“新工科”建設(shè)要求下的多層級通信原理課程實驗研究與設(shè)計

高 翔

山東大學(威海)機電與信息工程學院 山東威海 264209

一、概述

新工科建設(shè)是國家為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、支撐“服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”等一系列國家戰(zhàn)略而采取的重要舉措?！靶鹿た啤币笈囵B(yǎng)能夠適應(yīng)、引領(lǐng)未來工程需求的人才。通信原理課程是電子信息工程、通信工程等專業(yè)課程體系中的核心課程,針對通信原理課程的實驗教學課程設(shè)計更應(yīng)主動適應(yīng)“新工科”培養(yǎng)的要求。目前國內(nèi)高校的通信原理實驗主要采用硬件實驗箱或軟件仿真的方法進行實驗,不能滿足對課程內(nèi)容中各類知識點有針對性、分層級的實驗、實踐訓練要求,特別是不能夠滿足對通信原理課程特點所要求的通信系統(tǒng)整體架構(gòu)進行認識、實驗、實踐的要求。[1]本文設(shè)計了一套針對通信原理課程不同知識點、不同教學要求的分層級實驗課程體系和內(nèi)容,針對單個知識點采用硬件電路實驗的方法進行實驗,旨在幫助學生學習實現(xiàn)和驗證基本原理的電路構(gòu)成,并通過改變電路參數(shù)表現(xiàn)出不同的性能結(jié)果;針對通信系統(tǒng)收發(fā)信機各模塊的分析和設(shè)計方法,采用軟件仿真的方法進行實驗,旨在幫助學生學習通信系統(tǒng)模塊的設(shè)計原理和不同實驗方法,并通過改變程序使模塊適應(yīng)不同種類通信系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)要求;針對通信系統(tǒng)收發(fā)信機的整體性、系統(tǒng)性實驗采用軟件無線電的方法進行實驗,旨在幫助學生更為容易地建立通信系統(tǒng)的概念,學生不必關(guān)注復雜的系統(tǒng)硬件搭建,只需要在通用的軟件無線電平臺中進行各模塊的編程以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,即可實現(xiàn)通信系統(tǒng)收發(fā)信機的通信功能。

二、通信原理實驗教學的現(xiàn)狀

通信原理課程要求學生系統(tǒng)性地掌握經(jīng)典數(shù)字通信系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu),同時通信原理中相應(yīng)模塊原理和通信協(xié)議方法的數(shù)學推導相對復雜,理論性較強。[2]因此,為了幫助學生更容易地掌握經(jīng)典數(shù)字通信系統(tǒng)的架構(gòu)以及抽象化的原理和概念,任課教師需要在教學過程中有針對性地、合理地引入實驗環(huán)節(jié),這樣理論加實驗的教學方式才能幫助學生很好地掌握通信原理課程所要求的知識點和系統(tǒng)框架,提升學生對于課程的學習興趣,提高學生在通信工程方面的實踐動手能力。[3-5]

(一)硬件實驗箱教學模式

使用硬件式實驗箱開展實驗教學的模式是目前國內(nèi)眾多高校開展通信原理課程實驗的主要模式。這種模式在開展實驗時,只需要學生按照實驗操作手冊的實驗步驟使用相對應(yīng)的實驗電路模板,進行簡單的系統(tǒng)連線,通過開關(guān)和旋鈕來控制電路中相關(guān)器件參數(shù),然后利用示波器等設(shè)備就可以比較直觀地觀察到對應(yīng)實驗的實驗結(jié)果。

這種配套實驗的開展模式,好處在于可以承接學生之前課程體系中所學電子電路類的相關(guān)課程,使學生便于上手開展實驗,同時可以幫助學生了解通信系統(tǒng)各模塊的基礎(chǔ)電路構(gòu)成。但是,這種實驗方式也有不足之處。首先,這種實驗方式不方便學生觀察通信信號的頻域特性,如幅頻特性和相頻特性,因此學生不能從信號的不同域全面掌握信號傳輸特性。其次,學生在實驗過程中往往不需要進行電路分析,對于現(xiàn)成的電路模板拿來即用,不需要思考電路的工作原理,僅是簡單的連線實驗,對于學生的實踐動手能力培養(yǎng)上有不足之處。最后,實驗過程中通信系統(tǒng)的收發(fā)信機是通過簡單連線完成,沒有真實仿真無線通信系統(tǒng)中的信道干擾和噪聲等場景,不能很好地幫助學生理解信道這一重要概念。

(二)軟件仿真教學模式

使用軟件仿真實驗教學模式是隨著計算機和軟件技術(shù)發(fā)展在近些年高校中開展通信原理配套實驗的一種新模式。這種模式在開展實驗時,只需要學生按照軟件操作手冊上的步驟利用計算機仿真通信系統(tǒng)的各模塊,通過代碼和模塊連接即可進行不同種通信模塊和協(xié)議的仿真實驗。

這種配套實驗的開展模式,好處在于不需要像硬件實驗箱那樣需要在硬件設(shè)備和測量設(shè)備上花費較多資金,只需要有計算機和配套的實驗軟件即可,開設(shè)簡單方便。同時該種實驗?zāi)Ｊ娇梢苑奖銕椭鷮W生掌握通信信號的頻域特征,實驗過程通過代碼完成,對應(yīng)復雜的電路結(jié)構(gòu)完全由計算機仿真,實驗結(jié)果直接、清晰,不需要經(jīng)過電路板調(diào)試。但是,這種實驗方式也有不足之處。首先,學生對于實驗所涉及的電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有直觀認識,不能很好地掌握通信系統(tǒng)各模塊的底層電路結(jié)構(gòu)。其次,實驗過程中所使用的測量儀器設(shè)備和信號發(fā)生裝置均為計算機仿真設(shè)備,對于學生學習和掌握設(shè)備使用上沒有幫助。最后,仿真實驗的結(jié)果較為理想,不能幫助學生鍛煉硬件電路調(diào)試能力,對于學生實踐動手能力的培養(yǎng)不利。

三、針對教學內(nèi)容的多層級實驗課程研究與設(shè)計

根據(jù)對通信原理課程配套實驗的多年教學總結(jié)和調(diào)查研究,本文提出一種針對通信原理課程教學內(nèi)容層次、強調(diào)通信原理系統(tǒng)框架掌握、突出學生實踐動手能力培養(yǎng)的多層次、符合“新工科”建設(shè)要求的通信原理課程實驗體系和內(nèi)容。實驗體系強調(diào)由單獨知識點配套實驗,到通信系統(tǒng)模塊和原理實驗,再到通信系統(tǒng)整體架構(gòu)實驗的由淺入深、由點到面、由局部至整體的漸進式的實驗教學和動手能力培養(yǎng)體系。實驗內(nèi)容方面,根據(jù)獨立知識點要求簡潔、快速、容易驗證的特性,設(shè)計了由傳統(tǒng)硬件實驗箱配套進行實驗的相關(guān)內(nèi)容;根據(jù)通信系統(tǒng)局部模塊要求掌握通信協(xié)議模型、信號處理流程的特性,設(shè)計了由軟件仿真配套進行實驗的相關(guān)內(nèi)容;根據(jù)通信系統(tǒng)收發(fā)信機整體結(jié)構(gòu)要求掌握系統(tǒng)搭建框架、系統(tǒng)模塊組合關(guān)系以及配套協(xié)議和方法的特性,設(shè)計了由軟件無線電平臺配套進行實驗的相關(guān)內(nèi)容。

(一)依托實驗箱平臺的硬件實驗

使用實驗箱平臺中各電路板,通過簡單連線,利用萬用表和示波器來進行通信原理課程中的知識點驗證是傳統(tǒng)的實驗方式。目前我校使用的是LTE-TX-03 A型通信原理實驗箱。

針對本文所設(shè)計的多層級實驗課程體系,硬件實驗箱平臺主要針對通信原理課程中的各獨立知識點來進行設(shè)計。例如:基帶傳輸?shù)幕敬a型、眼圖、鎖相環(huán)、載波同步、幀同步等實驗。這種實驗方式可以幫助學生直觀、快速地完成實驗,驗證課堂中所學理論知識點,同時可以有效地承接課程知識體系中在通信原理課程前邊完成的一系列電路類課程,便于學生形成完整的課程知識體系。同時,這種實驗方式的操作非常簡單,只需要進行電路板間的連線,并對部分開關(guān)和參數(shù)進行調(diào)整,即可在示波器中呈現(xiàn)實驗結(jié)果。這對于“新工科”建設(shè)要求中所要求的厚基礎(chǔ),也就是強調(diào)基礎(chǔ)知識扎實非常有幫助。

表1 依托實驗箱平臺開展的通信原理硬件實驗情況

這種實驗方式的缺點也十分明顯,因為硬件電路可編程能力的欠缺,所以針對需要編程設(shè)計的通信編譯碼、調(diào)制解調(diào)等方面的實驗效果非常有限,因此這部分的實驗采用依托MATLAB仿真軟件的軟件實驗進行。

(二)依托MATLAB仿真軟件的軟件實驗

使用MATLAB編程語言和編程模塊,通過程序代碼的書寫和編程模塊的連接進行通信原理課程中的可編程知識點驗證實驗也是傳統(tǒng)的實驗方法。目前我校有專用機房配備安裝有MATLAB軟件的計算機可以進行實驗。

針對本文所設(shè)計的多層級實驗課程體系,軟件實驗主要針對通信原理課程中的需要編程實現(xiàn)的模塊和協(xié)議來進行設(shè)計。例如,信源編譯碼、PCM編碼、信道編譯碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)等實驗。這種實驗方式可以較為靈活地通過程序代碼及編程過程中各參數(shù)的改變和調(diào)整幫助學生更為深刻理解這部分知識點的內(nèi)容和邏輯原理。同時,這種實驗方式可以有效銜接學生在前導軟件類課程中所學習的知識,對于使用軟件工具針對具體的通信系統(tǒng)知識的仿真實現(xiàn)有很大的幫助,便于更好地形成完整課程知識體系。這對于“新工科”建設(shè)要求所要求的寬口徑,也就是強調(diào)使用多種工具對所學知識進行系統(tǒng)化應(yīng)用非常有幫助。

表2 依托MATLAB仿真軟件開展的通信原理軟件實驗情況

這種實驗方式的缺點也十分明顯,因為在實驗過程中所有通信系統(tǒng)的模塊和測量設(shè)備均由代碼和虛擬儀器代替,因此學生不能很好地對實體設(shè)備進行充分的學習和認識。

(三)依托軟件無線電平臺的綜合實驗

使用軟件無線電平臺可以利用其標準化、模塊化的硬件設(shè)備,通過軟件方式定義通信系統(tǒng)中的通信協(xié)議、空中接口和相關(guān)功能進行通信原理課程中要求的綜合實驗項目。目前我校使用的是北京威視銳科技的Y310軟件無線電平臺。

針對本文所設(shè)計的多層級實驗課程體系,軟件無線電平臺實驗主要針對通信原理課程中的綜合性實驗。例如:數(shù)字通信系統(tǒng)收發(fā)機的搭建、與舊體制電臺的通信、OFDM系統(tǒng)實驗和MIMO系統(tǒng)實驗等。這種實驗方式既用到了標準化、模塊化的硬件設(shè)備,又可以通過軟件定義的方式對相關(guān)通信協(xié)議、編碼方式和調(diào)制方式等按需要進行更改,使搭建的實驗系統(tǒng)具有更高的整體性、開放性和靈活性。學生在實驗過程中可以很好地利用平臺組件化、軟件化的思維進行一個完整、復雜通信系統(tǒng)的搭建和實驗,同時學生可以很好地銜接前邊分別基于硬件、軟件的相關(guān)知識點實驗,實現(xiàn)學生在實驗中由點到系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)進階。

表3 依托MATLAB仿真軟件開展的通信原理軟件實驗情況

這種實驗方式對于在學期末進行綜合性、整體性的課程實驗有非常明顯的優(yōu)點,且對于學生有較高的知識結(jié)構(gòu)要求,富有挑戰(zhàn)性,是對學生這門課程所學知識點的綜合應(yīng)用的最佳途徑。

四、結(jié)論

本文通過“新工科”建設(shè)要求下的通信原理課程要求進行了系統(tǒng)性分析,調(diào)研了目前國內(nèi)各高校開展同類實驗所使用的方法和配套實驗設(shè)備,針對通信原理課程中各相關(guān)知識點的具體要求,分析了適合各類知識點進行配套實驗的最佳手段,提出了針對課程中不同知識點要求的多層級實驗課程體系,通過硬件、軟件和軟件無線電平臺等多種手段開展實驗教學。通過針對2019級量子信息工程專業(yè)學生按照新體系進行實驗課程開展的情況統(tǒng)計和總結(jié),學生對于實驗課的參與興趣明顯提升,實驗輔助課程知識點的學習效果很好,學生建立通信系統(tǒng)整體框架概念的情況很好,基本達到了“新工科”建設(shè)所要求的學生工程意識的建立和學生動手實踐能力的提升。

從成績的角度來看,學生通信原理實驗課程成績相較于以往有10%左右的提升,學生評教成績較以往有5%左右的提升。通過多層級實驗課程體系的鍛煉,目前已經(jīng)有30余名學生將軟件無線電平臺應(yīng)用于“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯、全國大學生電子設(shè)計大賽等高校學生課外競賽實踐活動中,多人次在全國賽和省級賽中獲獎。從多層級實驗課程體系實施過程中的反饋意見來看,學生反映的問題主要集中在課程難度的提升,使部分基礎(chǔ)相對薄弱的學生不能很好跟上實驗開展的進度,后期需要任課教師在學生補齊基礎(chǔ)短板方面多增加一些學時以及有針對性的指導,保證新的實驗課程體系惠及全體學生。