李　環(huán)　任　波

【摘要】首先分析了通信原理課程的教學改革現(xiàn)狀，為解決教學難點問題創(chuàng)立了虛擬儀器通信原理教學平臺，平臺涵蓋通信原理課程的全部主要內(nèi)容，形式新穎，將通信系統(tǒng)如動畫般展示，在一定程度上解決了課程難教難學的教學難題。

【關鍵詞】通信原理；虛擬儀器；教學平臺；LabVIEW；教學改革

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2009）06—0107—04

一 通信原理課程的地位及教學特點

當今世界已進入了飛速發(fā)展的信息時代，通信技術與傳感技術、計算機技術緊密結(jié)合，成為21世紀國際社會和世界經(jīng)濟發(fā)展的強大推動力。培養(yǎng)滿足社會需要的通信專業(yè)人才成為高等院校通信工程專業(yè)教學改革的重點問題。通信原理是通信工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程，也是一門專業(yè)標志性課程，是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計、電路、模擬電子線路、信號與系統(tǒng)、隨機信號分析等課程為先修課的專業(yè)基礎課，為后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎，在專業(yè)課程設置中起著承上起下的關鍵作用，占有重要的教學地位。課程所包含的內(nèi)容是通信工程專業(yè)本科生的知識結(jié)構(gòu)中必須具備的重要部分，為學生形成通信專業(yè)的理論體系與技術思想 發(fā)揮著重要作用，對于專業(yè)建設等教學研究工作有著重要的支持作用[1]。

課程的教學特點是：（1）基本概念和基本原理都很抽象，數(shù)學公式和理論推導相對較多，數(shù)學基礎要求高，理論性比較強，是信號理論和系統(tǒng)理論的延伸和推廣，教材偏重數(shù)學分析，對通信原理的物理過程講述不夠，學生感覺枯燥難懂，難以引起學習興趣。（2）內(nèi)容較多，涉及的知識面寬。隨機信號的分析是全書的基礎，模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、信源編碼和信道編解碼、數(shù)字基帶系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)的最佳接收等在課程中都非常重要，需要一系列先修課程的支持，學生知識儲備不足。（3）教師在講課中不僅要使同學扎實掌握各個基本知識點，而且要將通信系統(tǒng)的各部分內(nèi)容有機串聯(lián)起來，使學生掌握各個知識點和整個通信系統(tǒng)的關系，如何在有限的學時內(nèi)完成教學任務也是一個難題?？傊菊n程教與學的難度都很大[2][3]。

二 課程教學改革的現(xiàn)狀、難點及對策

在高等院校中，針對通信原理課程的特點，進行了廣泛的課程教學改革，取得了很多優(yōu)秀成果，如省級、國家級精品課、優(yōu)秀教學成果獎。目前本課程教學改革的主要優(yōu)秀成果如下：

（1） 采用綜合實驗箱。將每箱一個實驗的傳統(tǒng)實驗箱改變?yōu)榭勺龆鄠€實驗的模塊化綜合實驗箱，提高了性價比，增加了實驗項目。

（2） 將仿真軟件應用于通信原理實驗，豐富實驗內(nèi)容。目前通信系統(tǒng)的仿真主要分為軟件仿真和硬件仿真。軟件仿真是依據(jù)通信原理實現(xiàn)通信系統(tǒng)的虛擬仿真； 主要有MATLAB/Simulink、SystemView等；硬件仿真是從系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)的角度仿真實際電路，主要有EWB/Multisim、PSpice、Protel、QuartusⅡ、ADS等[4]。

（3） 采用現(xiàn)代教育手段。采用幻燈片、多媒體課件、網(wǎng)絡等現(xiàn)代化教學手段和一些仿真軟件等搭建網(wǎng)絡通信原理教學平臺，共享教學資源，學生能夠通過網(wǎng)絡進行理論學習并可進行網(wǎng)上仿真實驗等，教學內(nèi)容更加豐富生動，便捷的網(wǎng)絡溝通手段和互動的網(wǎng)絡平臺打破了傳統(tǒng)教學模式的時空限制，擴大了學生的自學空間，提供了交互式、開放式、自主式的新學習模式[5]。

從當前教學改革成果來說，綜合實驗箱、軟件仿真實驗、建立網(wǎng)絡教學系統(tǒng)等豐富的教學形式取得了很好的效果，非常值得學習和借鑒。但也存在下列突出的熱點、難點問題：

（1） 綜合實驗箱仍存在一些不足。沒能克服硬件驗證性實驗固有的動手多、動腦少的缺點；實驗數(shù)目增加了，但由于通信原理課程內(nèi)容較多以及硬件的制約，綜合實驗箱不可能全部覆蓋理論教學內(nèi)容，仍然存在盲區(qū)。

（2） 基于MATLAB/Simulink、SystemView等平臺提供的通信模塊都是封裝好的，模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看不到，通信原理課程講授的恰恰是內(nèi)部的具體實現(xiàn)，是要求學生掌握的主要內(nèi)容，因此只能進行系統(tǒng)級仿真，不能進行波形級仿真，沒能從根本上脫離驗證性實驗的模式。

（3） 以MATLAB/Simulink、SystemView等為代表的軟件仿真是虛擬的、原理級仿真，沒有相應的硬件支持，不能硬件實現(xiàn)。以EWB/Multisim、PSpice、ADS等為代表的硬件仿真，從系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)角度仿真實際電路。這兩類仿真各自獨立進行，兩者之間缺乏聯(lián)系和銜接，使學生感覺理論和實際之間有距離。沒有既能實現(xiàn)原理級的仿真，又可作為硬件實現(xiàn)的通信平臺將理論和實際銜接起來。

（4） 網(wǎng)絡課堂的電子資源有待進一步完善。在電子教案中，有些含有Flash制作的動畫，幫助學生理解原理，但Flash動畫也只停留在演示結(jié)果的層面上，不是真的通信系統(tǒng)。以 MATLAB/Simulink、SystemView等軟件仿真只能進行系統(tǒng)級仿真。

為解決上述教學改革中突出的熱點、難點問題，在多年的教學中不斷摸索積累，結(jié)合通信系統(tǒng)構(gòu)成具有模塊化的特點，采用虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW開 發(fā)了通信原理教學平臺。

三 虛擬儀器通信原理教學平臺的組成和特點

LabVIEW是圖形化編程環(huán)境，它的最大優(yōu)點是直觀易學，編程效率高，在開發(fā)各種儀器及虛擬電路方面有其獨到之處。LabVIEW不僅僅是一種編程語言，更是一種高度交互式的開發(fā)環(huán)境，用來快速設計原型和進行應用程序的漸進式開發(fā)，從測量、 自動化到實時嵌入式系統(tǒng)，再到通用場合。LabVIEW具有對FPGA編程下載的能力，具有數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序，所以LabVIEW也是一個硬件設計工具。其計算、分析、顯示功能，豐富的信號分析和處理方面的庫函數(shù)以及軟、硬兼?zhèn)涮匦苑浅＿m合通信系統(tǒng)的設計與分析[6]。

但LabVIEW的商用通信軟件包提供的通信模塊都是封裝好的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)看不到，這一點與MATLAB/Simulink、System View等仿真語言的語句類似。通信原理課程要學習的恰恰是內(nèi)部的具體實現(xiàn)，要使LabVIEW應用于通信原理教學中必需花大力氣自主開發(fā)通信軟件包。為解決此難題，在我校實驗技術基金的支持下進行了教改立項，項目組成員分工合作，結(jié)合通信原理的教學，針對各種基本通信系統(tǒng)的各種調(diào)制方式和編碼方式，編寫出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器通信原理教學平臺。

平臺的硬件系統(tǒng)由計算機、連接外部的端口、數(shù)據(jù)采集卡、射頻卡等構(gòu)成，在LabVIEW軟件控制下可完全模擬和替代傳統(tǒng)的儀器。射頻前端+A/D+計算機=一臺接收機，計算機+ D/ A +射頻輸出=一臺發(fā)射機。因此，平臺不僅是一個用于教學演示的仿真軟件，同時也是硬件實現(xiàn)方式的一種，與傳統(tǒng)硬件不同的是采用了 較先進的軟件無線電理論，在此平臺上，只需改變軟件程序，就可以構(gòu)成不同的通信系統(tǒng)。

平臺的軟件部分包括：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字基帶系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)、模擬信號的數(shù)字傳輸、數(shù)字信號最佳接收系統(tǒng)、信道編碼器、信源編碼器、碼分復用系統(tǒng)，涵蓋了通信原理課程的主要內(nèi)容。每個通信系統(tǒng)的軟件部分都由兩部分組成：（1）各種調(diào)制方式和編解碼方式的可供調(diào)用的通信模塊，給出了模塊的內(nèi)部實現(xiàn)。（2）調(diào)用模塊構(gòu)成了基礎通信系統(tǒng)和綜合通信系統(tǒng)。平臺功能完善、內(nèi)容豐富、形式新穎、模塊化設計符合通信系統(tǒng)的方框圖特點，將通信系統(tǒng)如動畫般展示，使通信系統(tǒng)的設計像搭積木一樣有趣，枯澀難懂的通信理論變得形象生動，學生愛學、易學，充分調(diào)動學生的學習積極性，提高學生學習興趣，解決了理論教學難題。

四 虛擬儀器通信原理教學平臺程序舉例

圖1為虛擬儀器通信原理教學平臺進入界面。點擊“系統(tǒng)概述”和“系統(tǒng)組成” ，可初步了解該系統(tǒng)。點擊“系統(tǒng)選擇” 進入圖1。再點擊各個系統(tǒng)，可進入相應系統(tǒng)。點擊“STOP”或“返回” 鍵，返回上一界面。如點擊“模擬信號的數(shù)字傳輸” ，進入圖2“模擬信號的數(shù)字傳輸”進入界面。在圖2中點擊“PCM脈沖編碼調(diào)制” 進入圖3“PCM脈沖編碼調(diào)制” 前面板。在圖3中點擊“波形選擇” 的上下鍵來選擇多種輸入信號，可以改變輸入信號的頻率、振幅等，可觀察各種輸入信號下的抽樣值、映射值、每個映射值對應的PCM編碼、信道中的PCM波形、譯碼輸出波形等，會看到譯碼輸出波形隨著輸入信號的變化而變化，從而驗證了系統(tǒng)設計的正確性。

在LabVIEW環(huán)境下，可在前面板的標題欄中選“窗口--顯示程序框圖” 進入后面板，后面板為LabVIEW的框圖化程序，前、后面板中的輸入、輸出控件是一一對應的，在后面板中可以看到前面板的功能是如何具體編程實現(xiàn)的。

圖4為“PCM脈沖編碼調(diào)制” 后面板，可清楚地展示PCM系統(tǒng)的詳細工作過程：發(fā)送端抽樣、映射、編碼后送入信道，接收端反映射、PCM譯碼、恢復原信號。其中“映射”、“PCM編碼” 等是作者編寫的模塊化子程序，雙擊程序模塊，可進入子程序的前、后面板，如“PCM編碼” 模塊 ，是一個包含若干子程序的逐次比較（類似砝碼稱重物）編碼程序，如圖5“PCM編碼子程序” 后面板所示，PCM編碼中極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的復雜編碼過程被清晰地展現(xiàn)。

五 結(jié)束語

虛擬儀器通信原理教學平臺涵蓋了通信原理課程的主要內(nèi)容，提供了可供調(diào)用的通信模塊，既給出了模塊的內(nèi)部實現(xiàn)，又調(diào)用這些模塊構(gòu)成了各種基礎通信系統(tǒng)和綜合通信系統(tǒng)，該平臺具有的特點如下：

（1） 平臺形式新穎，模塊化設計符合通信系統(tǒng)的方框圖特點，非常適合通信原理課程的教學，將通信系統(tǒng)如動畫般展示，使通信系統(tǒng)的設計像搭積木一樣有趣，枯澀難懂的理論變得形象生動，學生愛學、易學，充分調(diào)動學生的學習積極性，提高學生學習興趣，解決了理論教學難題。

（2） 平臺功能完善，內(nèi)容豐富，平臺涵蓋通信原理課程的全部主要內(nèi)容，實現(xiàn)了課程教學內(nèi)容的無盲區(qū)全方位覆蓋，彌補實驗箱覆蓋面有限的不足。

（3） 平臺通過系統(tǒng)運行結(jié)果及每一步具體實現(xiàn)過程的詳盡解析，使學生真正學懂理論，改變了驗證性實驗中學生動手多，動腦少，只知其然，不知其所以然的被動局面，彌補了實驗箱等驗證性實驗的不足。

（4） 平臺能實現(xiàn)通信系統(tǒng)的波形級及系統(tǒng)級仿真，而且生動形象、寓教于樂，嵌入到網(wǎng)絡課堂上，網(wǎng)絡課堂內(nèi)容更加完善，使交互、開放、自主的網(wǎng)絡學習模式發(fā)揮更大的作用。

（5） 本通信平臺，不僅僅是一個用于教學演示的仿真軟件，同時也是軟件無線電方式的一種硬件實現(xiàn)，在此

平臺上，只需改變軟件程序，就可以構(gòu)成不同的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了原理級的軟件仿真與硬件實現(xiàn)的銜接，縮小了理論和實際之間的距離。

（6） 平臺中設計了可供調(diào)用的模塊化通信軟件包，為基礎實驗、課程設計、畢業(yè)設計各實踐教學環(huán)節(jié)提供了新的平臺和手段。

總之，虛擬儀器通信原理教學平臺的創(chuàng)立為高校通信原理課程的教學提供了新的途徑，為課程的理論教學、實驗、課程設計、畢業(yè)設計和科研提供支持，具有廣泛的應用前景。平臺的軟件部分在遼寧省第九屆教育軟件大賽高等教育本科組的壹百多名獲獎者中名列第一。配套著作《通信系統(tǒng)仿真設計及應用》詳細介紹了平臺的全部內(nèi)容，將由電子工業(yè)出版社近期出版發(fā)行。平臺的演示版可由遼寧教育網(wǎng)優(yōu)秀教育軟件展免費下載，希望能對相關教師和學生有所幫助。

參考文獻

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[2] 張士兵,章國安.“通信原理” 課程教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報,2006,28(4):10-13.

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[5] 張慧,初婧.通信課程教學中的EDA技術[J].山東電大學報,2006,3(2):16-17.

[6] 武一,楊瑞霞.基于LabVIEW實現(xiàn)數(shù)字電路的仿真[J].微計算機信息(測控自動化),2007,23(4-1):259-261.

The Design and Exploitation of Teaching Flat for Principles of Communications Taking Use of Virtual Instruments

LI Huan1REN Bo2

(1. School of Information Science and Engineering, Shenyang LiGong University, Shenyang,Liaoning,110168,China;2.School of Equipment Engineering,Shenyang LiGong University, Shenyang,Liaoning,110168,China)

Abstract: The actuality of teaching reform about principles of communications is analyzed. In order to solve the problems in teaching, a teaching flat is founded based on virtual instruments .Most of the curricular contents are contained in the flat. Its novel style displays communication systems as cartoon. The problems of the curriculas hard to teach and learn are solved in some ways.

Keywords: Principles of Communications; Virtual Instruments; Teaching Flat; LabVIEW; Teaching Reform