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摘 要：为了提高通信原理课程的课堂教学效果，用Visual Basic可视化编程设计制作了通信原理演示系统。演示系统涵盖了通信原理的三大主要基本原理及方法，即模拟通信系统、数字基带系统和数字频带系统。将此演示系统应用于通信原理的课堂教学中，既增加了教学的趣味性和实效性，又提高了教学效果。
关键词：可视化编程 通信原理 教学方法 课堂教学
通信原理是高等院校电子信息类学科非常重要的专业基础课程。它在本科教学中占有重要地位，是电子信息专业主干课程。该课程具有内容多、涉及知识面广、基本概念多等特点，学生觉得不易理解，教师也觉得不容易教好[1]。为了提高课程的教学效果，课程教学过程必须与其特点相结合。这方面前人已经做了大量工作，主要是将仿真技术与课程教学内容相结合，集中表现在以下两方面：（1）利用Matlab软件设计可视化系统平台，对课程的基本原理、基本方法进行仿真以提高教学效果[2，3]；（2）利用通信类专业经典软件，如SystemView，LabView，它们既与课程的基本理论相结合，又与通信原理硬件实验互补[4，5]。以上案例说明只有不断地研究、综合新技术、新方法，且将其运用于课程教学才能有效提高教学效果[1]。用可视化面向对象编程技术编制通信原理系统演示程序，既可以在一定程度上缓解实验设备短缺给教学带来的影响，也可以增强课堂教学的趣味性和直观性。
1 面向对象可视化编程介绍
面向对象这类程序运行时会弹出窗口，窗口组成了应用程序的界面，这就是所谓的图形用户界面（GUI，Graphic User Interface）。用户界面主要由窗口、菜单、按钮、对话框等控件组成，具有界面友好、操作简单等特点。面向对象程序设计的广泛应用和逐步完善，克服了软件设计中的效率低下、调试复杂、维护不易等缺点，是目前程序设计的趋势。
采用Microsoft公司推出的Visual Basic可视化软件进行界面设计，是基于事件驱动机制的编程方式，用户的动作决定程序的流程，每个事件都能运行一段程序代码。用它编程容易上手，设计的界面非常友好，功能非常强大。用该软件设计程序的流程如下：（1）根据通信原理的基本原理和方法，确定程序的基本算法和基本流程。（2）利用软件提供的标准可视化控件设计程序的界面，设计界面的目标应满足能生动地反映基本原理。（3）对界面的控件编写代码以实现演示功能。（4）测试相应的程序。
2 演示系统模块体系
通信原理的内容涉及广且需要的前续课程多，数学公式多，难度大。学生普遍反映课程原理性和综合性强、概念抽象、课程难度大[2]。为了突破难点，使之生动化、具体化，提高课程教学的效果，根据通信原理课程的教学大纲，将通信系统的模拟通信、数字基带通信、数字频带通信综合在一起组成可视化演示系统知识体系（如图1所示）。演示系统涵盖了通信原理课程的主要内容。
为演示系统功能及在课程教学中的应用，分别选择有代表性的演示子程序进行说明。
2.1 模拟系统
模拟通信系统模块主要有AM调制、FM调制2个模块，AM为调幅，是常规双边带调制[6]。AM可以分为标准调制、过调制、满调制3种。在课程教学过程中发现存在以下问题：（1）学生不能正确理解调制指数，因而不能根据调制指数正确分辨标准调制、过调制、满调制三种调制波形；（2）学生对于已调信号的包络认识不清，在教学时这个概念又不容易解释，需要有直观的图示才能正确说明；（3）学生对于FM调制和调相的关系不能正确理解。为正确解释AM调制，设计了演示程序。
AM演示程序的对话框界面是由按钮、文本框和图形框组成，其中文本框可以输入不同的调制指数来演示不同的已调波形。“调制信号”按钮产生一个正弦调制信号；“载波信号”按钮则在第二个图形框中画出高频载波信号；“AM调制”按钮在第三个图形框画出AM已调信号，并用曲线画出信号的包络。为了使演示产生信号具有吸引力，画曲线时，采用定时器控件产生动画效应；“清屏”作用是擦除图形框的图形；“返回子系统”的作用是退出当前的模拟通信子系统。在设计该模块时，特意加上时钟控件控制画图的速度，达到动态效果，以便在课堂演示时吸引学生的注意力。为了正确解释包络概念，程序在画完已调信号后，再以动态方式画出调制信号的包络。
2.2 数字基带系统
数字基带系统包括基带信号、常用码型、码间串扰3个模块。其中，基带信号模块包括了基带信号、单极性功率谱、双极性功率谱、理想基带信号及绝对码与相对码的相互变换。该子系统下的基带信号有归零码波形、极性码波形、差分波形和多电平波形等，涵盖了数字基带信号的5种形式。常用码型有AMI（传号交替反转码），HDB3（三阶高密度双极性码），BPH（双相码），Miller（密勒码），CMI（传号反转码）5个模块。码间串扰模块演示如何判断无码间串扰的时域、频域条件。为了进一步说明基带通信系统模块，选择第三个模块（码间串扰）的理想基带信号时域无串扰演示程序。
在课程教学中分析此原理时，学生不容易理解时域无码间串扰条件含义。为解决这个问题，我们设计了一个演示程序（如图3所示）。将通过理想特性信号左右移动，恰好在抽样时刻让其他信号对抽样的影响为零。“初始信号”产生理想基带信号。单击“左移一个单位”按钮一次是将理想的基带信号在时域中左移一个单位，单击两次则是将两项信号左移两次。相应的“右移一个单位”就是将基带信号右移一个单位。从图中可知，在抽样时刻其他信号都是零，从而说明具有理想特性的系统在时域上满足无码间串扰。
2.3 数字频带系统
数字频带系统包括ASK，FSK，PSK，DPSK四个模块。DPSK模块演示程序界面如图4所示。它用前后码元的相位差为0表示传输数字信息“0”，前后码元的相位差为π表示传输数字信息“1”。传输的消息为绝对码，DPSK的调制方式是将绝对码转换为相对码再进行PSK调制。在学习这种调制技术时主要存在以下问题：（1）学生不清楚调制的波形是什么样的；（2）学生不明白绝对码变相对码的规律。为解决这些难题，设计程序时用文本框输入绝对码，相对码在另外文本框输出，画出基带信号的波形及已调DPSK波形，参照DPSK原理进行讲解。将其功率谱密度画出，说明其特点并且与ASK调制进行对比。采用这种方法解释DPSK调制方法，可以发现，先将绝对码变为相对码，然后再进行PSK调制。编程时，考虑了输入的消息变化，相应的基带信号和调制信号都变化。经过上述演示，反映这种方式更加生动具体。 3 演示系统在课程教学中的应用
在课程教学中，主要采用以下4种方法组织教学。（1）为了增加演示程序带来的乐趣，在设计画曲线波形图时，将绘制曲线的动作放慢以获得动画效果，并且增加了相应功能。（2）当课堂出现相应知识点时，在讲解知识点后，运行程序进行课堂演示，要求学生留心图形的要点，注意课程讲授的原理。这样既可以减少课堂的沉闷，又提高了学生的兴趣。（3）在完成相应的课程教学后，针对编程能力强的学生，我们提出要求，以大作业形式让学生完成。对于完成了大作业的学生，计入平时成绩。（4）在毕业设计时，将其中的一个系统模块让学生在教师的指导下完成。经过这4个方面的努力，既提高了学生对课程的理解，也提高了教师的教学水平。
4 结束语
采用Visual Basic设计出的通信原理演示系统用于课程教学，可对通信原理的模拟通信、数字基带通信和数字频带通信原理进行生动形象的演示。学生普遍感觉到原来死板、抽象的原理教学变得更加生动具体，学生学习兴趣变浓，学习氛围变好。该演示系统已经在2007级、2008级、2009级电子信息科学与技术专业，2009级电子信息工程专业的通信原理课程教学过程中应用，学生普遍反映教学效果较好，提高了学习积极性。未来我们将进一步完善演示系统，并将模拟信号的数字传输及其他内容也纳入演示系统，使其与课程的内容、教学方法联系更加紧密。
参考文献
[1] 刘凯，徐桢，张军.通信原理中的教学方法研究[J].高教论坛，2009（3）：26-29.
[2] 程钦，钱志文.通信原理可视化仿真平台的设计与实现[J].江苏技术师范学院学报，2011，17（6）：25-29.
[3] 邓红涛，查志华，张锐敏.Simulink在通信原理教学中的综合应用[J].教育教学论坛，2012（3）：211-212.
[4] 陈丽娜.基于SystemView的通信原理系统软件实验设计[J].实验室研究与探索，2009，28（9）：62-64.
[5] 孙爱晶，刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：135-137.
[6] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006.
关键词：可视化编程 通信原理 教学方法 课堂教学
通信原理是高等院校电子信息类学科非常重要的专业基础课程。它在本科教学中占有重要地位，是电子信息专业主干课程。该课程具有内容多、涉及知识面广、基本概念多等特点，学生觉得不易理解，教师也觉得不容易教好[1]。为了提高课程的教学效果，课程教学过程必须与其特点相结合。这方面前人已经做了大量工作，主要是将仿真技术与课程教学内容相结合，集中表现在以下两方面：（1）利用Matlab软件设计可视化系统平台，对课程的基本原理、基本方法进行仿真以提高教学效果[2，3]；（2）利用通信类专业经典软件，如SystemView，LabView，它们既与课程的基本理论相结合，又与通信原理硬件实验互补[4，5]。以上案例说明只有不断地研究、综合新技术、新方法，且将其运用于课程教学才能有效提高教学效果[1]。用可视化面向对象编程技术编制通信原理系统演示程序，既可以在一定程度上缓解实验设备短缺给教学带来的影响，也可以增强课堂教学的趣味性和直观性。
1 面向对象可视化编程介绍
面向对象这类程序运行时会弹出窗口，窗口组成了应用程序的界面，这就是所谓的图形用户界面（GUI，Graphic User Interface）。用户界面主要由窗口、菜单、按钮、对话框等控件组成，具有界面友好、操作简单等特点。面向对象程序设计的广泛应用和逐步完善，克服了软件设计中的效率低下、调试复杂、维护不易等缺点，是目前程序设计的趋势。
采用Microsoft公司推出的Visual Basic可视化软件进行界面设计，是基于事件驱动机制的编程方式，用户的动作决定程序的流程，每个事件都能运行一段程序代码。用它编程容易上手，设计的界面非常友好，功能非常强大。用该软件设计程序的流程如下：（1）根据通信原理的基本原理和方法，确定程序的基本算法和基本流程。（2）利用软件提供的标准可视化控件设计程序的界面，设计界面的目标应满足能生动地反映基本原理。（3）对界面的控件编写代码以实现演示功能。（4）测试相应的程序。
2 演示系统模块体系
通信原理的内容涉及广且需要的前续课程多，数学公式多，难度大。学生普遍反映课程原理性和综合性强、概念抽象、课程难度大[2]。为了突破难点，使之生动化、具体化，提高课程教学的效果，根据通信原理课程的教学大纲，将通信系统的模拟通信、数字基带通信、数字频带通信综合在一起组成可视化演示系统知识体系（如图1所示）。演示系统涵盖了通信原理课程的主要内容。
为演示系统功能及在课程教学中的应用，分别选择有代表性的演示子程序进行说明。
2.1 模拟系统
模拟通信系统模块主要有AM调制、FM调制2个模块，AM为调幅，是常规双边带调制[6]。AM可以分为标准调制、过调制、满调制3种。在课程教学过程中发现存在以下问题：（1）学生不能正确理解调制指数，因而不能根据调制指数正确分辨标准调制、过调制、满调制三种调制波形；（2）学生对于已调信号的包络认识不清，在教学时这个概念又不容易解释，需要有直观的图示才能正确说明；（3）学生对于FM调制和调相的关系不能正确理解。为正确解释AM调制，设计了演示程序。
AM演示程序的对话框界面是由按钮、文本框和图形框组成，其中文本框可以输入不同的调制指数来演示不同的已调波形。“调制信号”按钮产生一个正弦调制信号；“载波信号”按钮则在第二个图形框中画出高频载波信号；“AM调制”按钮在第三个图形框画出AM已调信号，并用曲线画出信号的包络。为了使演示产生信号具有吸引力，画曲线时，采用定时器控件产生动画效应；“清屏”作用是擦除图形框的图形；“返回子系统”的作用是退出当前的模拟通信子系统。在设计该模块时，特意加上时钟控件控制画图的速度，达到动态效果，以便在课堂演示时吸引学生的注意力。为了正确解释包络概念，程序在画完已调信号后，再以动态方式画出调制信号的包络。
2.2 数字基带系统
数字基带系统包括基带信号、常用码型、码间串扰3个模块。其中，基带信号模块包括了基带信号、单极性功率谱、双极性功率谱、理想基带信号及绝对码与相对码的相互变换。该子系统下的基带信号有归零码波形、极性码波形、差分波形和多电平波形等，涵盖了数字基带信号的5种形式。常用码型有AMI（传号交替反转码），HDB3（三阶高密度双极性码），BPH（双相码），Miller（密勒码），CMI（传号反转码）5个模块。码间串扰模块演示如何判断无码间串扰的时域、频域条件。为了进一步说明基带通信系统模块，选择第三个模块（码间串扰）的理想基带信号时域无串扰演示程序。
在课程教学中分析此原理时，学生不容易理解时域无码间串扰条件含义。为解决这个问题，我们设计了一个演示程序（如图3所示）。将通过理想特性信号左右移动，恰好在抽样时刻让其他信号对抽样的影响为零。“初始信号”产生理想基带信号。单击“左移一个单位”按钮一次是将理想的基带信号在时域中左移一个单位，单击两次则是将两项信号左移两次。相应的“右移一个单位”就是将基带信号右移一个单位。从图中可知，在抽样时刻其他信号都是零，从而说明具有理想特性的系统在时域上满足无码间串扰。
2.3 数字频带系统
数字频带系统包括ASK，FSK，PSK，DPSK四个模块。DPSK模块演示程序界面如图4所示。它用前后码元的相位差为0表示传输数字信息“0”，前后码元的相位差为π表示传输数字信息“1”。传输的消息为绝对码，DPSK的调制方式是将绝对码转换为相对码再进行PSK调制。在学习这种调制技术时主要存在以下问题：（1）学生不清楚调制的波形是什么样的；（2）学生不明白绝对码变相对码的规律。为解决这些难题，设计程序时用文本框输入绝对码，相对码在另外文本框输出，画出基带信号的波形及已调DPSK波形，参照DPSK原理进行讲解。将其功率谱密度画出，说明其特点并且与ASK调制进行对比。采用这种方法解释DPSK调制方法，可以发现，先将绝对码变为相对码，然后再进行PSK调制。编程时，考虑了输入的消息变化，相应的基带信号和调制信号都变化。经过上述演示，反映这种方式更加生动具体。 3 演示系统在课程教学中的应用
在课程教学中，主要采用以下4种方法组织教学。（1）为了增加演示程序带来的乐趣，在设计画曲线波形图时，将绘制曲线的动作放慢以获得动画效果，并且增加了相应功能。（2）当课堂出现相应知识点时，在讲解知识点后，运行程序进行课堂演示，要求学生留心图形的要点，注意课程讲授的原理。这样既可以减少课堂的沉闷，又提高了学生的兴趣。（3）在完成相应的课程教学后，针对编程能力强的学生，我们提出要求，以大作业形式让学生完成。对于完成了大作业的学生，计入平时成绩。（4）在毕业设计时，将其中的一个系统模块让学生在教师的指导下完成。经过这4个方面的努力，既提高了学生对课程的理解，也提高了教师的教学水平。
4 结束语
采用Visual Basic设计出的通信原理演示系统用于课程教学，可对通信原理的模拟通信、数字基带通信和数字频带通信原理进行生动形象的演示。学生普遍感觉到原来死板、抽象的原理教学变得更加生动具体，学生学习兴趣变浓，学习氛围变好。该演示系统已经在2007级、2008级、2009级电子信息科学与技术专业，2009级电子信息工程专业的通信原理课程教学过程中应用，学生普遍反映教学效果较好，提高了学习积极性。未来我们将进一步完善演示系统，并将模拟信号的数字传输及其他内容也纳入演示系统，使其与课程的内容、教学方法联系更加紧密。
参考文献
[1] 刘凯，徐桢，张军.通信原理中的教学方法研究[J].高教论坛，2009（3）：26-29.
[2] 程钦，钱志文.通信原理可视化仿真平台的设计与实现[J].江苏技术师范学院学报，2011，17（6）：25-29.
[3] 邓红涛，查志华，张锐敏.Simulink在通信原理教学中的综合应用[J].教育教学论坛，2012（3）：211-212.
[4] 陈丽娜.基于SystemView的通信原理系统软件实验设计[J].实验室研究与探索，2009，28（9）：62-64.
[5] 孙爱晶，刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：135-137.
[6] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006.