理课程教学中培养学生创新能力的改革与实践[J].中国现代教育装备, 2009 (8) :65-67.
关键词:通信原理;教学改革;教学模式;实践教学
一、前言
《通信原理》是通信工程和电子信息专业的专业基础课,既是基础课向专业课的过渡,也是通信电子学科的入门课,在通信类、电子类专业中占有非常重要的地位。这门课的教学直接影响这些专业的教学质量和所培养人才的知识结构及综合能力。这门课的前期基础课程有:电路分析基础、电子电路、高频电路、数字电路等电类基础课以及高等数学、概率论等数学课程,还有信号与系统课程,具有相当大的难度和理论深度。因此,本课程在授课时,如果过分强调数学推导和理论探讨,无疑将使学生产生畏难情绪,难以激发学生的学习兴趣和积极性;但如果完全不涉及理论分析,教学又无法达到本科院校的培養目标,即无法培养出既具备一定专业理论素养又具有较强动手能力的技术应用型人才。
二、理论课程授课方法改革探讨
(一)精选课程教材
目前,国内通信原理的教材非常多,以西安电子科技大学樊昌信教授的《通信原理》、张辉教授的《现代通信原理与技术》、华中科技大学王福昌教授的《通信原理》及清华大学曹志刚教授的《现代通信原理》最为经典。其中樊昌信的教材内容丰富、知识点最为详尽、教材体系最为完整。考虑到我校学生的水平以及许多高校研究生入学考试参考教材采用樊昌信版《通信原理》,因此,我们选用该版本的《通信原理》作为本科生教材,其余作为参考资料。
(二)改革授课内容
由于课时的限制,我们在讲授课程的时候,无法做到面面俱到,必须对讲授的内容做一定的选择。选择教学内容时遵循以下原则:①兼顾通信方向各课程的相关度进行教学内容的合理取舍。一方面尽量减少各课程间的重复内容,另一方面防止课程间存在盲区。②增强教学的实用性,突出数字通信,教学以数字通信为主要内容,模拟通信仅保留调制解调技术。③保证本课程的完整性、系统性。课程以预备知识、模拟通信、数字通信、差错控制为教学结构体系。④以通信的有效性和可靠性为主线,教学内容的删减,其教学主线必须得到体现。根据这四个原则,课程选取主要内容为:预备知识、信道、模拟调制系统、数字基带系统、数字调制系统、模拟信号的数字传输、数字最佳接收和同步原理。课程教学重点放在数字基带系统、数字调制系统、模拟信号的数字传输、数字最佳接收和同步原理。
重视学生对基本概念、基本理论的掌握。一方面,针对一些贯穿整个课程的概念如码元传输速率、噪声平均功率、基带输出信号的带宽、相对码(DPSK)与绝对码9PSK0关系,这些概念容易引起理解偏差和疑义概念,应重点讲述。另一方面,通信原理中还存在一些难于理解的原理,如无误码率传输的奈奎斯特准则、PCM编码13折编码方法、循环码的编译码方法等。我们用课堂例题讲解,课后作业练习方法加强学生对基本原理的理解和掌握。
(三)调整授课顺序
在教学过程中,课程教学内容的顺序十分重要。98 -03级通信原理教学完全按照教材的编排顺序讲解,即预备知识—模拟通信系统—数字通信系统—模拟信号数字传输……学生普遍反映对模拟信号数字传输感到很不理解,他们经常提出为什么会有这章内容,这章有什么作用等问题。因此,从04级开始,调整了教材编排顺序,将模拟信号的数字化放在数字通信系统的前面讲解,而教学内容没有改变。这样改变的结果让学生普遍感觉到对整个课程体系理解加深,所获得知识结构更加牢固。
(四)传统教学方法和现代教学手段相结合
教学手段、教学方法改革是提高教学质量的重要途径。在教学手段上采用传统手段与现代多媒体技术相结合。采用黑板和粉笔的传统教学方法既有优点,也有缺点。由于《通信原理》理论性强,公式推导不少,如果教师花很大一部分时间用在公式推导上,或者用很多时间去写一大串公式,这样效率低下的教学将导致老师和学生都不会满意,教学效果肯定不好。如果完全依赖多媒体教学,简单地把教学内容制成课件,这样教学的信息量虽然大,但是由于教学过程传输的信息快,学生像看电影一样进行理论课程学习,自然不能完全理解教学内容,从而影响听课效果。因此,片面评判单一教学手段的好坏是不正确的。对于复杂公式、各种波形图、频谱图、调制解调框图用多媒体播放,这样教学内容生动而又直观;对于复杂的公式的推导,重要的定理、结论通过板书在黑板上,这样的教学事半功倍,既培养了学生的兴趣,又提高了教学的效果。在教学方法上采用灵活多变的教学方式,引入比较教学法。所谓比较教学法就是比较不同教学内容间联系和区别的一种逻辑思维方法。应用比较教学的关键是确定教学内容间的相同点和不同点,本课程特点是通信系统调制与解调成对出现,模拟通信和数字通信并存,我们选择了调幅、调频、调相的调制解调以及它们的抗干扰性能,数字调制解调与模拟调制解调,模拟通信和数字通信抗噪声性能这些内容作比较教学法的试验。
三、课程建设取得的成果
多年来,我们学校十分重视《通信原理》课程的建设。本课程组以“知识、能力、素质”为教育思想,树立精品意识,分别在师资队伍建设、教学内容更新、教学方法与手段改革、实验教学内容、教材建设研讨、教学过程和环节管理等方面开展了大量深入的教研活动和探索,取得了丰富的教改和教研成果。
(一)积极开展教改项目
为了提高教学质量,深化教学改革,校精品课程已结题,省级精品课程得到立项并在建设中。课程组开展了教学理念的探讨,明确了四个教学思想的转变:使学生学习的重心从接受知识转向知识的探究过程,帮助学生从被动接受知识向主动掌握知识的转化;从应试教育到素质教育思想的转化;从以教师为中心的单向注入式教学,向“教”与“学”相融合的互动式教学转化;从单一传统的教学模式,到运用现代教育手段的教学模式的转化。参观学习了国内外部分优秀大学的相关专业与课程,对于开阔视野、解放思想很有帮助。
(二)革新教学方法、提高教学水平
课程组积极开展多种形式的教研活动,本着紧跟通信技术与理论的新发展,结合我校本专业教学的具体特点与要求的原则,进行革新。如修订教学大纲、教学内容安排、辅助教材建设、教辅软件设计、教研讨论、教学网络建设等,形成了集体交流、学习、观摩、研讨的良好制度,老师们相互听课、取长补短、共同提高教学水平。通过该项工作,课程组现营造起活跃的教研工作交流氛围,建立了定期教学研讨的机制。教研活动推动了教学改革,取得了明显的成效,促进了教学水平的提高。
(三)丰富教学资源
本课程利用的网络环境主要包括“教学管理系统”“网络学堂”。本课程运用“教学管理系统”实行网上选课,解决了全院学生跨专业选课问题。“网络学堂”中包含有本课程组经过多年努力开发的课程电子资源:教学计划、电子教案、课程文本、课程视频、实验指导、习题考试、讨论答疑、学生作品、专题探讨等等。
四、结论
本课程是构成本科专业培养计划的重要单元,是后继专业课程教学活动的基础,对确定人才培养模式,体现人才培养质量起到至关重要的作用。同时授课也是向学生传授知识、培养学生能力、提高学生素质的主要途径,是提高教育质量的关键所在。加强课程建设,促进教学内容和课程体系的改革,对提高学校的办学水平具有重要意义。
参考文献:
[1]束峰,邱文教,孙锦涛.通信原理课程教学改革[J].电气电子教学学报,2006,(28):23-25.
[2]樊昌信.通信原理[M]第6版.北京:国防工业出版社,2007.
[3]邢超,韩琳.通信原理课程教学改革的探讨[J].科技创新导报,2008,(28):133.
[4]张士兵,章国安.“通信原理”课程教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2006,(4).
[5]梁晓炜等.通信原理教学方法研究[J].科技信息,2009,(16):52.
[6]赵韩强等.创新型人才培养体系的探索与实践[J].理工高教研究,2008,(2):95-97.
[7]沈莉芳.通信原理实验教学改革的探索[J].中国教育,2009,(4).
注：本文为网友上传，旨在传播知识，不代表本站观点，与本站立场无关。若有侵权等问题请及时与本网联系，我们将在第一时间删除处理。E-MAIL：iwenmi@163.com
扫一扫微信支付
