通信原理可視化輔助教學研究

譚家杰

衡陽師范學院物理與電子信息科學系 湖南衡陽 421002

通信原理是高等院校電子信息類學科非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它在本科教學中占有重要地位，是電子信息專業(yè)主干課程。該課程具有內(nèi)容多、涉及知識面廣、基本概念多等特點，學生覺得不易理解，教師也覺得不容易教好[1]。為了提高課程的教學效果，課程教學過程必須與其特點相結(jié)合。這方面前人已經(jīng)做了大量工作，主要是將仿真技術(shù)與課程教學內(nèi)容相結(jié)合，集中表現(xiàn)在以下兩方面：(1)利用Matlab軟件設(shè)計可視化系統(tǒng)平臺，對課程的基本原理、基本方法進行仿真以提高教學效果[2,3]；(2)利用通信類專業(yè)經(jīng)典軟件，如SystemView，LabView，它們既與課程的基本理論相結(jié)合，又與通信原理硬件實驗互補[4,5]。以上案例說明只有不斷地研究、綜合新技術(shù)、新方法，且將其運用于課程教學才能有效提高教學效果[1]。用可視化面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)編制通信原理系統(tǒng)演示程序，既可以在一定程度上緩解實驗設(shè)備短缺給教學帶來的影響，也可以增強課堂教學的趣味性和直觀性。

1 面向?qū)ο罂梢暬幊探榻B

面向?qū)ο筮@類程序運行時會彈出窗口，窗口組成了應(yīng)用程序的界面，這就是所謂的圖形用戶界面(GUI，Graphic User Interface)。用戶界面主要由窗口、菜單、按鈕、對話框等控件組成，具有界面友好、操作簡單等特點。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的廣泛應(yīng)用和逐步完善，克服了軟件設(shè)計中的效率低下、調(diào)試復(fù)雜、維護不易等缺點，是目前程序設(shè)計的趨勢。

采用Microsoft公司推出的Visual Basic可視化軟件進行界面設(shè)計，是基于事件驅(qū)動機制的編程方式，用戶的動作決定程序的流程，每個事件都能運行一段程序代碼。用它編程容易上手，設(shè)計的界面非常友好，功能非常強大。用該軟件設(shè)計程序的流程如下：(1)根據(jù)通信原理的基本原理和方法，確定程序的基本算法和基本流程。(2)利用軟件提供的標準可視化控件設(shè)計程序的界面，設(shè)計界面的目標應(yīng)滿足能生動地反映基本原理。(3)對界面的控件編寫代碼以實現(xiàn)演示功能。(4)測試相應(yīng)的程序。

2 演示系統(tǒng)模塊體系

通信原理的內(nèi)容涉及廣且需要的前續(xù)課程多，數(shù)學公式多，難度大。學生普遍反映課程原理性和綜合性強、概念抽象、課程難度大[2]。為了突破難點，使之生動化、具體化，提高課程教學的效果，根據(jù)通信原理課程的教學大綱，將通信系統(tǒng)的模擬通信、數(shù)字基帶通信、數(shù)字頻帶通信綜合在一起組成可視化演示系統(tǒng)知識體系(如圖1所示)。演示系統(tǒng)涵蓋了通信原理課程的主要內(nèi)容。

圖1 演示系統(tǒng)的知識體系

為演示系統(tǒng)功能及在課程教學中的應(yīng)用，分別選擇有代表性的演示子程序進行說明。

2.1 模擬系統(tǒng)

模擬通信系統(tǒng)模塊主要有AM調(diào)制、FM調(diào)制2個模塊，AM為調(diào)幅，是常規(guī)雙邊帶調(diào)制[6]。AM可以分為標準調(diào)制、過調(diào)制、滿調(diào)制3種。在課程教學過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：(1)學生不能正確理解調(diào)制指數(shù)，因而不能根據(jù)調(diào)制指數(shù)正確分辨標準調(diào)制、過調(diào)制、滿調(diào)制三種調(diào)制波形；(2)學生對于已調(diào)信號的包絡(luò)認識不清，在教學時這個概念又不容易解釋，需要有直觀的圖示才能正確說明；(3)學生對于FM調(diào)制和調(diào)相的關(guān)系不能正確理解。為正確解釋AM調(diào)制，設(shè)計了演示程序(如圖2所示)。

圖2 AM調(diào)制演示程序界面

AM演示程序的對話框界面是由按鈕、文本框和圖形框組成，其中文本框可以輸入不同的調(diào)制指數(shù)來演示不同的已調(diào)波形?！罢{(diào)制信號”按鈕產(chǎn)生一個正弦調(diào)制信號；“載波信號”按鈕則在第二個圖形框中畫出高頻載波信號；“AM調(diào)制”按鈕在第三個圖形框畫出AM已調(diào)信號，并用曲線畫出信號的包絡(luò)。為了使演示產(chǎn)生信號具有吸引力，畫曲線時，采用定時器控件產(chǎn)生動畫效應(yīng)；“清屏”作用是擦除圖形框的圖形；“返回子系統(tǒng)”的作用是退出當前的模擬通信子系統(tǒng)。在設(shè)計該模塊時，特意加上時鐘控件控制畫圖的速度，達到動態(tài)效果，以便在課堂演示時吸引學生的注意力。為了正確解釋包絡(luò)概念，程序在畫完已調(diào)信號后，再以動態(tài)方式畫出調(diào)制信號的包絡(luò)。

2.2 數(shù)字基帶系統(tǒng)

數(shù)字基帶系統(tǒng)包括基帶信號、常用碼型、碼間串擾3個模塊。其中，基帶信號模塊包括了基帶信號、單極性功率譜、雙極性功率譜、理想基帶信號及絕對碼與相對碼的相互變換。該子系統(tǒng)下的基帶信號有歸零碼波形、極性碼波形、差分波形和多電平波形等，涵蓋了數(shù)字基帶信號的5種形式。常用碼型有AMI(傳號交替反轉(zhuǎn)碼)，HDB3(三階高密度雙極性碼)，BPH(雙相碼)，Miller(密勒碼)，CMI(傳號反轉(zhuǎn)碼)5個模塊。碼間串擾模塊演示如何判斷無碼間串擾的時域、頻域條件。為了進一步說明基帶通信系統(tǒng)模塊，選擇第三個模塊(碼間串擾)的理想基帶信號時域無串擾演示程序。

圖3 時域無碼間串擾演示程序界面

在課程教學中分析此原理時，學生不容易理解時域無碼間串擾條件含義。為解決這個問題，我們設(shè)計了一個演示程序(如圖3所示)。將通過理想特性信號左右移動，恰好在抽樣時刻讓其他信號對抽樣的影響為零?！俺跏夹盘枴碑a(chǎn)生理想基帶信號。單擊“左移一個單位”按鈕一次是將理想的基帶信號在時域中左移一個單位，單擊兩次則是將兩項信號左移兩次。相應(yīng)的“右移一個單位”就是將基帶信號右移一個單位。從圖中可知，在抽樣時刻其他信號都是零，從而說明具有理想特性的系統(tǒng)在時域上滿足無碼間串擾。

2.3 數(shù)字頻帶系統(tǒng)

數(shù)字頻帶系統(tǒng)包括ASK，F(xiàn)SK，PSK，DPSK四個模塊。DPSK模塊演示程序界面如圖4所示。它用前后碼元的相位差為0表示傳輸數(shù)字信息“0”，前后碼元的相位差為π表示傳輸數(shù)字信息“1”。傳輸?shù)南榻^對碼，DPSK的調(diào)制方式是將絕對碼轉(zhuǎn)換為相對碼再進行PSK調(diào)制。在學習這種調(diào)制技術(shù)時主要存在以下問題：(1)學生不清楚調(diào)制的波形是什么樣的；(2)學生不明白絕對碼變相對碼的規(guī)律。為解決這些難題，設(shè)計程序時用文本框輸入絕對碼，相對碼在另外文本框輸出，畫出基帶信號的波形及已調(diào)DPSK波形，參照DPSK原理進行講解。將其功率譜密度畫出，說明其特點并且與ASK調(diào)制進行對比。采用這種方法解釋DPSK調(diào)制方法，可以發(fā)現(xiàn)，先將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa，然后再進行PSK調(diào)制。編程時，考慮了輸入的消息變化，相應(yīng)的基帶信號和調(diào)制信號都變化。經(jīng)過上述演示，反映這種方式更加生動具體。

圖4 DPSK演示程序界面

3 演示系統(tǒng)在課程教學中的應(yīng)用

在課程教學中，主要采用以下4種方法組織教學。(1)為了增加演示程序帶來的樂趣，在設(shè)計畫曲線波形圖時，將繪制曲線的動作放慢以獲得動畫效果，并且增加了相應(yīng)功能。(2)當課堂出現(xiàn)相應(yīng)知識點時，在講解知識點后，運行程序進行課堂演示，要求學生留心圖形的要點，注意課程講授的原理。這樣既可以減少課堂的沉悶，又提高了學生的興趣。(3)在完成相應(yīng)的課程教學后，針對編程能力強的學生，我們提出要求，以大作業(yè)形式讓學生完成。對于完成了大作業(yè)的學生，計入平時成績。(4)在畢業(yè)設(shè)計時，將其中的一個系統(tǒng)模塊讓學生在教師的指導(dǎo)下完成。經(jīng)過這4個方面的努力，既提高了學生對課程的理解，也提高了教師的教學水平。

4 結(jié)束語

采用Visual Basic設(shè)計出的通信原理演示系統(tǒng)用于課程教學，可對通信原理的模擬通信、數(shù)字基帶通信和數(shù)字頻帶通信原理進行生動形象的演示。學生普遍感覺到原來死板、抽象的原理教學變得更加生動具體，學生學習興趣變濃，學習氛圍變好。該演示系統(tǒng)已經(jīng)在2007級、2008級、2009級電子信息科學與技術(shù)專業(yè)，2009級電子信息工程專業(yè)的通信原理課程教學過程中應(yīng)用，學生普遍反映教學效果較好，提高了學習積極性。未來我們將進一步完善演示系統(tǒng)，并將模擬信號的數(shù)字傳輸及其他內(nèi)容也納入演示系統(tǒng)，使其與課程的內(nèi)容、教學方法聯(lián)系更加緊密。

[1]劉凱,徐楨,張軍.通信原理中的教學方法研究[J].高教論壇,2009(3):26-29.

[2]程欽,錢志文.通信原理可視化仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].江蘇技術(shù)師范學院學報,2011,17(6):25-29.

[3]鄧紅濤,查志華,張銳敏.Simulink在通信原理教學中的綜合應(yīng)用[J].教育教學論壇,2012(3):211-212.

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[6]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.