層次化實(shí)驗(yàn)體系在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用

1、層次化實(shí)驗(yàn)體系在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用層次化實(shí)驗(yàn)體系在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用通信原理是通信和電子工程類的一門專業(yè)根底核心課程，也是后續(xù)挪動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等專業(yè)課的基矗該課程特點(diǎn)是涉及知識(shí)面廣，公式和數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，很多概念和原理比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍比較吃力。而在教學(xué)過程中全方位引入實(shí)驗(yàn)?zāi)K，一方面可以變抽象為直觀，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)步教學(xué)效果，另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)絡(luò)實(shí)際的才能。本著循序漸進(jìn)、靈敏多樣的原那么，結(jié)合通信原理教學(xué)內(nèi)容，我們?cè)O(shè)計(jì)了多層次的的實(shí)驗(yàn)體系。所謂多層次包括兩方面含義，一是在實(shí)驗(yàn)類別上有層次之分，包括演示驗(yàn)證、模塊構(gòu)建、自主編程和硬件實(shí)現(xiàn)等多個(gè)層次；二是在詳細(xì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2、的設(shè)置上也有由簡到繁、由易到難的層次之分。一、層次化實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建和施行為便于施行，我們重點(diǎn)構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)這個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)室完成的通信原理實(shí)驗(yàn)，其中的演示驗(yàn)證、模塊構(gòu)建和自主編程實(shí)驗(yàn)采用了athrks公司的ATLAB/Siulink軟件，而硬件實(shí)現(xiàn)那么是基于自主研發(fā)的DSP+FPGA硬件平臺(tái)展開，由學(xué)生在S和Quartus環(huán)境下完成編程、下載和調(diào)試工作，同時(shí)我們也編制了配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。1.基于ATLAB庫函數(shù)的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)屬于最簡單的一本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理類實(shí)驗(yàn)，利用ATLAB庫函數(shù)及自行開發(fā)的一些函數(shù)包，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書簡單輸入幾條命令，便可直觀得出結(jié)果。以基帶傳輸

3、碼型及其頻譜分析為例簡述其過程：b=binary1000；%產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)x=ave_genb，uniplar_nrz；%產(chǎn)生單極性不歸零碼subplt211，avepltx；%顯示時(shí)域波形subplt212，psdx；%顯示功率譜密度其中binary、ave_gen、aveplt和psd等均為自行開發(fā)的函數(shù)包，其余函數(shù)為ATLAB自帶。學(xué)生只需輸入上述4條命令，即可完成信號(hào)產(chǎn)生、波形成型、畫時(shí)域和頻域波形等功能，從而快速驗(yàn)證所學(xué)理論。此類實(shí)驗(yàn)開設(shè)簡單，能覆蓋通信原理所有核心內(nèi)容，既可用于課下練習(xí)，也可用于課堂演示，主要目的在于加深對(duì)抽象理論的感性認(rèn)識(shí)。由于此類實(shí)驗(yàn)無需關(guān)注詳細(xì)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，故

4、學(xué)生的自主參與程度低。2.Siulink模塊構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Siulink是ATLAB下的一個(gè)軟件包，主要用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)展建模、仿真和分析，其最大的特點(diǎn)是模塊庫豐富，且簡單易學(xué)，只需使用鼠標(biāo)拖放相關(guān)模塊并將其連接即可。利用Siulink結(jié)合通信模塊庫可以快速構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，此類實(shí)驗(yàn)主要用于根本概念、根本原理的快速建模和仿真。例如在講授低通抽樣定理時(shí)，可以利用Siulink模塊建立如圖1所示模型，形象展示抽樣定理的內(nèi)涵。其中原模擬信號(hào)由隨機(jī)信號(hào)通過模擬低通濾波得出，其截止頻率即為模擬信號(hào)的最高頻率；采樣脈沖由脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生；采樣過程由乘法器完成；采樣信號(hào)由另一個(gè)模擬低通濾波器以恢復(fù)原信號(hào)。通過

5、修改采樣脈沖序列的周期來模擬不同的采樣速率，可以方便的觀測原信號(hào)和抽樣信號(hào)的時(shí)域頻域波形，從而加深對(duì)低通抽樣定理內(nèi)涵的理解。對(duì)該模型稍加修改還可以演示平頂抽樣以及帶通抽樣原理。此類實(shí)驗(yàn)需在熟悉了相關(guān)理論及其實(shí)現(xiàn)框圖后施行，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可按要求自行設(shè)計(jì)，自主參與程度較高。3.ATLAB自行編程構(gòu)建根本模塊利用ATLAB現(xiàn)成的函數(shù)包或者Siulink模塊可以對(duì)通信原理課程中的理論部分進(jìn)展快速演示和驗(yàn)證，但為了加深對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的理解和靈敏運(yùn)用，還需要利用文件自行編程來實(shí)現(xiàn)某些重要模塊，這也對(duì)學(xué)生提出了相對(duì)較高的要求。表1列出了通信原理課程中的一些主要實(shí)驗(yàn)，其中每一個(gè)模塊又分別沉著易、較難、難三

6、個(gè)層次給出了相關(guān)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比方基帶傳輸系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的產(chǎn)生以及基帶碼型的選取非常容易，觀察時(shí)域和頻域波形也不困難，難點(diǎn)是發(fā)送和接收濾波器的設(shè)計(jì)，假設(shè)發(fā)端采用的是理想矩形成形濾波，那么收端的匹配濾波實(shí)現(xiàn)相對(duì)較容易；而假設(shè)采用的是更加實(shí)用的升余弦成形濾波，那么收端的匹配濾波以及相關(guān)的處理就要復(fù)雜得多，實(shí)現(xiàn)的難度也更大；在基帶傳輸系統(tǒng)性能仿真中看似簡單但極易出錯(cuò)的一個(gè)模塊就是加噪聲，給定信噪比后，需要結(jié)合成形后的發(fā)送信號(hào)的平均功率，準(zhǔn)確計(jì)算出噪聲的方差后才能產(chǎn)生適宜的噪聲，否那么得出的性能曲線就不會(huì)與理論曲線吻合；而基帶系統(tǒng)仿真中的一些輔助觀測模塊，如星座圖和眼圖等，以及存在碼

7、間串?dāng)_時(shí)的平衡技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的難度也有所不同，可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況分層次組織實(shí)驗(yàn)。表1通信原理主要實(shí)驗(yàn)分類表容易較難難碼型及頻譜分析單/雙極性不歸零碼/歸零碼半占空；差分碼任意占空比歸零碼；AI碼HDB3碼編譯碼；基于FFT的頻譜分析基帶傳輸系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生；基帶碼型選?。粫r(shí)域頻域波形的觀測矩形成形及匹配濾波；星座圖模塊升余弦成形及匹配濾波；加噪、眼圖、平衡等模塊二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生；2ASK/2FSK/2PSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)；時(shí)頻域波形觀察2ASK/2FSK/2PSK解調(diào)的實(shí)現(xiàn)加噪聲模塊；匹配濾波；最正確接收模塊現(xiàn)代調(diào)制系統(tǒng)QPSK調(diào)制解調(diào)及抗噪性能仿真QPSK調(diào)制解調(diào)及抗噪性能仿真/4DQPSK/

8、SK調(diào)制解調(diào)及抗噪性能仿真信道編碼7，4漢明碼的編譯碼循環(huán)碼的編譯碼卷積碼的編譯碼viterbi此類實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生要求較高，在深化理解相關(guān)概念和原理的根底上，還要進(jìn)一步研究其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，每一模塊均由學(xué)生自行編程實(shí)現(xiàn)，自主參與程度高。4.DSP+FPGA的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)均是基于ATLAB/Siulink的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，為了能從理論角度進(jìn)一步驗(yàn)證所學(xué)理論，需對(duì)相關(guān)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)展開實(shí)驗(yàn)。為此，教學(xué)組開發(fā)了一款基于DSP/FPGA加專用射頻模塊組成的通信系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其硬件構(gòu)造框圖如圖2所示。其中TI公司的兩塊DSP芯片TS3205416和TS3206713分別用于發(fā)射和接收模塊的基帶處理，Al

9、tera公司的FPGA芯片EP28T144用于完成數(shù)字上下變頻；專用射頻模塊的工作頻率為225-512Hz?；谠撈脚_(tái)，既可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)HDB3編譯碼、漢明碼編譯碼、基帶成形濾波、同步等模塊，也可以構(gòu)建基于BPSK等調(diào)制方式的完好的通信系統(tǒng)，進(jìn)而通過示波器、無線通信分析儀等設(shè)備觀測眼圖、星座圖、時(shí)頻域波形等。完成基于硬件平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)，不僅需要學(xué)生具備系統(tǒng)的理論知識(shí)，也需要具備相關(guān)的DSP、FPGA開發(fā)根底，此類實(shí)驗(yàn)一般需由多人組成團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，可在課程后期或課程完畢之后的通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)階段施行，也可作為學(xué)生科技創(chuàng)新或畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的一部分。二、教學(xué)效果在通信原理教學(xué)過程中引入層次化實(shí)驗(yàn)體系，不僅有助于加深學(xué)生對(duì)抽象概念和原理的理解，更重要的是能加強(qiáng)對(duì)教學(xué)過程的管理，基于庫函數(shù)和Siulink模塊的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可作為隨堂作業(yè)布置，隨學(xué)隨練，貫穿教學(xué)全過