基于軟件無線電的通信專業(yè)實踐教學探索

常 春，武明虎，廖 力

（湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430062）

引言

2016年6月，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》成員，通過工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)生在其他簽約國可享有相同的本科工程學歷待遇。為使畢業(yè)生受益于國際認可的工程教育培養(yǎng)，國內(nèi)各高校紛紛開始準備，積極申請工程教育專業(yè)認證。工程教育的核心理念是成果導向教育（Outcome-based Education,OBE）理念，體現(xiàn)為成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進三個方面。在OBE理念的驅(qū)動下，很多高校的電信和通信專業(yè)在積極進行專業(yè)基礎課和專業(yè)課的實踐教學改革。在傳統(tǒng)的通信類課程實踐教學中存在以下問題：（1）通信類課程的理論性通常較強，而以驗證性實驗為主的課程實驗設置，無法有力推動學生主動思考背后的理論原理，理論聯(lián)系實際落實不到位；（2）設計實驗多采用純軟件仿真實驗，無真實信道，學生缺少真實的系統(tǒng)實驗體驗感，無法培養(yǎng)學生解決實際通信系統(tǒng)出現(xiàn)的復雜工程問題的能力。

針對以上問題，近年來一些高校嘗試將軟件無線電（Software Defined Radio,SDR）技術(shù)引入通信類課程教學中，北京郵電大學、華中科技大學和中山大學等高校已開展了基于軟件無線電的“通信原理”等課程教學實驗改革，并積極探索基于軟件無線電的創(chuàng)新型綜合性實驗課。在基于軟件無線電技術(shù)的通信系統(tǒng)中，幾乎所有與物理層相關的功能都通過軟件執(zhí)行的數(shù)字信號處理算法實現(xiàn)。SDR發(fā)送機的硬件部分只完成對數(shù)字域的發(fā)送信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、送入天線輻射的功能，其他發(fā)送信號所需的信源編碼、信道編碼、調(diào)制和加密等功能利用軟件來實現(xiàn)。同樣，SDR接收機的硬件部分只完成對天線接收的信號進行高速采樣獲得數(shù)字接收信號的功能，在數(shù)字域里恢復傳輸信息所需的解調(diào)、同步、信道譯碼、信源譯碼或解密等過程也利用軟件來實現(xiàn)。由于這種方式利用通用硬件平臺實現(xiàn)通信功能，因此可以通過更新或升級軟件模塊實現(xiàn)不同或更強的通信功能，從而打破設備通信功能的實現(xiàn)依賴于硬件發(fā)展格局的現(xiàn)狀。

基于軟件無線電的實驗和實踐項目的優(yōu)勢為：（1）系統(tǒng)具有真實信道，相對于純軟件仿真具有真實系統(tǒng)體驗感；（2）相對于硬件為主的設計，可以避免硬件電路調(diào)試的費時費力，讓學生將更多的精力集中于原理的理解、通信技術(shù)的實現(xiàn)、設計創(chuàng)新及復雜問題的解決；（3）有利于提高學生實驗的獲得感，更好地鍛煉學生在通信系統(tǒng)分析、設計和創(chuàng)新等方面的能力；（4）一些實際通信系統(tǒng)的新技術(shù)開發(fā)也運用軟件無線電技術(shù)手段來完成，因此學生能夠很好地對接以后的技術(shù)開發(fā)和科學研究工作。基于軟件無線電的通信專業(yè)實踐教學創(chuàng)新和實施，將有助于OBE理念中“成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進”指導思想的更好落地。本文圍繞OBE理念，介紹了基于軟件無線電的通信專業(yè)在實踐教學方面所作的創(chuàng)新和探索。

一、“通信原理”軟件無線電實驗的設計

“通信原理”課程在通信類課程體系中起著承上啟下的作用，是一門核心專業(yè)課程，因為其較強的理論性，該課程學習具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的驗證性實驗的主要形式為搭建模塊、連線后觀察信號波形和頻譜，有的學生機械地按照實驗步驟完成實驗，缺乏主動思考，達不到理解實驗原理的目的。

針對這一情況，在“通信原理”課程中引入軟件無線電實驗，可以通過通信功能的軟件設計編程來推動學生理解實驗原理，加強對相應知識點的掌握。首先，利用MATLAB等仿真軟件進行通信模塊代碼的設計、仿真和調(diào)試，然后將該設計模塊移植到虛擬實驗室平臺軟件（如凌特公司eLabradio軟件）中，搭建系統(tǒng)模型開展系統(tǒng)仿真調(diào)試，從而完成軟件無線電設備使用前的準備預習、代碼設計和調(diào)試等工作，最后利用軟件無線電實驗平臺進行真實信道上的傳輸系統(tǒng)驗證。基于虛擬仿真環(huán)境的前期準備部分，加上基于軟件無線電實驗平臺的真實信道傳輸實驗部分，構(gòu)成“通信原理”的虛實結(jié)合實踐教學設計，如圖1所示。

圖1 虛實結(jié)合的“通信原理”軟件無線電實驗

以“2ASK、2FSK和2PSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)”實驗為例，該實驗要求學生設計解調(diào)環(huán)節(jié)，教師預先設計好MATLAB數(shù)字通信系統(tǒng)程序框架，建立信號調(diào)試環(huán)境（如果為數(shù)據(jù)傳輸，設置好偽隨機序列；如果為模擬音頻傳輸，調(diào)入音頻文件數(shù)據(jù)），空出解調(diào)部分。學生對MATLAB數(shù)字通信系統(tǒng)程序框架進行預習和消化，然后在MATLAB環(huán)境中編寫解調(diào)部分程序代碼，置入MATLAB數(shù)字通信系統(tǒng)程序中完成仿真實驗，并對系統(tǒng)性能進行評估分析。在軟件無線電軟件實驗平臺中，通過軟件實驗平臺提供的已有模塊搭建接收機模型，然后將自己設計的MATLAB程序代碼模塊鏈接上去，連接軟件無線電硬件設備，開展具有真實信道的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)傳輸實驗，完成通信系統(tǒng)的驗證和調(diào)試。由于不是單純的模塊連線搭建系統(tǒng)，而是設計完整的解調(diào)環(huán)節(jié)，因此可以很好地調(diào)動學生的興趣，提高學生的參與度，并且通過設計過程可以鍛煉學生的編程能力，以及幫助學生充分理解和掌握數(shù)字解調(diào)原理。

二、軟件無線電實驗中多課程知識的融合

由通信相關課程構(gòu)成的課程群通常在理論教學設計上會進行課程教學內(nèi)容的整合和優(yōu)化，但在實踐教學環(huán)節(jié)并沒有實施，大多仍然是針對各門課程的實踐環(huán)節(jié)，獨立設計實驗內(nèi)容，內(nèi)容的相互分離有可能造成實踐任務前后承接不當和難度大幅度跳躍，影響學生最終的整體完成度。而將多門課程的實踐環(huán)節(jié)打通，以軟件無線電為技術(shù)手段，進行整體的實踐教學一體化設計，在軟件無線電實驗中加強多課程知識的融合，在鍛煉學生的知識綜合運用能力的同時，又充分考慮了學習任務的前后銜接和學習難度的層層遞進，從而有利于取得更佳的學習效果和學習產(chǎn)出。

以“通信原理”課程中軟件無線電實驗融入“數(shù)字信號處理”課程知識為例，對“數(shù)字信號處理”“通信原理”課程實踐教學環(huán)節(jié)進行一體化設計，可以緊密銜接前后實踐環(huán)節(jié)任務，使學習難度層層遞進，并充分利用“通信原理”軟件無線電綜合實驗和課程設計，加強學生對多課程知識的融合和運用。在基于軟件無線電的數(shù)字調(diào)制技術(shù)實驗中，軟件無線電設備接收采用數(shù)字調(diào)制的無線射頻信號，在信號處理的軟件實現(xiàn)上需分別進行數(shù)字解調(diào)、信源譯碼和平滑濾波等環(huán)節(jié)，于是要求學生在數(shù)字解調(diào)和信源譯碼后進行平滑濾波，完成FIR濾波器的設計。通過一體化設計，在“數(shù)字信號處理”前置課程中開展FIR濾波器的設計訓練，通過MATLAB仿真實驗熟悉包括窗函數(shù)法在內(nèi)的多種設計方法，然后將FIR濾波器設計作為數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)設計中的一個嵌入環(huán)節(jié)，通過軟件無線電實驗實現(xiàn)FIR濾波器的設計和應用，培養(yǎng)學生對多課程知識的融會貫通和綜合運用能力。

三、軟件無線電綜合項目的開展

在通信類課程實驗的基礎上，整合課程學習成果，結(jié)合調(diào)研國內(nèi)外軟件無線電在通信領域的應用研究，以及在通信專業(yè)的教學研究，設計基于軟件無線電的大學生綜合訓練和畢業(yè)設計項目選題，在考慮現(xiàn)有的軟件無線電設備功能和性能的基礎上，確定項目的任務要求。

在短學期實踐中，根據(jù)任務要求，以小組方式組織學生開展軟件無線電綜合訓練項目。例如，實現(xiàn)不同調(diào)制方式下的數(shù)字語音傳輸系統(tǒng)設計，包括發(fā)送端的語音編碼、數(shù)字調(diào)制和接收端的數(shù)字解調(diào)、信源譯碼等。學生利用MATLAB進行系統(tǒng)仿真，完成各模塊的算法顆粒編程，然后運用各模塊算法顆粒搭建系統(tǒng)發(fā)送機和接收機，再利用軟件無線電設備完成系統(tǒng)的驗證和調(diào)試。小組成員各自分工，在完成分配給自己的模塊設計后，需了解其他模塊的開發(fā)流程和原理，并通過集體協(xié)同和合作，搭建基于軟件無線電的實驗系統(tǒng)進行驗證。軟件無線電技術(shù)的運用可以解決硬件設計所存在的調(diào)試時間長的問題，從而將注意力更多地聚焦于技術(shù)問題的解決。通過綜合訓練項目，不僅可以鍛煉學生對所學知識的綜合運用能力和對項目開展過程中工程問題的解決能力，還可以很好地培養(yǎng)學生的團隊合作能力和溝通協(xié)調(diào)能力。

在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，采用價格低的NooElec公司的RTL-SDR軟件無線電設備，開展基于桌面軟件無線電設備的小課題研究。RTL-SDR設備利用模擬硬件將接收到的無線信號由射頻移到中頻，然后對中頻信號進行采樣，再將采樣信號送給電腦端的MATLAB軟件，在軟件內(nèi)完成信號處理。MATLAB中有RTL-SDR設備的硬件支持包，用戶可以通過MATLAB里的程序編程和Simulink模型設計實現(xiàn)在數(shù)字域里的信號處理。比如，要求學生設計一個FM收音機，學生創(chuàng)建Simulink模型實現(xiàn)FM廣播的解調(diào)，獲得基帶音頻信號進行播放，或要求學生設計一個頻譜掃描儀，學生編寫M語言程序?qū)崿F(xiàn)接收信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換，并以圖形界面的形式進行呈現(xiàn)。由于桌面軟件無線電設備價格低、方便攜帶，因此不受實驗室開放時間的限制，學生可以隨時隨地進行課題的設計、實驗和調(diào)試，從而有利于學生投入更多的精力，更容易產(chǎn)生設計成果，增強學生的學習興趣和獲得感。

四、軟件無線電實踐環(huán)節(jié)的評價

軟件無線電的實踐環(huán)節(jié)具體包括軟件虛擬仿真和真實系統(tǒng)驗證兩個部分，因此具有虛實結(jié)合的特點，具體的實施步驟為：在確定了設計系統(tǒng)的發(fā)送機和接收機方案后，首先利用MATLAB軟件編程仿真發(fā)送機和接收機的各環(huán)節(jié)，驗證這些環(huán)節(jié)信號處理算法的正確性，然后利用加性高斯白噪聲等信道模型進行系統(tǒng)的仿真運行和性能分析，當虛擬仿真實驗完成后，將發(fā)送機和接收機的各信號處理模塊算法移植到支持軟件無線電設備的開發(fā)平臺，在平臺上建立和實現(xiàn)發(fā)送機或接收機的處理流程，然后基于軟件無線電設備搭建具有真實信道的通信系統(tǒng)，并進行運行和調(diào)試。因此，對于學生學習成果的評價，也將由軟件虛擬仿真和真實系統(tǒng)驗證兩部分構(gòu)成。在軟件虛擬仿真部分中對算法模塊的設計、虛擬通信系統(tǒng)的仿真分析和性能評估等環(huán)節(jié)進行單獨評分；在真實系統(tǒng)驗證環(huán)節(jié)對算法模塊植入軟件無線電開發(fā)平臺、搭建發(fā)送機或接收機處理流程和真實系統(tǒng)調(diào)試等環(huán)節(jié)進行單獨評分，然后按照一定權(quán)重進行綜合評價，最終給出各個學生的考核評分。

結(jié)語

針對通信專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)中，驗證性實驗難以促使學生主動思考原理、基于硬件的實踐環(huán)節(jié)費時費力等問題，軟件無線電技術(shù)被引入通信專業(yè)的實踐教學環(huán)節(jié)中，用于解決以上問題。本文設計了虛實結(jié)合和低成本的“通信原理”軟件無線電實驗，以“通信原理”和“數(shù)字信號處理”課程為例，探索了軟件無線電實驗中多課程知識的融合方法，介紹了軟件無線電綜合項目的開展形式，構(gòu)建了軟件無線電實踐環(huán)節(jié)的學習成果評價機制。這些基于軟件無線電的通信專業(yè)實踐教學探索，有助于學生將理論與實際緊密結(jié)合，從而取得更好的學習效果和成果。