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摘 要：通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课，在通信工程专业的课程体系结构中起着至关重要的作用。该文针对传统实验教学中存在的手段单一和软硬件实验关联度差的不足，在实验手段方面进行改革，提出THKCS-A型硬件实验平台、Matlab仿真平台和Labview虚拟仪器软件相结合的多元化实验教学方法，提高学生理论联系实际的能力，实现改善学生学习质量和激发学习兴趣的目标。
关键词：通信原理 多元化实验教学 实验手段
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0214-04
通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课，在通信工程专业的课程体系结构中起着至关重要的作用，是学习诸如移动通信、光纤通信以及数字通信等后续课程的基础，其教学的重点在于让学生理解基本概念和原理、掌握相关的分析方法和有关通信系统的重要结论。该课程特点是内容较多， 知识面广， 概念抽象， 系统性强，理论更新快，同时强调理论和实践的融会贯通[1-4]。
该项目针对传统实验教学中存在的一些不足，从实验教学手段方面给出一些改革的措施和探索。通过对实验教学方法方面的改良，调动学生学习本课程的积极主动性，提高实验教学质量和效果，达到培养适应现代科学技术发展的高质量创新型人才的目的。
1 通信原理课程实验教学发展现状
传统的实验教学手段的不足之处在于：实验教学方式单一，并且硬件实验和软件仿真是分离而独立的，無法做到真正的理论和实际相结合，学生处于被动学习的模式。因此建议将实验内容在软硬件实验平台上进行统一，并进行关联，这样可以极大地激发同学们学习的兴趣，变被动为主动，不仅可以促进实验教学的灵活性和多样化，而且可以提高学生的实际动手动力和理论分析能力，并可增进学生求职和工作时的自信心。
2 提出的实验教学方案
目前，在该课程实验教学方案中，我们设置了8个课时的硬件实验，4个课时的Matlab软件仿真实验以及4个课时的Labview虚拟仪器仿真实验，授课方式采用了软件仿真和硬件设计相关联的多元化实验教学方式。和传统实验教学手段不同，该课程将浙江天煌科技有限公司的THKCS-A型硬件实验平台、Matlab仿真平台[5]和Labview虚拟仪器仿真软件平台[6]相结合，可以克服传统硬件实验平台灵活性差及和软硬件仿真平台关联度差的不足。
3 多元化实验教学方案实例与分析
3.1 THKCS-A型硬件实验平台实例
以增量调制编译码实验为例。该实验内容是利用数字双踪示波器观测增量调制的编译码波形。在THKCS-A型实验平台上，TP1是频率为4096 kHz的主时钟信号，TP3和TP4分别是频率为32 kHz的编码时钟和译码时钟信号。TP5：输入频率为1 kHz、幅度为2 V峰-峰值的音频信号，TP6与TP5波形相同。TP7为本地译码信号；TP10译码输出信号，TP7与TP10是反向的，即译码电路延时了半个周期。TP8为编码输出信号，TP9为译码输入信号，需要短线将其与TP8相连。TP11：模拟输出音频信号。将其与TP5比较，可以进行增量调制的系统性能的测试。
增量调制编码基本原理是指用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性。其实验结果由图1所示，由于正弦波过零处曲线斜率最大，所以有连“0”或连“1”码出现；对应正弦波的波峰或者波谷，由于曲线此处斜率为零，所以此处有“0”码和“1”码交替出现。该现象和增量调制的原理和理论是相吻合的。
由图2所示，根据增量调制的编码原理，即“1”码表示信号幅值下降，而“0”码表示信号幅值上升。得到的信码输出的波形为TP8，然后通过短线将TP8连接TP9，将增量调制的信码送入译码器进行译码。译码器使用和编码器编码原则相对应的译码准则进行译码，即遇到1码波形减值，遇到0码波形增值恢复出译码输出信号TP10，结果如图3所示。可以看出，编码过程中几乎没有出现空载噪声和过载噪声，TP7紧紧跟随原音频信号的变化，本地译码信号TP7与译码输出信号TP10是反向的，这是因为电路处理的延时导致了译码电路延时了半个周期。最后，将TP10波形送入低通滤波器进行平滑处理得到最终的模拟输出音频信号TP11。但是，由于量噪比和电路噪声的存在，TP11和和输入的音频信号TP5并不是完全相同的，而是存在一定的失真。我们也可以进一步通过该实验平台结合双踪示波器观测进行增量调制系统性能测试的实验。
3.2 Matlab仿真实例
在工程领域中，Matlab特别适用于一些需要做大量数据运算处理的复杂应用。我们同样可以使用Matlab软件实现增量调制编码的仿真验证工作。所不同的是3.1小节硬件实验平台使用的是锯齿波，而Matlab软件使用的是梯形波。假设在相同的音频输入信号的条件下，量化阶距为1，由Matlab实现的增量调制仿真结果如图4所示。结果表明：由原音频信号和解码结果对比来看，在输入信号变化平缓的部分（斜率为零），编码器输出1码和0码交替，相应的解码结果以正负阶距交替变化形成颗粒噪声，称空载失真；在输入信号变化过快的部分，解码信号因不能跟上信号的变化而引起斜率过载失真。通过在Matlab软件仿真平台中灵活的调整量化阶距值，可以发现：量化阶距越小，则空载失真就越小，但是容易发生过载失真；反之，量化阶距越大，则斜率过载失真减小，但空载失真增大。该实验结果和理论分析是一致的。
比较使用THKCS-A型实验平台进行的增量调制实验中，使用Matlab软件仿真增量调制实验具有灵活性高、价格低廉、易于实现和便于分析的优势，而硬件实验平台的实验结果考虑了电路延时等实际因素，更加接近于实际情况，具有更高的实践指导意义。所以，二者并不能相互替代，而是需要进行有效地结合，才能提供给学生更加完善有效的实验环境，更好地激发学生的自主学习热情，有效地提高学生的设计分析能力。 3.3 Labview虚拟仿真实例
Matlab仿真工具不能实现端口操作和实时控制，在界面方面也不具优势。如果使用虚拟仿真实验平台进行《通信原理》课程的软件实验，学生则不必担心损坏仪器，也不受硬件设备的限制，可以独立自主地快速构建仿真系统，而且还可以克服Matlab不能实现端口操作和实时控制的缺陷。
Labview中有大量的数据处理模块，通过调用就可以实现不同功能的数据处理虚拟仪器。图5是NI公司基于Labview 2011仿真平台调用PowerSpectrum设计的功率谱测试程序实例。
Labview可以调用不同的窗函数，并使用平均技术获得更佳的信号频谱。例如，将频率为4000 Hz、幅度为10 V的正弦信号输入到图5的功率谱测量程序中，运行结果如图6至图9所示。
图6为未加窗函数的功率谱，图7为加Hanning窗的功率谱测量结果，图8为加Blackman窗的功率谱测量结果，图9则为使用Peak hold平均模式下的Blackman窗功率谱测量结果。经比较得知：未使用窗函数信号的谱扩展为一个窄带谱，频谱弥散范围较大，这和正弦信号单音频谱的结论是相违背的。然而，通过加窗的操作，测得的功率谱弥散范围缩小，得到的谱测量结果更加合理，如图7和图8所示。除此而外，如图9所示，所使用的Peak hold平均处理的方法可以使得测量结果更佳清晰明朗。
综上所述，实验工具的多样化带来了观测结果的差异性，不仅提高了实验手段的灵活性和充分性，同时也激发了学生的学习兴趣和实际分析问题的能力。
4 结语
该文主要针对目前高校《通信原理》课程实验教学过程中所面临的教学手段单一和软硬件实验关联度差的缺陷，对该课程的实验教学方式进行改革和探索。改革方法为合并使用THKCS-A型硬件实验平台、Matlab仿真平台以及Labview虚拟仪器软件的多元化教学方法，并给出具体的实例分析。結果表明：这种灵活的多元化实验教学方案极大地培养和提高了学生理论联系实际的能力，激发了学生的学习兴趣和调动学生的学习主动性，并提高了学生的社会竞争能力。
参考文献
[1] 蒋铃鸽，黄继翔.“通信原理”多元化教学的探索实践[J].南京：电气电子教学学报，2009，31（3）：95-97.
[2] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.
[3] John G.Proakis， Digital Communications [M]. New York：McGraw-Hill，2006.
[4] 任俊，张红燕.运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学[J].实验技术与管理，2014，31（3）：95-104.
[5] 夏江涛，孙冬娇.Matlab在现代通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（1）：110-119.
[6] 刘明珠，刘雨晴，乔季军，等.基于Labview的通信原理虚拟实验平台的设计[J].实验技术与管理，2015，32（4）：123-160.
关键词：通信原理 多元化实验教学 实验手段
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0214-04
通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课，在通信工程专业的课程体系结构中起着至关重要的作用，是学习诸如移动通信、光纤通信以及数字通信等后续课程的基础，其教学的重点在于让学生理解基本概念和原理、掌握相关的分析方法和有关通信系统的重要结论。该课程特点是内容较多， 知识面广， 概念抽象， 系统性强，理论更新快，同时强调理论和实践的融会贯通[1-4]。
该项目针对传统实验教学中存在的一些不足，从实验教学手段方面给出一些改革的措施和探索。通过对实验教学方法方面的改良，调动学生学习本课程的积极主动性，提高实验教学质量和效果，达到培养适应现代科学技术发展的高质量创新型人才的目的。
1 通信原理课程实验教学发展现状
传统的实验教学手段的不足之处在于：实验教学方式单一，并且硬件实验和软件仿真是分离而独立的，無法做到真正的理论和实际相结合，学生处于被动学习的模式。因此建议将实验内容在软硬件实验平台上进行统一，并进行关联，这样可以极大地激发同学们学习的兴趣，变被动为主动，不仅可以促进实验教学的灵活性和多样化，而且可以提高学生的实际动手动力和理论分析能力，并可增进学生求职和工作时的自信心。
2 提出的实验教学方案
目前，在该课程实验教学方案中，我们设置了8个课时的硬件实验，4个课时的Matlab软件仿真实验以及4个课时的Labview虚拟仪器仿真实验，授课方式采用了软件仿真和硬件设计相关联的多元化实验教学方式。和传统实验教学手段不同，该课程将浙江天煌科技有限公司的THKCS-A型硬件实验平台、Matlab仿真平台[5]和Labview虚拟仪器仿真软件平台[6]相结合，可以克服传统硬件实验平台灵活性差及和软硬件仿真平台关联度差的不足。
3 多元化实验教学方案实例与分析
3.1 THKCS-A型硬件实验平台实例
以增量调制编译码实验为例。该实验内容是利用数字双踪示波器观测增量调制的编译码波形。在THKCS-A型实验平台上，TP1是频率为4096 kHz的主时钟信号，TP3和TP4分别是频率为32 kHz的编码时钟和译码时钟信号。TP5：输入频率为1 kHz、幅度为2 V峰-峰值的音频信号，TP6与TP5波形相同。TP7为本地译码信号；TP10译码输出信号，TP7与TP10是反向的，即译码电路延时了半个周期。TP8为编码输出信号，TP9为译码输入信号，需要短线将其与TP8相连。TP11：模拟输出音频信号。将其与TP5比较，可以进行增量调制的系统性能的测试。
增量调制编码基本原理是指用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性。其实验结果由图1所示，由于正弦波过零处曲线斜率最大，所以有连“0”或连“1”码出现；对应正弦波的波峰或者波谷，由于曲线此处斜率为零，所以此处有“0”码和“1”码交替出现。该现象和增量调制的原理和理论是相吻合的。
由图2所示，根据增量调制的编码原理，即“1”码表示信号幅值下降，而“0”码表示信号幅值上升。得到的信码输出的波形为TP8，然后通过短线将TP8连接TP9，将增量调制的信码送入译码器进行译码。译码器使用和编码器编码原则相对应的译码准则进行译码，即遇到1码波形减值，遇到0码波形增值恢复出译码输出信号TP10，结果如图3所示。可以看出，编码过程中几乎没有出现空载噪声和过载噪声，TP7紧紧跟随原音频信号的变化，本地译码信号TP7与译码输出信号TP10是反向的，这是因为电路处理的延时导致了译码电路延时了半个周期。最后，将TP10波形送入低通滤波器进行平滑处理得到最终的模拟输出音频信号TP11。但是，由于量噪比和电路噪声的存在，TP11和和输入的音频信号TP5并不是完全相同的，而是存在一定的失真。我们也可以进一步通过该实验平台结合双踪示波器观测进行增量调制系统性能测试的实验。
3.2 Matlab仿真实例
在工程领域中，Matlab特别适用于一些需要做大量数据运算处理的复杂应用。我们同样可以使用Matlab软件实现增量调制编码的仿真验证工作。所不同的是3.1小节硬件实验平台使用的是锯齿波，而Matlab软件使用的是梯形波。假设在相同的音频输入信号的条件下，量化阶距为1，由Matlab实现的增量调制仿真结果如图4所示。结果表明：由原音频信号和解码结果对比来看，在输入信号变化平缓的部分（斜率为零），编码器输出1码和0码交替，相应的解码结果以正负阶距交替变化形成颗粒噪声，称空载失真；在输入信号变化过快的部分，解码信号因不能跟上信号的变化而引起斜率过载失真。通过在Matlab软件仿真平台中灵活的调整量化阶距值，可以发现：量化阶距越小，则空载失真就越小，但是容易发生过载失真；反之，量化阶距越大，则斜率过载失真减小，但空载失真增大。该实验结果和理论分析是一致的。
比较使用THKCS-A型实验平台进行的增量调制实验中，使用Matlab软件仿真增量调制实验具有灵活性高、价格低廉、易于实现和便于分析的优势，而硬件实验平台的实验结果考虑了电路延时等实际因素，更加接近于实际情况，具有更高的实践指导意义。所以，二者并不能相互替代，而是需要进行有效地结合，才能提供给学生更加完善有效的实验环境，更好地激发学生的自主学习热情，有效地提高学生的设计分析能力。 3.3 Labview虚拟仿真实例
Matlab仿真工具不能实现端口操作和实时控制，在界面方面也不具优势。如果使用虚拟仿真实验平台进行《通信原理》课程的软件实验，学生则不必担心损坏仪器，也不受硬件设备的限制，可以独立自主地快速构建仿真系统，而且还可以克服Matlab不能实现端口操作和实时控制的缺陷。
Labview中有大量的数据处理模块，通过调用就可以实现不同功能的数据处理虚拟仪器。图5是NI公司基于Labview 2011仿真平台调用PowerSpectrum设计的功率谱测试程序实例。
Labview可以调用不同的窗函数，并使用平均技术获得更佳的信号频谱。例如，将频率为4000 Hz、幅度为10 V的正弦信号输入到图5的功率谱测量程序中，运行结果如图6至图9所示。
图6为未加窗函数的功率谱，图7为加Hanning窗的功率谱测量结果，图8为加Blackman窗的功率谱测量结果，图9则为使用Peak hold平均模式下的Blackman窗功率谱测量结果。经比较得知：未使用窗函数信号的谱扩展为一个窄带谱，频谱弥散范围较大，这和正弦信号单音频谱的结论是相违背的。然而，通过加窗的操作，测得的功率谱弥散范围缩小，得到的谱测量结果更加合理，如图7和图8所示。除此而外，如图9所示，所使用的Peak hold平均处理的方法可以使得测量结果更佳清晰明朗。
综上所述，实验工具的多样化带来了观测结果的差异性，不仅提高了实验手段的灵活性和充分性，同时也激发了学生的学习兴趣和实际分析问题的能力。
4 结语
该文主要针对目前高校《通信原理》课程实验教学过程中所面临的教学手段单一和软硬件实验关联度差的缺陷，对该课程的实验教学方式进行改革和探索。改革方法为合并使用THKCS-A型硬件实验平台、Matlab仿真平台以及Labview虚拟仪器软件的多元化教学方法，并给出具体的实例分析。結果表明：这种灵活的多元化实验教学方案极大地培养和提高了学生理论联系实际的能力，激发了学生的学习兴趣和调动学生的学习主动性，并提高了学生的社会竞争能力。
参考文献
[1] 蒋铃鸽，黄继翔.“通信原理”多元化教学的探索实践[J].南京：电气电子教学学报，2009，31（3）：95-97.
[2] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.
[3] John G.Proakis， Digital Communications [M]. New York：McGraw-Hill，2006.
[4] 任俊，张红燕.运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学[J].实验技术与管理，2014，31（3）：95-104.
[5] 夏江涛，孙冬娇.Matlab在现代通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（1）：110-119.
[6] 刘明珠，刘雨晴，乔季军，等.基于Labview的通信原理虚拟实验平台的设计[J].实验技术与管理，2015，32（4）：123-160.