通信原理设计型实验与实践

【摘要】分析了目前通信原理实验教学的现状，针对现有实验无法激起学生兴趣、对学生创新能力培养不足的问题，探讨在通信原理实验教学中引入设计型的实验模块，对通信原理实验教学进行改革与实践。以线性调制与解调系统设计实验为例，从实验准备、方案选择、仿真设计、实物验证四个方面介绍了设计型实验的具体实施过程。实践表明：设计型实验的开设，不仅提高了学生的实验技能以及分析问题、解决问题的能力，而且全面锻炼了学生的工程创新实践能力。

关键词通信原理;设计型实验;创新能力;教学方法

通信原理是电子信息、通信类专业的重要专业基础课，它的理论性强、概念抽象，必须配以必要的实验课来帮助同学理解抽象的概念，建立通信系统的模型。此外，通信技术的发展非常迅速，这就要求学生和科技人员不但要有扎实的理论基础，而且还要有较强的动手能力和开拓创新的精神。而大部分的通信原理实验是利用实验箱开展的验证型实验，或者是采用试验箱和软件仿真相结合的形式，这些实验形式能够帮助学生来理解理论知识，但是很难培养学生的动手能力和创新能力。因此，通信原理实验中必须引入新的实验模块。设计型实验是指在给定实验目的、要求的条件下，学生通过查阅资料、自己制定实验方案，完成实验要求，总结实验过程和结果，撰写实验报告。因此，通过设计型实验的实验过程可以培养学生分析问题、解决问题的能力，并且对提高动手能力、培养学生的工程创新能力有很好的帮助。本文以线性调制与解调系统的设计实验为例，阐述设计型实验的引入对学生实践和创新能力培养的重要作用。

1通信原理实验教学现状分析

1.1通信原理实验箱的作用和不足

通信原理实验箱在各大高校通信原理实验课中用的非常普遍，厂家、型号不同，基本上都是针对通信原理的主要知识点设计的模块，模块之间的组合可以构成简单的通信系统，在关键信号处留有测试点，可以用示波器观测波形。这种试验箱形式的硬件实验可以直观地让学生通过测试不同点的波形，建立起通信系统的基本概念，帮助学生巩固和加强相关的知识点，培养学生常用仪器的实验操作能力[1-2]。但是这种以验证型实验为主的试验箱，学生动手操作的范围有限，学生仅需要根据实验指导书连线、调节电阻、电容，即可在观测点观测到所需的波形[3]。在实验中发现此类实验学生的参与度较低，无法引起学生学习的兴趣。虽然我们在实验指导书前面把实验的原理及电路做了详细的介绍，也要求学生预习，但是在实验中从学生出现的问题发现，学生很少看这些原理，根本不会去想这一点为什么会出现这样的波形，每一个模块的功能是什么以及怎么实现的。因此，实验箱验证型的实验学生独立思考和自主设计的机会较少[4]，而且由于实验箱模块的限制很难引入新的实验[5]。

1.2通信原理实验中的软件仿真实验

为了弥补试验箱的缺陷，引入软件仿真实验，常用的通信原理仿真实验软件有Matlab、LabVIEW、SystemView。利用Matlab进行仿真的实验有2种方法：一种是编程的形式，另一种是利用Simulink的仿真工具箱模型库实现通信系统的仿真分析[6]。前者需要学生花费时间和精力学习Matlab的命令、函数，理解并能编写抽象的程序，因此学生往往忽略了对程序要达到的功能目标以及达到目标所涉及的信号处理原理的理解。所以较多院校采用的是第二种方法[7-8]，从Simulink模块库中选择合适的虚拟器件和设备，通过连线构建需要的仿真系统。实验内容不再局限于试验箱的固有模块，为学生的创造力发挥提供空间。LabVIEW是一种虚拟仪器的开发平台，它采用G语言以流程图的形式编程。完整的LabVIEW工程需要前面板的设计、框图和程序的设计、目标和连接器的配置3部分，先确定所需要的各个模块，再编写程序框图，最后拟定各个模块的参数并调试、修改[9]。SystemView（或SystemVue）是一种信号级的动态系统仿真软件，能满足信号处理、滤波器以及复杂的模拟系统、数字系统、数模混合系统等要求。可以让学生获得丰富的感性认识，引起学生学习的兴趣，从而调动学生学习的积极性和主动性，有利于学生系统、全面地解和掌握通信原理课程的概念和原理[10-12]。上述三种软件仿真形式的实验，虽然都能引起学生学习的兴趣，但是仿真系统的模块都是一些数学的模型或者是再现了通信系统的框图，不是实际应用的器件，仿真系统与硬件实现之间是有差异的，仿真可实现的系统不一定在硬件上是可实现的，仿真实验对培养学生的工程实践能力、设计调试实际的通信系统的能力帮助不大。所以我们有必要引入新的实验模块。

2开设设计型实验的重要性

设计型的实验要求学生根据给定的实验目的、要求、实验条件或仪器，独立地阅资料、制定实验方案、实现实验要求。需要学生综合利用理论课程和实验课程的知识，分析实验目的和要求，小组内部组织分工，主动查阅资料，给出合理的而且能够实现的实验方案，并最终实现实验方案。设计型实验是以学生为主体、学生主导并安排整个实验，指导教师只是辅助指导[13]。设计型的实验可以培养学生创造性的思维，引导学生从验证型实验的固有模式中走出来[14]，学生自主的设计实验并验证，为学生提供了极大的自由发挥空间。通过自主设计过程，可以培养学生的动手、动脑和工程实践创新意识，这些都是学生今后继续深造学习、或者工作必备的能力。

3设计型实验的实施

由于设计型实验是以学生为主体的实验，而学生的基础知识差异较大，设计能让每个同学都满意的设计型实验难度还是比较大的；设计型实验的实验实施周期较长，而通信原理实验课的课时有限，因此，在有限的时间内如何实施设计型实验需要我们不断的探索。下面就以线性调制与解调设计型实验的实施过程为例，介绍设计型实验的具体实施过程。调制是将原始的电信号转换成适合信道传输的信号，而在接收端必须通过解调将信道传输过来的信号还原成原始的电信号，因此，调制与解调是通信系统中的重要环节。而线性调制是应用最早的一种基本调制方式[15]，也是短波通信的主要调制方式。所以，选用线性调制与解调系统作为通信原理设计型实验的题目。本设计型实验学生需要根据实验要求，自己设计调制、解调系统的方案，然后进实验室搭建电路完成实际电路，最后调试并测试线性调试解调系统的各个指标、分析测试结果。通过设计型实验的实施过程使学生更好的掌握调制解调的基本原理，锻炼学生自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等各方面的能力。鉴于设计型实验实施的周期较长，而且有些环节不需要在实验室进行，因此把设计型实验的实施过程分为实验准备、方案选择、仿真设计、实物验证4个部分，穿插在原来实验箱验证实验中（实验总共40学时，十次课）。

3.1实验准备

第1次验证型实验课时抽45分钟时间介绍设计型实验的实验目的、实验内容、实验要求、实验原理以及实验室现有的相关器件及仪器设备。实验目的：掌握线性调制与解调的实现方法；加深对AM（振幅调制）、DSB（双边带）系统组成、工作过程及工作原理的理解；锻炼组织实验能力，提高常规实验仪器的使用技能。实验内容：根据AM和DSB调制与解调器的组成原理设计实验方案；从时间、频率、频谱、频带各个方面全面的观察AM、DSB信号；理解带通滤波器、低通滤波器3dB带宽与调制信号间的关系；记录实验过程中的波形和数据，分析AM、DSB调制过程及其主要性能，测试AM、DSB系统的抗噪声性能（可选）。实验要求：载波频率100kHz，调制信号为1kHz和400Hz两个频率；AM信号的调幅指数0.5，采用包络检波解调；采用同步解调方式对DSB信号解调。实验原理：线性调制是把基带信号的频谱搬移到系统的通频带上，以满足信道传输的要求。基带信号m(t)和正弦载波信号c(t)相乘，再选择合适的滤波器，即可产生线性调制信号AM或DSB，其原理图如图1所示[16]。AM调制和DSB调制的区别就在于基带信号m(t)是否含有直流信号，若含有直流信号，则为AM调制，不含直流信号即为DSB调制。AM调制信号的包络即为基带信号m(t)的形状，因此采用包络检波器对AM信号进行解调即可得到基带信号。而DSB调制信号不含载波信息，需要采用同步检波法解调，即解调时需要一个与载波同频同相的同步载波´(t)作为参考信号，可以分为乘积型同步解调和叠加型同步解调两种，如图2所示。

3.2方案选择和仿真设计

方案选择和仿真设计两个阶段无需用到实验室的硬件设备，所要时间的的长短与学生背景知识及学生的能力有关。所以，要求学生3人一小组，各小组自由安排时间进行，不占用通信原理实验课的课时，但是要求学生在第7次实验课时提交设计报告和元器件清单（前7次实验为原有验证型的实验）。学生需要根据实验内容和要求以小组为单位再进行协调分工，查阅资料、讨论并确定实现方案；根据确定的方案，分工进行各模块电路的仿真设计；撰写设计报告、拟测试项目及元器件清单。

3.3实物验证

从第8次实验课开始学生进实验室，按照各自设计的实验方案的元器件清单领取元器件，小组内分工搭建并调试线性调制电路、AM解调电路、DSB解调电路，并从时域、频域全面测试，时间约为2次课；最后一次课小组内联调、对于尖子学生可以引导他们测试AM、DSB系统的抗噪声性能，记录实验报告需要的数据、指导老师验收。

4结束语

通信原理课程涉及的内容非常多，在有限的实验课内验证型实验可以让学生直观认识很多知识，所以验证型实验是通信原理实验不可缺少的实验模式，但是这种形式的实验对学生创新实践能力的锻炼不足。因此在原来通信原理验证型实验中引入一个实验周期较长的设计型实验。通过合理安排设计型实验的实施过程，在不改变实验总学时的情况下，改善了原有验证型实验学生只需按要求插线、观察波形的实验模式，弥补了原有验证型实验的不足。通过实验设计，学生充分地理解了通信系统的研制过程；通过直观的实验数据测量，学生更深刻地理解了通信系统的工作原理。从学生进实验室搭建电路及调试测试过程可以看出，学生的积极性很高，所有的学生都能按实验要求完成实验，并且10组中有2组用独特的方案实现了线性调制解调系统，而且学生在实验报告中提到“后期的实验数据，实验验证，实验性能指标的处理，让我们充分理解了什么指标反映通信系统的好坏，以及如何测量该通信系统的这些指标，我们也更深地理解了通信系统”。由此可见该设计型实验在调动学生兴趣、培养学生分析问题、解决问题的能力、全面锻炼学生创新实践能力、深刻理解通信系统工作原理等方面的效果明显。

作者：程春霞 宫锦文 高建宁 单位：西安电子科技大学 空间科学与技术学院