“通信原理”课程的系统级实验建设

“通信原理”课程的系统级实验建设

宋铁成

（东南大学信息科学与工程学院，江苏南京，210096）

【摘要】　本文分析了“通信原理”课程教学实验的现状，结合最新科研成果设计并实现了“通信原理”系统级实验，包括数字基带仿真、服务发现、局域网接入、电话网接入、语音传输、数据传输、图像传输、无线多点组网、通信系统性能评价和CSM／GPRS接入。

【关键词】　通信原理　系统级实验　实验建设

【中图分类号】　G642．423：TN911　　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2004）04－0066－03

1．引言

“通信原理”是电子信息类专业非常重要的课程，如何在学习相对乏味的基础理论的同时让同学们感受到通信领域的最新技术发展已成为教学成败的关键。同时人才竞争日益激烈，对学生掌握通信知识提出了更高的要求，最受用人单位欢迎的人才必须既有扎实理论基础又有较强动手能力。其教学实验是课程教学中不可缺少的重要环节，对学生综合素质的提高和创新能力的培养发挥着独特、不可替代的作用。因此，结合最新科研成果，设计和实现“通信原理”系统级实验具有很重要的现实意义。

本文在分析“通信原理”课程教学实验现状的基础上，结合国家“十五”科技攻关项目“基于蓝牙技术的无线接入系统”和江苏省优先启动的“十五”重大科技攻关项目“CDMA无线接入系统”，设计并实现了“通信原理”系统级实验，包括数字基带仿真、服务发现、局域网接入、电话网接入、语音传输、数据传输、图像传输、无线多点组网、通信系统性能评价和GSM／GPRS接入。

2．教学实验分析

（1）当前通信教学实验存在的问题

目前，“通信原理”课程的教材与之配套的系列实验基本上局限在几个单一的知识点上，通信原理实验箱和数字通信实验箱有模拟调制和解调实验、信道编解码实验、语音编解码实验、数字调制实验和同步实验等。同时，与后续的“数字程控交换”、“光纤通信”和“移动通信”等课程相配套的有程控交换实验箱、光纤通信实验箱和移动通信实验箱。但是，这些通信教学实验普遍存在着如下几个问题：

①实验知识点单一。所有实验基本上都是针对某一个知识点进行设计和实现的，在掌握这些单一的知识点的同时，学生很难建立起系统级的概念。造成学生“只见树木而不见森林”的情况，不利于学生全面完整掌握通信系统知识。

②实验手段落后。所有实验基本基于简单的模拟或数字电路，极少部分实验设备采用了少量的逻辑编程器件或数字信号处理芯片。学生接触到的都是相对落后的电路技术，这一点与计算机技术和大规模集成电路技术的飞速发展极不相称。

③实验设备陈旧，因为教学实验局限于掌握单一的知识点和相对落后的实验手段，多年前建设的实验室完全可以满足这些简单的实验要求，使得实验设备陈旧，甚至出现有建设经费而不知道需要更新哪些设备的情况。

④实验内容与课程教学结合不紧密。许多学校的课程理论教学老师与实验老师是分开的，造成课堂教学和教学实验脱节。实验指导书往往由实验指导老师根据实验设备情况整理和编写，而与真正的理论教科书结合不紧密。

⑤缺乏参与性。许多实验大都是演示性和验证性的，在进行实验前已经可以完成实验报告了。因为按照实验指导书的步骤必然得到同样的结果，使得学生对实验兴趣不高，无法满足提高动手能力和培养创新意识的要求。

（2）系统级实验及其特点

针对上述现状，我们结合最新科研成果设计和实现了“通信原理”系统级实验。我们的工作是先完成基于PC的无线接入设备，然后将研制工作移植到嵌入式系统平台上，最终目标是研制完成基于嵌入式系统的无线接入设备。为了更好地适合实验使用，我们将科研成果的中间过程即基于PC的接入设备作为该系列实验的基本硬件平台，再加上运行在PC上的各种驱动程序、应用程序和人机界面程序。大部分实验就是一个完整的无线通信系统，充分体现了我们“系统级”的特点。该实验系列的特点是：

①突出系统概念。由于大部分实验是一个通信系统，不仅可以体现出多个单一的知识点，而且突出了系统性，有利于学生从掌握一个个知识点到建立完整的系统级概念。

②体现通信与计算机的紧密结合。通信领域和计算机领域相辅相成、飞速发展，而且两者密不可分，可以说，没有计算机的通信系统不是一个先进的通信系统；计算机系统又是实现特定的信息获取、处理和传输的手段。

③加强全面参与性。由于实验涉及实际应用的通信系统，必须进行必要的初始化和设置，不同的参与者可以得出不同的实验结果，而且，友好的人机界面的设计有利于激发学生积极参与的兴趣。

④可以延伸为研究开发平台。由于这些实验是我们科研开发的中间过程，我们预留了许多软件接口，学生可以自己设计部分软件或硬件，以实现另外一个实际的语音、数据或图像的无线通信系统，大大提高学生的科研开发能力。

⑤适合于独立开课。一方面，该系列实验可以结合“通信原理”或“移动通信”等课程使用，另一方面，也可以选用《通信新技术及其实验》教材作为通信新技术类独立课程。

3．系统级实验设计和实现

综上分析，在现有的传统通信原理实验箱、数字通信实验箱、程控交换实验箱、光纤通信实验箱、移动通信实验箱的基础上，我们设计和实现了“通信原理”新技术系统级实验，具体包括10个实验：

①数字基带仿真实验　理解无线通信系统中差错控制编码、跳频扩频通信及保密通信的基本概念，掌握它们的基本原理和实现方法。以蓝牙系统基带部分的工作原理为例，差错控制编码部分包括混合纠错（HEC）、循环冗余码校验（CRC）和前向纠错（FEC）等；跳频扩频通信部分包括跳频图案的选择方法及不同工作状态的跳频图案等；保密通信部分包括常规密钥和公开密钥两种加解密体制及其比较。

②服务发现实验　通过具体的蓝牙服务发现协议，学习通信网络中服务发现方式、数据的表示方式和服务发现的工作流程。全面理解典型的客户—服务器工作模式，掌握查询服务和协调应用基本原理和实现过程。

③局域网接入实验　学习无线终端设备接入局域网或者以太网的工作过程，了解计算机通信网和Windows设备驱动程序的知识，掌握串口通信的具体过程。以基于蓝牙技术的局域网接入系统为例，通过有线接入到无线接入的实现过程，掌握局域网接入的基本原理和工作过程。

④电话网接入实验　学习电话网接入系统的实现模式，理解PSTN电话网关和无线语音终端的基本原理和工作过程。通过对无线终端接入PSTN的工作流程以及此过程中部分信号波形的观察，掌握无线终端设备的电话控制协议（TCS）信令和PSTN网双音多频（DTMF）电话信令的交换流程。

⑤语音传输实验　学习蓝牙系统支持的二种语音编码方式以及它们之间的差别，理解语音传输与数据传输的异同，掌握随机错误和突发错误、分组交换和电路交换等概念。同时，通过实际编程调试，加深对基本原理和实现方法的理解，提高开发能力。

⑥数据传输实验　学习数据通信中有关概念，包括协议分层和上下层与对等层概念、逻辑链路与物理链路的联系和区别、面向连接和面向无连接的服务、自环与广播等。通过精简的对象交换（OBEX）协议，理解协议实现的多样性和互操作性。同时，提供了封装的动态链接库（DLL）供实验者编程，可以实现一个具体上层应用与本实验的程序进行通信。

⑦图像传输实验　学习数字图像采集、处理和传输的基本原理和工作过程，理解几种常见图像格式的文件结构，掌握简单的数字图像处理原理，如平滑、锐化、图像增强和直方图变换等。特别是，实验提供了非常友好的人机界面供修改参数和显示图像效果。

⑧无线多点组网实验　基于蓝牙系统的自组织能力，对实验组内的多个设备进行组网连接，学习无线组网的基本原理及实现过程，理解点对多点通信网络和Adhoc网络，掌握通信网络的拓扑结构、组网原理、简单的路由选择协议及广播和组播等概念。

⑨通信性能评价实验　学习点对点数据传输中的流量控制、差错控制与共享信道的基本方法，学习停止等待协议和连续ARQ协议知识，分析信道利用率和最佳帧长。通过对不同通信日的测试，体会流量控制、差错控制对通信有效性和可靠性的综合影响。通过仿真受控接入中的轮叫轮询、传递轮询以及随机接入中的ALOHA、CSMA和CSMA／CD机制，掌握其基本原理并比较各种机制的性能差异。

⑩GSM／GPRS接入实验　通过与移动或联通公司商用基站的建链和通信，学习GSM／GPRS系统的基本组成、协议结构、连接流程、信令流程等，掌握话音、短消息、WAP等各类网络服务的基本原理和实现过程，实验者可以通过系统提供的AT命令操作GSM／GPRS模块，深入理解GSM／GPRS客户端的工作过程。同时，通过本实验可以设计完成基于PC的手机系统。

将已有的传统实验与我们开发的系统级实验相结合，可以让同学们更好地从系统角度理解每个知识点并建立起“通信系统”的构架。本系列实验设计和实现充分发挥了东南大学无线电工程系和移动通信国家重点实验室在通信领域的科研优势，具体工作依托南京东大移动互联技术有限公司进行。配合这些“通信原理”系统级实验，我们编写的《通信新技术及其实验》作为21世纪高等院校教材已由科学出版社于2003年9月正式出版发行。

4．结束语

在传统实验基础上，增加我们研制完成的“通信原理”系统级实验，可以使学生学习兴趣大增，掌握通信系统的基本原理，知识更加扎实。同时，通过实验系统提供的开发功能，可以安排学生进行课程设计、综合实验和毕业设计，也可以应用于相关科研工作以及相关通信产品的前期开发，大大提高学生的综合能力、动手能力和创新能力。本实验系统已经在浙江大学、东南大学、东北大学、西安电子科技大学、南京师范大学、杭州商学院、江苏大学、南京工程学院和南京信息职业技术学院等几十所高校得到应用，受到广泛好评。

参考文献：

［1］　宋铁成．通信原理课程的教学实践［J］．南京：电气电子教学学报．2003（5）

［2］　樊昌信，等．通信原理（第五版）［M］．北京：国防工业出版社．2001

［3］　曹志刚，等．现代通信原理［M］．北京：清华人学出版社．1999

［4］　SimonHaykin．通信系统（第四版）［M］．宋铁成等译．北京：电子工业出版社．2003

［5］　沈连丰，等．通信新技术及其实验［M］．北京：科学出版社．2003

（原载于《电气电子教学学报》，2004年第4期）