摘要 对通信原理课程的理论教学和实验教学进行分析和研究,在实验装置和综合实验项目的设置等方面深入探索,提出有效开展通信原理基础实验和综合设计实验的教学方法和途径。
关键词 通信原理;综合实验;实验教学创新
中图分类号:G642.423 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2010)15-0113-04
Design and Realization of Integrative Experimental Project for Principle of Communication//Liang Minghai
Abstract The disquisition not only gives out analyses and researches about both theoretical and experimental teaching, but also explores some relative aspects in depth, such as the equipments for the experiment and the configuration of the project of the integrative experiment, which leads to the introduction of the efficient methods and approaches for developing the education of the fundamental experiment as well as the integrative design experiment for the Principle of Communication.
Key words principle of communication; integrative experiment; innovation of experiment teaching
Author’s address Department of Computer Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou, Guangxi, China 545006
在通信原理课程的实验教学中,往往只在重要章节上安排一些基础实验,多为演示性、验证性实验,很少安排学生进行通信系统综合设计实验。事实上,让学生综合运用所学知识和实验室的条件,设计并实现一个完整的可通话的通信系统是十分必要的,否则理论教学就收不到应有的效果。因此,有必要在实验装置和综合实验项目设计等方面作深入的探讨与研究。
1 通信原理综合实验项目的设计
通信原理课程的内容很多,既要开设演示性、验证性实验,也要开设综合设计实验,往往没有那么多的学时数。如果不能科学地、合理地安排实验教学内容,盲目开设综合实验,不仅收不到应有的效果,而且会人为地增加学生学习的困难,造成难教难学的局面。教师可以在确保不出现知识断层的前提下,将各个基本实验的内容连成一个有机的整体,把综合性、设计性实验的难点分散到各个基本实验中。综合性、设计性实验必须由浅到深,循序渐进,以满足不同层次学生的教学需求。设置的综合实验项目主要是含PCM编译码和HDB3编译码的多人可通话的频带通信系统实验,要求学生用PCM模块、HBD3编译码模块、数字信源模块、数字调制模块、载波时钟提取模块、数字解调模块、帧同步提取模块、数字终端模块构成一个2人可双向通话的数字频带传输系统,并进行调试,使系统工作正常。系统的组成和连接框图如图1所示。
如果学生完成这个实验太难,可先完成简单的系统实验。
1)理想时分复用数字基带通信系统实验。要求学生用信源合路模块、数字终端模块,构成一个理想信道时分复用数字基带通信系统,掌握时分复用数字基带通信系统的基本原理,掌握复接、分接方法,了解位同步信号、帧同步信号在数字分接中的作用。
2)含HDB3编译码的时分复用数字基带通信系统实验。要求学生用信源合路模块、HBD3模块、帧同步模块、终端模块构成一个数字基带传输系统并调试,掌握HDB3编译码原理和帧同步提取原理,说明在系统中加入HDB3编译码和帧同步提取电路的作用和意义。
3)含PCM编译码的语音数字基带通信系统实验。要求学生用PCM编译码模块、数字信源模块、HDB3模块、帧同步模块、数字终端模块构成一个数字基带传输系统并调试,掌握PCM编译码原理,并将PCM模块编码器输出的PCM码作为外码输入给信源模块进行合路,将数据终端输出的信号输入到PCM模块的译码器进行译码输出,组成完整的语音数字基带通信系统。
4)数字频带通信系统实验。要求学生用数字信源模块、数字调制模块、载波时钟提取模块、数字解调模块、帧同步提取模块、数字终端模块构成一个数字频带传输系统并进行调试,掌握数字调制、载波时钟提取、数字解调的原理,说明在系统中加入数字调制电路、载波时钟提取电路、数字解调电路的作用和意义。
2 综合实验项目的实现
要实现以上综合实验项目,必须有与之相应的实验装置。整个实验装置必须由多个模块电路组成。运用其中的1个或2个模块电路即可进行一些基础实验(如调制解调);把多个模块电路连通,或者在简单的系统上增加1～2个模块,或者通过转换开关改变实验电路的接线,就构成更复杂的通信系统。下面简述常用的而且已经被实现的电路模块电路功能、结构及原理框图。
2.1 信源合路模块
1)产生四路八位二进制数码(称之为内码)及相应的时序信号。
2)将这四路内码或来自模块外的数码(称为外码)合成一路信码(时分复用),信码的帧结构是:第0路为帧同步码(巴克码01110010或11110010),第1、2、3路为数据码。每帧长为32位,信码速率为256 kbit/s。
3)将信码进行码型转换,可输出单极性非归零码(NRZ)、单极性归零码、双极性非归零码、双极性归零码、双相码、传号交替反转码(AMI)。同时还有位时钟信号和帧同步信号输出。
4)本模块的时钟电路输出2 048 kHz(2 MHz)、1 024 kHz(1 MHz)、256 kHz、8 kHz的时钟信号,以便供其他电路使用。
电路框图如图2所示。
2.2 数据终端模块
1)利用输入的位时钟和帧同步信号对一帧码元数据实现分接,输出到各路的终端设备。给各路终端提供码元数据和相应的时序信号。
2)在本电路中有一个开关S1,其作用是控制信码序列在接收时是否错位。
电路框图略。
2.3 HDB3编译码模块
1)将输入的位时钟信号和单极性非归零码进行HDB3编码并输出(占空比50%)。
2)将输入的HDB3码进行译码,译成单极性非归零码并输出供下级电路使用。
3)译码电路用直接滤波法从HDB3码中提取出位时钟,并输出供下级电路使用。
4)译码电路能对输入的HDB3码进行编码规则错误检测,并显示。
电路框图略。
2.4 PCM编译码模块
1)将输入的音频信号进行PCM编码并输出(A律)。
2)将输入的PCM码进行译码,译成音频信号并输出。
3)本模块自带时钟产生电路,可输出2 048 kHz(2 MHz)、1 024 kHz(1 MHz)、256 kHz、8 kHz时钟信号,供本电路和其他电路使用。时钟电路的内部振源由K5控制。
4)为了实验方便,电路提供一个2 kHz的正弦波信号,其幅度可调。
5)本电路有两路PCM编码输出,它可作为外码输入到信源模块的合路器合路传送。
6)本电路有两路PCM译码输入,它可来自数据终端模块的输出。
电路框图如图3所示。
2.5 数据调制模块
1)将输入的信码(或内码)采用二进制振幅键控法(2ASK)进行调制后输出。
2)将输入的信码(或内码)采用二进制移频键控法(2FSK)进行调制后输出。
3)将输入的信码(或内码)采用二进制移相键控法(2PSK)进行调制后输出。
4)将输入的信码(或内码)采用二进制差分相位键控法(2DPSK)进行调制后输出。
5)本模块自带时钟产生电路,可输出2 048 kHz(2 MHz)、1 024 kHz(1 MHz)、256 kHz时钟信号,供本电路和其他电路使用。时钟电路的内部振源可由开关K控制。
6)调制所需的2个不同频率的正弦载波信号可由本电路提供,也可由外部电路直接输入,或者外部电路只输入两个方波,由电路产生正弦载波信号(其幅度可调)。
7)本模块自带码产生器(8位内码,由内时钟256 kHz位同步),对它进行调制,可得到稳定的波形,这样就能更方便地完成调制实验。
8)因为本实验模块可对输入的信码进行绝对/相对码变换器,所以2PSK和2DPSK调制可共用一个调制器。
9)本实验模块电路带有噪声源发生器,以满足相关实验的需要。
电路框图如图4所示。
2.6 数据解调模块
1)将2ASK信码进行相关锁相解调,并用时钟取样判决,输出与位时钟同相的码元。
2)将2FSK信号进行相关锁相解调,并用时钟取样判决,输出与位时钟同相的码元。
3)将2FSK信号进行非相关过零检测解调,并用时钟取样判决,输出稳定的码元。
4)将2PSK/2DPSK信码进行相干解调,并用时钟取样判决,输出与时钟同相的码元。
5)本模块还带有最佳接收电路,实现最佳接收。
6)在2DPSK解调输出端有一绝对/相对码变换器,可改变输出的码型(绝/相码)。
7)本模块有畸变信道模拟电路,以便观察畸变信号送入过零检测电路与锁相解调电路时输出信号的波形。
电路框图略。
2.7 载波和位时钟提取与提纯模块
1)本模块用平方变换法(直接法)从输入的已调信码(2DPSK相位调制)中提取同步载波并输出,供下级电路使用。
2)本模块用直接法,从输入的已调信码(2DPSK相位调制)中提取位同步时钟并输出,供下级电路使用。
3)为了进一步提高稳定性,电路采用锁相环来对载波信号和时钟信号进行提纯。
电路框图略。
2.8 帧同步模块
1)利用输入的位时钟和码元信号进行帧头识别,并形成帧同步信号输出。
2)依据码元的状态,电路可工作在捕捉态和同步态(维持态)。
3)电路有同步保护功能,还有漏同步5次就自动进入捕捉态的功能。
4)电路能实现自动消除假同步的功能。
5)在同步信号输出前有一个移相器,由开关S2控制同步信号推迟若干个时钟输出。
6)本模块电路输出位时钟信号和帧同步信号,供下级电路使用。
电路框图略。
3 结束语
学生运用以上各模块电路,搭建完整的通信系统,接线很少,比较简单易行。如能先安排数字信源与合路器实验、数字调制解调实验等基础实验,再进行系统实验,那么效果更好。学生完成基础实验后,即可深入学习并掌握各实验模块的电路结构、原理和实现方法,并灵活运用这些实验电路,构造出自己的通信系统。在进行综合性、设计性实验时,如果学生有能力,也可深入学习并运用EDA技术,开发并实现自己的通信系统或实现其中某些电路的功能。
实践证明,综合设计实验有一定的难度和深度,可使学生从被动应付实验变为主动实验,发挥学生主观能动性和创造性。但是如果不改革教学指导方法和考核方法,也不一定能收到好的教学效果。教师必须重视现场指导,而且还必须注意掌握分寸。在实验教学的后期,教师既不能直接为学生解决问题,又不能置之不理。如果不断地讲解,甚至手把手地教学生做实验,那么综合实验就变成验证性实验,很难收到好的教学效果。实验考核也必须是一种综合性考核,不能仅以学生的实验报告作为评分的主要依据。特别是在实验后期,教师评价学生的实验,要把重点放在现场验收上。实验结果的验收是调动学生学习积极性的主要手段。如不能人人验收也必须进行部分验收或评优验收,而且不一定以实验的成败来评分。要考查学生的实验过程和操作能力,考查学生发现问题和解决问题的能力。在实验后期,如果学生自己能发现或者能自己解决实验电路板中所出现的问题,就加分。对学生的提问也要区别对待,因人因时而异,提得好就加分,不好就减分。教师评分方法的这一改变有很多好处,可以使学生更认真听老师的讲解,更认真地准备实验,使得实验的成功率大大提高。
总之,理论教学必须很好地与实践教学相结合才能收到好的效果,否则提高学生的科研创新能力和实践动手能力就成了一句空话。本文对通信原理的实验教学进行分析和研究,提出有效开设综合性、设计性实验的教学方法和途径,在实验设备、实验项目设计、实验指导和考核等方面都作了深入的探讨。
参考文献
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