基于軟件無線電的通信原理實驗課程改革

盧 敏 何雪云 劉 冬

(1. 南京郵電大學 通信與信息工程學院， 南京210003) (2. 武漢易思達科技有限公司， 武漢 430205)

通信技術的迅速發展和國際形式的風云變換，對高水平通信電子類人才的培養和儲備提出了迫切要求。作為通信學科的重要專業課“通信原理”，其特點是理論與實踐緊密聯系。然而長期以來，“重理論輕實驗”的傳統教學方式，忽視了對學生的工程應用和創新能力的培養。提升實驗教學質量，優化實驗教學體系，完善實踐教學機制，是實現新時期人才培養目標和標準的關鍵內容和方法[1-2]。

“通信原理實驗課”的目標是通過學生主動參與通信系統設計，使學生理解這門課程所提出的問題，發現這門課程在回答這些問題時所使用的信息和方法，從而具備解決復雜工程問題的能力以及相互協作、溝通交流的能力，同時培養學生進一步探索和研究該領域新知識的好奇心和主動性。

多年來，不同高校的教師都進行著積極的探索，為我們提供了豐富的經驗和啟示[3-8]。其中，基于軟件無線電平臺完成通信原理實驗的方式，因其具有可重構性、靈活性，且與真實系統的相似性等優勢，成為國內外高校的首選[3-6]。

軟件無線電平臺指的是在通用的硬件平臺上用軟件來實現各種通信模塊的無線通信設備，可以方便地實現從原型設計向實際應用的過渡。將軟件無線電技術應用于通信原理實驗教學,可以加深學生對通信理論和通信系統的理解，幫助學生建立系統級的概念，避免了傳統實驗方式只關注單一知識點，學生“只見樹木，不見森林”的缺點，同時提高了學生的創新與工程實踐能力，為課程的發展提供了廣闊的空間。

1 軟件無線電實驗平臺

軟件無線電的基本架構[9]如圖1所示：在發送端，信號經過信源編碼、信道編碼、調制映射后，由數模轉換器(DAC)轉換為模擬信號，輸入到射頻前端。接著，模擬信號與高頻載波混合到特定的射頻頻率后，通過天線發射傳輸。在接收端，天線捕獲到射頻信號，并將其解調回基帶，經由模數轉換器(ADC)處理后，由數字信號處理組件負責完成信號的恢復，包括解映射、濾波、信道譯碼和信源譯碼等。發送端和接收端的整個基帶信號處理流程都是通過軟件完成的。無論發射機還是接收機，都需要基帶處理器具有很強的計算能力，所以工業上常采用數字信號處理器(DSP)或現場可編程門陣列(FPGA)語言來實現。

圖1 軟件無線電的基本架構

我院實驗中心所采用的實驗教學平臺是武漢易思達公司的XSRP軟件無線電平臺，如圖2所示。該平臺提供了通用的無線電射頻收發器，包括兩根發射天線和兩根接收天線。設備工作的通信頻段在70 MHz到6 GHz之間。DAC和ADC的采樣率均為30.72 MHz。軟件處理采用了LabVIEW圖形化編程語言和Matlab語言，而沒有采用復雜的硬件編程語言，避免了對先導課程過高的要求。LabVIEW將軟件仿真的通信系統無縫地融合到硬件無線收發系統上，構建了“半實物半實驗”的通信系統。LabVIEW可以兼容Matlab程序，將Matlab腳本節點框放置在LabVIEW程序框圖中，可以將編寫好的Matlab腳本文件導入，實現LabVIEW與Matlab的數據交互。

圖2 武漢易思達公司的XSRP軟件無線電平臺

LabVIEW具有良好的硬件接口，而Matlab作為工科學生的常用工具，學生對其具有良好的使用基礎。將兩者結合使用，可以更好地滿足實驗課的教學目標，即通過軟件編程掌握各個功能模塊的實現原理，再通過硬件調試理解系統整體框架結構及功能。

2 實驗課程教學設計

2.1 教學內容

一個典型的通信系統基本模型如圖3所示。

圖3 通信系統基本模型

綜合實驗的內容是選取三個不同的完整的無線通信系統進行設計，分別是：

1)語音頻帶傳輸系統的設計；

2)OFDM通信系統的設計；

3)CDMA通信系統的設計。

實驗內容的設計緊跟技術前沿，參考了主流通信系統的標準。語音編碼采用A律13折線編碼方式，OFDM系統的設計基于3GPPLTE系統的物理層協議[10]，CDMA系統的設計基于3GPP定義的WCDMA系統的物理層協議[11]。所傳輸的信號源包括語音、隨機二進制數據、字符串數據三種。

實驗中將每班學生分為三組，每組約12人，負責一個完整的通信系統課題，學生需在有限的時間內，相互協作完成一個課題的設計和調試任務。

以OFDM系統設計為例，其系統框架及包含的功能模塊如圖4所示。

圖4 OFDM系統設計框圖

OFDM系統的具體設計流程是：①對輸入的比特數據流添加循環冗余校驗實現檢錯，信道編碼(卷積碼)實現糾錯，然后進行調制映射(QPSK、16QAM、64QAM)、解資源映射、IFFT變換、添加循環前綴(CP)、生成IQ兩路信號。②生成的信號通過以太網傳送到XSRP軟件無線電平臺，在平臺中完成基帶數字信號向模擬高頻信號的轉換并通過天線發射出去。③軟件無線電平臺通過射頻接收天線對應的頻點將無線信道上的數據接收、下變頻、低通濾波、AD變換還原為IQ兩路基帶信號，通過以太網送回到電腦。④在電腦上對接收的基帶信號進行處理，包括去循環前綴、FFT變換、解資源映射、信道估計與均衡、解調制映射、信道譯碼。最后對還原后的比特數據和發送端的比特數據進行比較，統計誤碼率。

軟件無線電平臺的應用，使得所搭建的通信系統的絕大多數功能在基帶實現，而基帶處理的各個功能模塊均可通過獨立的Matlab函數來實現。每個系統設計課題，可以分解出14-16個這樣的功能模塊，由組長分配給小組內的成員分別完成。每位同學在了解整體系統架構的基礎上，重點完成自己所負責的功能函數的實現和調試，最終聯調使得整個系統可以正常運行。

三個通信系統的設計所涵蓋的通信原理理論課的知識點，如表1所示。

表1 需完成的函數功能與理論課知識點的對應關系

2.2 教學過程

教學過程分為三個步驟：(1)基于軟件的系統仿真；(2)真實環境下的調試與性能驗證；(3)驗收匯報。

(1)基于軟件的系統仿真

將學生分組后，把相應的仿真系統和設計指導書提供給學生，讓學生首先對自己要完成的系統有大致的了解。此時所有的Matlab腳本函數都是加密的，對學生來說是透明的，學生不知道函數具體是如何編寫的。在明確了自己的任務和要求之后，學生查找文獻或相關協議，理解并完成自己所負責的功能函數的編寫，將自己編寫的函數代替原加密文件后，進行調試，利用Matlab斷點測試查找問題并進行驗證。

實驗過程中需要學生之間通力協作，除了驗證自己所負責的函數的正確性以外，位于發送端和接收端的相對應模塊的學生，比如負責調制和解調的兩位學生，還需要討論并設定好映射關系，以保持兩邊的功能函數對信號處理的一致性，而負責前后關聯的函數的兩位學生，則要做好接口參數的銜接。待所有功能模塊驗證完成后，小組內成員需要聯調，確保在仿真環境下，整個系統可以正常運行。

明確的設計任務，充分調動了學生相互鼓勵、共同完成目標的積極性。很多學生跳出課本的束縛，去查找參考資料和相關文獻，給出同一問題不同的解決方案。比如對于調制解調模塊，在充分調研的前提下，有的學生選擇自己編寫代碼實現，有的學生選擇通過學習Matlab自帶qamMOD函數來實現。負責完成維特比(Viterbi)譯碼的學生對于所用vitdec函數的參數，如網格圖、回溯深度、軟硬判決等概念有了深入地學習和討論，較好地完成了對Viterbi譯碼原理的理解和應用。

(2)真實環境下的調試與性能驗證

仿真系統的調試成功后，需要完成硬件連接與地址設置，將運行方式調整為“真實系統”，學生可以改變界面上的任意參數設置，如發射接收頻率、增益和衰減，調整物理天線的角度，觀察真實環境下輸出信號變化，以及參數變化對于信號星座圖和誤碼率的性能的影響，如圖5所示。

圖5 真實系統條件下OFDM系統調試界面

在這個步驟中，學生表現出了極大的興趣。比如做語音信號傳輸的學生，會選擇不同類型的音頻，感受各種傳輸條件下信號接收質量的變化，并進行深度思考，推理因果關系的正向和反向。

(3)考核方式

實驗課程的考核評價方式，對于學生的課程參與積極性有著重要影響。基于軟件無線電實驗平臺的系統設計，給學生提供了一個去嘗試、失敗、通過反饋信息再嘗試的自我探索的機會。為了更好地了解不同學生的學習狀態和學習質量，驗收考核采用學生以小組為單位向教師匯報設計成果的方式。

學生匯報了他們在實驗過程中，解決問題的步驟、推理方式、學習方法和學習心得。師生之間進行深入地交流和討論。因為每個學生都參與了系統中的部分工作，針對各自的工作，教師提出問題，來了解學生對知識點認識的深度，對于不同層次(參與度和完成度不同)的學生，給出相應的評價。

3 結語

2020-2021學年第一學期，實驗中心完成了通信與信息工程學院將近1000名學生的通信原理實驗課程的教學。壓縮了通信原理理論課課時，增加了通信原理實驗課課時。改革后的通信原理實驗課受到了學生的一致好評，不僅使學生更清晰地認識到通信原理學科研究的對象，和對專業問題應具備的思考方式，而且提升了學生的以下能力：

①能夠通過文獻研究對工程問題的解決方案和實現途徑進行可行性論證，并得出有效結論；

②針對通信領域的復雜工程問題，能夠綜合運用理論和技術手段完成方案設計；

③能夠根據實驗結果，合理分析與解釋數據；

④能夠理解團隊目標及各成員的角色與責任，使成員具備團隊協作意識；

⑤提升了對科研具體問題的語言描述和表達能力。

下一步我們將考慮對實驗內容進行進一步擴展，增加學生對課題的可選擇性。比如在信號源部分增加對圖像信號的處理，即圖像信號的編碼和譯碼。另外，緊跟技術的發展，將5G系統的關鍵技術也納入學習的內容，拓寬學生的知識面。

對于工科教育來說，實驗課程肩負著夯實學生基礎，激發學生的好奇心、主動性及創造性的重要使命，依靠軟件無線電平臺設計出的使學生有強烈參與感和成就感、有層次的實驗內容和實驗方式，并能提高實驗課程的教學質量，是我們需要繼續思考和探索的問題。