摘" 要：通信原理课程具有概念多、理论抽象的特点，学生普遍反映理解并应用这些知识存在一定难度。为提高学生的实践动手能力，将理论与实践相结合，文章基于不同平台构建了一套实验体系，包括基于软件仿真的验证性实验、基于虚实结合的设计性实验、基于无线通信实验平台的综合性实验。教师可根据学生基础知识水平以及可用的实验环境，选择合适的平台来配合理论教学。实践结果表明，这套多平台的课程实验体系不仅可以实现理论与实践的相互融合，帮助学生更好地理解通信原理及流程，还能极大地派发学生的创新精神，为学生的毕业设计、科技创新项目提供了便利的平台和启发性思路。
关键词：通信原理实验；虚实结合；仿真软件；科技创新
中图分类号：TP39；G434" 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）18-0184-05
Exploration and Practice of the Construction of Communication Principle Experimental Platform
SHEN Maiying， SU Qiao， GAO Yuanyuan， GUO Mingxi， SHA Nan
（Communication Engineering College， Army Engineering University of PLA， Nanjing" 210000， China）
Abstract： The communication principles course has the characteristics of many concepts and abstract theories， and students generally report that it is difficult to learn and use them well. In order to improve students practical ability， a set of experimental systems were constructed based on different platforms， including verification experiments based on software simulation， design experiments based on the combination of virtual and real， and comprehensive experiments based on wireless communication experimental platforms. Teachers can choose the appropriate platform to use according to the basic level of students and the use environment. The practical results show that the multi-platform course experiment system can not only realize the integration of theory and practice， help students better understand the concept and process of communication， but also greatly promote the innovative spirit of students， and provide a convenient platform and ideas for students graduation design and scientific and technological innovation projects.
Keywords： experiments on the principles of communication; combination of virtual and real; simulation software; scientific and technological innovation
0" 引" 言
2018年3月底，教育部印发《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》[1]，新的工科课程体系强调实践，强调以科研实践项目和毕业设计研发项目等培养学生的实践能力，这是高等教育培养人才的重要内容之一。课程实践科目、参加科学创新比赛、毕业设计项目等多种方式都可以培养学生的实践能力，而利用好基础课程的实践学时则是事半功倍的方法之一[2]。21世纪数字技术对教育提供了重大的机遇和挑战，高等教育正进行自我转型和提升，实践内容必须紧跟时代发展，创新改革，更好地服务于学生实践能力的提升[3]。
《通信原理》课程是我校电子信息科学与技术、通信工程等专业的专业基础课程，本门课程是所有通信系统工作原理的抽象和概括，它从系统级、模块级层次上介绍了通信信号如何从发端传输到收端[4]。其课程特点决定了其系统性强、公式多、原理抽象以及对数学知识要求较高。同时，新兴通信技术更新换代快，需要在课程中融入各种新技术，仅通过理论授课很难实现教学目标的高质量达成。总结起来，主要原因如下：
1）常规课程多注重理论授课，仅能通过少量实验课时完成验证性实验，学生不能深刻理解各模块功能[5]，也很难深层次探索学生的创新实践能力；
2）我校学员层次多，传统实验箱可实现的内容及体系单一，不能满足个性化、创新性需求；
3）实验内容以验证性为主，学生在实验过程中只需按照实验指导书进行连线操作，学生参与度不高，不能满足学员高阶性要求，无法调动学生积极性；
4）实验室规模有限，不能满足大批量学生同时使用，“互联网+教育”改革的益处没有得到真正普及。
综合以上各种因素，通信原理实验改革迫在眉睫。
1" 平台建设
综合以上因素，通信原理教学组综合考虑了不同层次学员的需求，整合资源构建了多层次的通信原理实验平台，主要包括以仿真软件为主的验证性实验平台、虚实结合的无线通信实验平台、基于创新的USRP的软件无线电实验平台，这些平台可根据教学目标与内容选择合适的实验平台。
依托计算机机房构建以Systemview、Matlab[6]为主的仿真软件平台。软件入门简单、方便，因此平台主要用于进行课程验证性与演示性实验，如眼图、二进制数字调制波形和频谱图，其受众学生为大专、外训及本科学员。
疫情以后，为解决教师与学生不能面对面实验的需求，构建了远程虚拟一体无线通信系统综合实验平台，其外观如图1所示。学生既可在实验室平台上完成实验，也可以通过网络进行远程操作，有效地解决了实验场地与学生实验时间冲突的矛盾。与仿真软件不同，无论是实地还是远程操作，都是对硬件平台进行操作，因此其输出结果更接近于实际通信系统。平台共分为8个模块，分别为信号源、信源编码、信道编码、调制、解调、信道译码、信源译码、信宿。既可实现对单个模块的实验，也可以实现完整的数字基带传输系统及数字频带传输系统，借助该平台可实现理论验证、实时操作、二次开发，可满足本科生高阶要求。
实验室还建设了基于USRP的软件无线电平台，软件无线电是通过开放性、可拓展、结构精简的硬件作为通用平台，并利用软件来实现可重构的各种功能。它因具备多频段、宽频带和多种接口和协议的特点，在实现特定用户的通信系统中发挥着重要作用。借助USRP构造各类无线通信系统，可以满足本科生毕设、科技创新项目、研究生理论验证的需求。
三种平台的受众、优缺点各不相同，教师在上课时可根据学生的学习基础和目标选择合适的平台或综合使用。
2" 实验操作
通信原理课程内容的学习需要掌握基本概念、性能分析、应用拓展、进而实现创新设计，借助不同平台将理论与实践相结合，学生在直观感受时域、频域波形的同时，能更深刻地理解通信系统各模块的功能，增加学习兴趣，进而向创新设计发展。本文针对三类不同平台选取典型实验进行介绍，充分展示不同平台的优缺点。
2.1" 以演示、验证为主的软件仿真类实验
本门课程的理论分析较抽象，数学计算较多。如果仅仅从理论推导、数学验证来授课，学生可能难以理解，学习效果不佳。因此，在理论授课过程中会引入各类仿真验证，使内容更加形象生动，学生更容易接收。以本书第第五章“数字基带信号的传输”为例，本章是本门课的重点和难点。依托数字基带传输系统模型，从发送、传输、接收三个过程依次学习。其中，眼图是观察码间串扰和噪声影响的一种直观方法，也是通信系统调试时常用的简便工具。其理论知识以及模型图比较容易理解，但纯粹理论不够直观。因此，上课的过程中我们会使用Systemview软件当场进行演示[7]。通过SystemView仿真软件可建立模型图如图2所示。模型图所示为一个双极性信号通过带通滤波器的过程，同时系统中有噪声的影响。接收端通过一个低通滤波器后进行信号输出，此模型图可模拟信号通信过程，通过调整带通滤波器的截止频率以及噪声的大小，可以分别用来表示码间串扰与噪声对信号的影响。在理论授课过程中，首先设噪声为0，将码间串扰的影响减小为0，学生可通过直观观察得出结论：眼图就是利用示波器的余辉作用，通过多个波形的叠加得到的，如图3所示，因其形状像眼睛而得名。其次，通过修改系统中的信号频率以及抽样速率观察眼图，分析码间串扰对其影响，可发现眼图会错乱叠加，如图4所示，理论分析与实验结果对应。最后，增大噪声功率，可发现眼图的“眼睛”睁开程度变小，这对应的是理论分析中噪声对信号的影响。
不同的结果形象直观地展示了眼图的功能，便学生更容易理解。采用这种方法上课，能够明显提高学生的兴趣，使原本枯燥的内容变得生动形象，同时也让上课氛围变得更加轻松。
2.2" 以USRP为主的促进学生创新型实验
为提高学生毕业后的岗位适应能力，学校通过科技创新项目激励学员大胆尝试创新，我们为学员提供USRP硬件平台与LabVIEW虚拟仪器[8]。本文以逼近信道容量的低PAPR星座图设计为例，展示了此平台的使用。
本项目利用LabVIEW和USRP[9]相结合，设计了一种星座图，旨在实现高速率以及低峰均功率比的目的。首先，我们从理论上推导出逼近信道容量以及低PAPR的星座图规律，然后在LabVIEW程序框图完成系统收发设计，如图5所示。最后，通过将USRP与主机相连，进行硬件调试。
利用此平台，学生既可以进行仿真设计，也可以进行本地硬件测试，极大地提高了学生的自主学习及创新能力，并加深了对课程内容的理解。目前已经连续几届学生利用此平台参加科技创新项目以及毕业设计任务，反馈效果良好。
2.3" 基于无线通信实验平台的综合系统实验
为了更好地解决硬件平台数量不足、学生时间不自由、实验偏仿真的问题，课程组建设了无线通信实验平台。该平台支持在线或现场硬件实验，数据真实可靠，并且平台提供实验管理功能，学生可在线预约实验、提交实验报告、与教师实时沟通，教师可在线发布实验任务、批改实验报告等[10]。学生除了完成各模块的单个实验外，还可以进行综合实验和二次开发，从而达到基础与提高并重的目的。
本文以在无线通信实验平台上设计完整的DQPSK频带通信系统为例，介绍此平台的使用。频带通信系统是一个完整的通信过程，包括信号源、信源编码、信道纠错编码、频带调制、信道传输（加噪）、频带解调、信道纠错译码、信源译码、音视频终端等数字通信要素。实验过程中，教师引导学生将频带通信系统拆分为三部分，即信源编译码、信道编译码以及调制解调系统，利用平台的二次开发功能，动手设计每个模块，并验证信号传输的正确性。
无线通信实验平台是基于控件的。首先，在顶层搭建整个通信系统模块，其中信源编码在A2开发板、信源译码在A7开发板、信道编码在A3模块、信道译码在A6模块、调制在A4开发板、解调在A5开发板。其次，分别设计各个模块，采用由局部到整体的思路，首先仅设计信源编译码系统，查看是否可以在信源编码后直接采用信源译码的方式恢复源信号。在此基础上，增加信道编译码，检查A2输出的序列经过信道编码后是否可以直接进行信道译码并得出正确的序列。最后，在信源编译码和信道编译码的基础上，增加调制解调系统，以实现完整的数字通信过程。
2.3.1" 信源编译码系统设计
信源编译码系统由A1、A2、A7、A8模块组成，包括对A1产生信号的数字化、多址复接、多址解复接、信源译码等部分。根据以下步骤完成：
1）顶层设计。此部分仅涉及A1、A2、A7、A8模块的使用，其他模块的线路不连接，将平台硬件和软件的A1、A2、A7、A8模块连接起来，如图6所示。
2）PCM编码设计。首先将信号数字化，操作A2模块搭建PCM编码电路，模拟信号输入经过带通滤波器（300-3400）；其次进行多址复接，拖出时分复用模块和开关码模块，将开关码模块和PCM模块输出的信号分别连接到复接模块的第一个时隙和第二个时隙。这里，我们将帧头设置为0x7e（二进制为：0111 1110），将复接时隙数设置为2个时隙，使用示波器第1和第2通道分别观测复接帧脉冲和复接数据。整体连接如图7所示。
使用示波器依次观察输入信号、同步帧脉冲以及PCM译码输出。
3）PCM译码设计。在信源译码阶段，首先需要进行帧同步，将输入信号连接至帧同步模块。接着进行多址解复接，即将帧同步模块的输出连接时分解复接模块，然后将PCM译码电路连接到输出的第二个时隙。整体连接如图8所示，使用示波器依次观察输入信号、同步帧脉冲以及PCM译码输出。至此，信源编译码设计完成。此过程与教材学习不同之处在于，它将编码、同步等环节结合起来，从而锻炼学生整体统一的思维方式。
2.3.2" 信道编译码系统设计
信道编译码是在上述信源编译码基础上，增加了A3、A6模块并进行连接。A3模块负责将A2模块产生的编码信号加上纠错编码，这里使用汉明编码。首先进行串并变换，然后进行汉明编码，编码的输入速率与前面模块的输出速率相同。编码完成后，进行组帧操作，组帧的输入速率即为上个模块汉明编码的输出速率。组帧的过程是每两组组成一帧，每帧加—个8bit的帧头（0x7e）。组帧结束后，为了将数据输出，需要将并行数据进行并串转换。译码模块则执行相反操作。信道编码设计图如图9所示。
2.3.3" 调制解调系统设计
调制解调系统需要增加A4频带调制模块和A5频带解调模块。信号输入后，DQPSK调制首先进行串并转换，将数据转换成IQ两路并行数据，串行输入时钟与A3模块输出时钟一致。串并转换后进行4相差分，然后是QPSK符号映射后与载波同向输出和正交输出分别相乘，乘法器的输出端送到加法器，然后连接至DA输出模块。调制整体设计图如图10所示。
系统完成后，可以运行系统并观察实验结果，A1模块可切换不同信源类型，如系统自带的不同频率常规波形，也可以输入语音信号、视频信号等。学生完成实验后能够对实际通信系统有更加清晰明了的理解，并且能将所学理论知识与实际通信系统紧密联系起来。
无线通信实验平台是课程建设适应时代发展的产物，其操作方便，实验数据可回溯，同时实现硬件实验的目的，可适应不同学习基础的学员。
3" 结" 论
目前，通信原理课程基于多种平台的实验改革已顺利解决培养层次多、基础不同的问题，也极大地促进了学生理论学习的兴趣，使课堂变得更生动，增强了学生的创新学习能力。学生通过不同平台多次参与大学组织的创新设计大赛，并取得了优异成绩；形式多样的实验内容也获得了学生的肯定，多位学员的毕业设计在已有实验的基础上进行了改进和创新；疫情期间，无线通信实验平台也多次发挥线上实验功能，解决了空间和时间的问题。本课程遍地开花的实验方法也为其他类似专业课程提供了思路。
参考文献：
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[2] 教育部.教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知 [EB/OL].[2023-12-26].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.
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作者简介：申麦英（1988—），女，汉族，山东济南人，讲师，硕士研究生，研究方向：无线传感器网络。
