本科“軟件無線電技術”課程的教學設計與實踐

黃光亞 徐倩 鄧小飛

[摘 要] 該文對本科“軟件無線電技術”課程的教學設計及實踐進行了研究和探討，從教學目標、教材選定、教學內容、教學方法和實踐教學平臺、實踐教學內容、考核方法及特色創新等方面進行分析闡述，為本科軟件無線電技術教學提供了可參考的方案。

[關鍵詞] 軟件無線電技術;教學設計;教學實踐

[基金項目] 2016年度吉首大學新開課程建設項目“軟件無線電技術”（2016KCB10）

[作者簡介] 黃光亞（1981—），女（土家族），湖南吉首人，碩士，吉首大學信息科學與工程學院講師，主要從事信號處理及圖像處理研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0215-03? ? [收稿日期] 2020-03-20

軟件無線電技術是以現代通信理論為基礎，以數字信號處理為核心，以微電子技術為支撐的先進技術[1]，這項技術經過20多年的發展，取得了引人注目的進展，并得到了廣泛的應用。軟件無線電技術已經成為無線電工程的一種通用的現代方法，是無線電工程領域的一種新的設計理念、設計思想。學習和掌握這一新的設計理念和技術勢必成為通信、電子類相關專業人才必備的職業技能。在筆者所在院校2016版通信工程專業的本科人才培養方案中，首次將軟件無線電技術設置為通信工程專業的必修課程，為本專業培養從事電子、通信設計工作打下扎實的理論和實踐基礎。

一、本科軟件無線電課程開設的目的和意義

軟件無線電涉及的領域多、面廣、發展快，如現代通信理論、寬帶天線理論、數字信號處理、微電子、計算機等，技術發展日新月異。

軟件無線電的基本概念是把硬件作為無線通信的基本平臺而把盡可能多的無線通信及個人通信功能用軟件實現，軟件無線電技術是近年來提出的一種實現無線通信的新的體系結構，他具有很強的靈活性與開放性的特點，由于軟件無線電具有現有無線通信體制所不具備的許多優點，因此具有廣泛的應用前景。軟件無線電的各種通信功能用軟件來實現，這樣無線通信新系統，新產品的開發將逐步轉到軟件上來，而無線通信的產品價值將越來越多地體現在軟件上，這是無線通信領域從固定到移動，從模擬到數字之后的第三次革命必將形成和計算機及程控交換相當的巨大產業[2]。因此，開展軟件無線電的學習和研究具有重要的價值。

二、軟件無線電課程在本科教學中的重要性

通信工程專業的創新平臺、專業綜合課程設計平臺一直是一個亟待解決的問題，一直以來通信專業的綜合設計都是采用仿真設計的方式，專業基礎實驗采用硬件電路實驗箱的方式，少量軟件實現的也存在可操作性、可編程性不高等問題[3-5]。

軟件無線電技術課程從軟件無線電總體體系出發，介紹軟件無線電的主要理論、關鍵技術和最新發展情況。課程具有較強的理論與實踐結合的特點，為本專業的專業實習、畢業設計和工程實踐提供了必要的理論和實踐基礎。

軟件無線電技術課程具有較強的理論與實踐結合的特點，為本專業的專業實習、畢業設計和工程實踐提供了必要的理論和實踐基礎。軟件無線電技術實驗室，既能滿足通信工程專業缺少創新平臺、缺少專業綜合課程設計平臺及專業基礎課程實驗室教學改革的需求，通過課程的學習，又能達到讓學生掌握一門新技術、新方法的同時，深化專業知識的作用，通過課程的實踐，達到理論結合實際、培養學生動手能力的目的。

三、軟件無線電課程教學設計

軟件無線電技術課程在大多數高校里是研究生階段的課程，課程教學內容注重軟件無線電技術的研究及軟件無線電硬件平臺的設計。對于軟件無線電技術的本科教學，旨在通過課程讓學生掌握一門新技術和實現通信系統的新方法，深化專業知識，通過課程實踐，培養學生動手能力的目的。因此，軟件無線電的本科教學采用理論與實踐相結合的開發思路，課程教學內容圍繞軟件無線電發射和接收機的體系結構，從基本分析方法、硬件平臺、調制解調的實現、信道編解碼的實現到軟件無線電的應用與實踐。教學內容即能涵蓋軟件無線電的關鍵技術，也緊扣通信工程專業學生專業基礎知識。通過本課程的教學，學生能具備以下知識和能力：（1）掌握軟件無線電的的概念和原理;（2）掌握軟件無線電系統的分析方法;（3）掌握一種軟件無線電平臺的使用方法;（4）具備利用軟件無線電平臺實現無線通信系統設計和實現的能力;（5）加深對通信系統及相關理論的理解，了解和掌握通信技術的未來發展方向。

（一）教學內容設計

1.教材選用。軟件無線電技術的經典教材是樓才義編著的《軟件無線電原理與應用》（第二版），該教材是很多高校選用的研究生教材，該教材偏重于理論及軟件無線電系統及硬件的設計，教學內容遠超出本本科生接受的范圍，按照該教材實施教學，會偏離“為提高本科生的實踐動手能力、為本科生實踐創新提供一個新的先進平臺”的教學目標。適用于本科教學、又能將理論與實踐并重的教材很少，唯一的一本《GNU Radio軟件無線電技術》偏重低層技術的開發，對學生C++、Linux、Python等編程能力要求很高。最后課程教學確定使用向新編寫的《軟件無線電原理與技術》作為本科教學的教材，重點參考書包括樓才義編寫的《軟件無線電原理與應用》和白勇編寫的《GNU Radio軟件無線電技術》，及鳥哥的《鳥哥的Linux私房菜基礎學習篇》。

2.教學設計。課程教學采用主題式的教學方法，將課程教學內容提煉為14個教學主題（見表1），使教學內容凝聚，并對教材內容進行補充，豐富課程的實踐。教學過程中融入雨課堂，利用信息化手段開展課堂教學。

（二）實驗平臺選取

1.實踐平臺的選取。軟件無線電技術的先進性及硬件平臺的綜合性，對于軟件無線電平臺的使用者要求極高，即要求開發者具有C++、Python和Linux平臺使用的能力，又要求開發者具有深厚的通信理論基礎，編程能力的要求對于通信專業老師來說都是很難達到的，學生要入門使用更是困難。充分考慮通信工程專業目前存在的缺少創新平臺、缺少專業綜合課程設計平臺及專業基礎課程實驗室教學改革等因素，采用了智領平臺+GNURadio開源平臺的方式，既很好的解決了門檻高的問題、也充分考慮了學生的需求和課程教學的需要。智領平臺是國防科大開發的軟件無線電教學硬件及軟件平臺，該平臺對于不是從事軟件無線電研究的教師和學生來講，具有門檻低，界面友好等特點，平臺適用于通信原理、數字信號處理、隨機信號分析等課程，同時能多方面支撐軟件無線電的教學，是通信專業目前缺少的創新實踐平臺的一個可行方案。雖然平臺能夠滿足學生在校期間的各項需求，但是，學生跨出校門大多數無法再接觸到此類平臺，軟硬件價格對于個人用戶來講都相對較高，為讓學生掌握一門技術，走出校門后還能繼續使用所學，課程教學中選擇了開源的GNURadio軟件平臺開展教學[6]和價格相對較低的Hackrf硬件平臺開展教學示范。課程的實驗教學采用實驗平臺（智領平臺）和開源GNURadio軟件平臺+Hackrf硬件平臺的方式，采用兩種平臺同時使用的方案，能擴寬視野、學以致用。

2.實驗內容設計。課程實驗教學以掌握軟件無線電平臺的使用和通信技術的軟件實現方法為主。通過實驗教學掌握使用GNU Radio實現通信系統中調制解調、編碼譯碼等技術的實現方法，掌握軟件無線電平臺的使用方法，具備使用軟件無線電平臺實現通信系統的能力，為學生自主研究、學習奠定了基礎。

四、注重過程的綜合考核

軟件無線電技術課程綜合性強，理論重在考核學生對知識的運用情況，考核方式為期末開卷考試、平時成績和實踐成績三部分構成。軟件無線電技術課程教學過程中引入了雨課堂教學平臺，通過平臺的統計數據來形成對學生學習過程的評價，通過雨課堂的課堂參與數據使得教學活動全程數據化，使得過程考核成為可能。本課程總評成績中，平時成績占20%，實驗成績占30%，期末考試占50%記入課程的總成績。

五、特色創新

（一）主題式教學法。在課程教學過程中，一堂課要做到讓學生印象深刻，就必須做到重點突出、內容凝聚;形成主題鮮明的教學主題需要突破教材、充分提煉，還需保證主題知識點能在1—2個學時內完成，使每堂課成為相對較獨立的整體。提煉教學內容，劃分教學主題，只需謹記落實“三講三不講（講重點、講難點、講新思路，會的不講、能自學會的不講、講也不會的不講）”并結合多方式的教學手段就能很好的做到。得益于課程設計環節的提煉和主題的劃分，每個教學主題充分提煉后，教學內容凝聚性比較好，每個主題能在2學時或者最多4學時內完成，不會出現教學內容從某一章節斷開的情況，教學內容既相互聯系，又相互獨立。

（二）創新思維導圖引導。為了明確學習目標，采用思維導圖來為學生的學習形成有效的引導。利用思維導圖建立了每個知識點的學習路線，讓學生在學習時能建立起明確的思路，為自身的學習確立個性化的方法，為課堂共同學習做好知識準備，并通過思維導圖來引導學生思考。

六、結語

軟件無線電技術是一門綜合性很強的課程，通過選取適合本科教學的教材及參考書，采用主題式的方法對教學內容進行凝練和劃分，使得每次教學主題鮮明，課程教學遵循“三講三不講”原則，通過合理的設計將難點變得有趣，通過教學活動的開展，學生通過課堂既能有所收獲又能引發思考;課程的實驗教學采用實驗平臺（智領平臺）和開源GNURadio軟件平臺+Hackrf硬件平臺的方式，為了讓學生既容易入手，又能學以致用，甚至于跨出校門后還能繼續使用所學。通過課程的學習，讓學生掌握一門新技術、新方法的同時，深化了專業知識，通過課程的實踐，達到理論結合實際、培養學生動手能力的目的。

參考文獻

[1]羅寧，楊宇紅.基于NI-USRP軟件無線電平臺的FM調制解調器設計[J].電子技術，2015，12.

[2]趙旭東.基于軟件無線電的基帶信號處理技術研究[D].桂林電子科技大學，2010.

[3]郭曉，李世寶.基于軟件無線電的移動通信實驗平臺建設與實驗教學改革[J].教育教學論壇，2018，45.

[4]王新新，趙小明.軟件無線電在通信專業教學中的應用[J].科技信息，2011，21.

[5]趙宏，軟件無線電技術在5G移動通信系統中的應用[J].數碼世界，2019，10.

[6]曾嶸.GNU Radio平臺在通信工程實踐教學改革中的應用[J].高校實驗室工作研究，2018，2.

Teaching Design and Practice of Undergraduate Course Software Radio Technology

HUANG Guang-ya，XU Qian，DENG Xiao-fei

（Information Science and Engineering College of Jishou University，Jishou，Hunan 416000，China）

Abstract：This paper studies and discusses the teaching design and practice of the undergraduate course Software Radio Technology.The teaching aims，textbook selection，teaching content，teaching methods，practical teaching platform，practical teaching content，assessment methods and course characteristic have been researched and expounded in this paper，which provides a reference scheme for undergraduate Software Radio Technology teaching.

Key words：Software Radio Technology;teaching design;teaching practice