基于寬頻接收機大型共享設備的隨機信號分析教學

汪飛 徐文俊

摘要理論與實踐統一是教學模式發展的必然趨勢。將高價值大型共享設備引入課堂現場教學是提高大學生理論認識，使大學生緊跟現代科技發展步伐的重要舉措。作為大學工科的專業基礎課，隨機信號分析是大學基礎課程與專業課程的關鍵紐帶。寬頻接收機具備掃描接收噪聲，2～5G移動通信信號，以及機場導航雷達信號與WIFI信號等各種無線信號的功能。在隨機信號分析教學中，引導學生實時觀測寬頻接收機的掃描數據，可以讓學生切身感受到隨機信號分析學習的意義，以及未來隨機信號領域面臨的機遇與挑戰。

關鍵詞 共享設備；寬頻接收機；隨機信號

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.02.030

為貫徹落實《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》（國發〔2014〕70號）精神，教育部發布了《教育部辦公廳關于加強高等學校科研基礎設施和科研儀器開放共享的指導意見》（教技廳〔2015〕4號）。為進一步推進高等學校科研基礎設施和科研儀器的全面開放、充分共享，提高科研設施與儀器使用、配置的效率和效益。2017年12月，中央改革辦督察組聯合各部委對儀器開放共享工作開展了專題督察。目前各高等學校科研儀器的利用率和共享度有大幅度提升，開放共享配套制度建設全面推進，儀器共享平臺的覆蓋面不斷擴大，有力促進了儀器開放共享。

近年來，國內高校不斷探索大型設備開放共享在“雙一流”建設中的積極作用。重慶大學、華南理工大學等高校通過考核與獎勵政策鼓勵師生利用共享平臺。西南交通大學將大型設備開放共享作為教育教學研究的重點關注對象，提出只有以教師為共享平臺的“代言人”，才能為大型設備的使用者提供更好、更專業的服務，促進學生的培養。

南京航空航天大學于2020年6月響應教育部文件，籌劃建立了校內大型設備開放共享平臺，如圖1。南京航空航天大學的大型儀器設備共享管理平臺的主要功能有：（1）具備儀器查詢、預約、授權、監控、計費、考核、基金申報等功能，直觀掌握大型儀器設備開放共享管理工作實時狀態。（2）具備校-院-機組三級管理體系，實現對我校大型儀器設備開放流程、收費流程以及培訓流程的統一、規范化管理。（3）具備使用過程的身份信息采集，有效掌握使用人的身份信息、使用時長、使用過程等，實現對開放過程的智能化控制。（4）用戶只需簡單培訓便能上手使用。

為了鼓勵本科生利用院內大型設備，暫行辦法中對校內本科生利用本院大型開放共享設備給予了免費政策。大型開放共享設備對科學前沿研究具有不可替代的作用，代表了先進生產力。本文利用大型共享設備“寬頻接收機”，針對本科生“隨機信號分析”課程的特點，探索適用于本科生的大型科研設備應用案例，培養本科生參與科研的興趣及投身先進科技事業的信心。

1隨機信號分析基礎

1.1典型隨機過程的數學模型

2大型共享設備教學設計

2.1寬頻接收機實驗設計

如果將大型共享設備應用于本科生教學中，那么就必須針對性地設計大型共享設備的實驗案例，才能將大型設備共享融為混合式教學環節的方式。

寬頻接收機是一款國產的數據采集存儲分析儀。它由數據采集存儲分析儀與下變頻器構成，如圖2。它具有較高的采樣率和信號原始數據存儲速率。該設備具有8TB的數據存儲空間，并能以最高6.8GB/s的速度進行高速的數據接收。此參數可滿足寬帶信號獲取的速率與存儲空間要求。下變頻器可將頻率由0.2GHz～12GHz轉換為750MHz，瞬時帶寬最大為1GHz。數據采集存儲分析儀的帶寬則設置為1.5GHz，采樣率為2.5GSa/s。

寬頻接收機的實驗設計如圖3。打開下變頻器對應軟件，查看軟件界面“連接狀態”（正常顯示已連接）；“參考時鐘”選擇內部時鐘；下變頻器“中心頻率”設置與上變頻器一致（設置時填入數字按回車鍵即可，單位會自動顯示可手動更改），“輸入功率”是根據上變頻器輸入功率自動讀取的不需要手動輸入。該下變頻器的變頻范圍為1.3～12GHz，會將輸出信號中心頻率固定到750MHz（即能將1.3～12GHz的信號變頻到750MHz），下變頻器輸入輸出帶寬為1GHz（即輸出信號頻率范圍為0.25GHz～1.25GHz）。

輸出信號頻率計算：設輸入信號頻率下界為FL，上界為FH，上變頻器中心頻率為f0，下變頻器中心頻率為750MHz。則輸出信號下界為f0+0.75-FH，上界為f0+0.75-FL。

2.2寬頻接收機數據獲取

寬頻接收機數據用數據采集存儲分析儀獲取。數據采集存儲分析儀開機后會自動進入數據采集界面，點擊help可以查看各個模塊的功能，該儀器不需要連接PC可直接使用，最高采樣頻率為5GHz，可在Channel菜單下切換采樣頻率。可在storage菜單下對當前顯示的數據進行保存，保存的數據文件可通過U盤拷出。

通過寬頻接收機獲取的數據可以驗證式（10）與式（11）。圖4（a）是寬頻接收機獲取的原始數據，圖4（b）式對應于式（10）的數據，圖4（c）對應于式（3）的M（t），圖4（d）對應于式（9）。顯然，通過寬頻接收機能夠更直觀地看到隨機信號的變化，更有利于本科生通過實踐了解隨機信號的各種概念。

3結論

隨機信號分析課程作為大學本科電子信息類的專業基礎課，其教學過程除了教材的理論以外，同時還要強調它在實踐中的應用，以及它與實踐之間的差別。高校的大型共享設備雖然代表了科技先進發展力，但是因為價格昂貴難以滿足本科生進行工程實驗的需求。為此，本文從大學本科隨機信號分析課程的特點出發，設計了對應于隨機信號分析課程的共享設備實驗方法。使得本科生即使不能深入理解大型共享設備的工作原理，也能通過設計的簡單實驗深入認識課程中各種概念與現實的本質聯系。一方面有利于提高本科生對課程的理性認識，另一方面有利于提高本科生對先進科技的感性認識，促進本科生努力掌握基礎理論，開拓未來先進科技的信念。

基金項目：南京航空航天大學2020年度教育科學與改革研究專項課題“基于大型設備開放共享平臺的自我實踐式混合教學初探”（項目編號：2020JYKX-15）。

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