“軟件無線電技術(shù)”技術(shù)教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

王峰

摘要：“軟件無線電技術(shù)”課程開設(shè)于電子與通信工程專業(yè)。本文分析了該門課程的特點(diǎn)及開設(shè)過程中存在的問題。根據(jù)該課程知識覆蓋面廣、系統(tǒng)性及實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出了以系統(tǒng)架構(gòu)為主線，以知識原理為節(jié)點(diǎn)，以Matlab仿真為實(shí)踐的系統(tǒng)的教學(xué)方法。該方法在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中取得了良好的效果，可作為該課程教學(xué)實(shí)踐的有益參考。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法；軟件無線電；教學(xué)實(shí)踐

引言：

隨著通信等電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，軟件無線電技術(shù)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。掌握軟件無線電技術(shù)是電子信息工程與通信工程等專業(yè)本科教學(xué)的重要任務(wù)[1]。由于涉及到高頻電子線路、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理等多門課程的基礎(chǔ)知識，軟件無線電技術(shù)往往被設(shè)置為該類專業(yè)高年級學(xué)生的專業(yè)課程[2-4]。為了適應(yīng)我國電子與通信領(lǐng)域?qū)θ瞬诺男枨?，我校?015年開始在電子與信息工程與通信工程兩個(gè)本科專業(yè)開設(shè)軟件無線電技術(shù)課程。

1.面臨的難題

由于軟件無線技術(shù)是一門系統(tǒng)性很強(qiáng)的專業(yè)課程，其教學(xué)面臨較多困難，主要表現(xiàn)如下：

（1）知識點(diǎn)的廣泛性

軟件無線電技術(shù)涉及到軟件無線電系統(tǒng)的天線、接收機(jī)、發(fā)射鏈路、信號處理前端等多個(gè)方面的知識。要求學(xué)生應(yīng)先修的課程眾多。學(xué)生應(yīng)修過天線原理、高頻電子線路、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理等多門課程，否則對其中的諸多原理的理解將存在較多困難。比如，對接收機(jī)中下變頻與前端模擬濾波器Q值的關(guān)系的理解需要高頻電子線路的知識；而對數(shù)字濾波器與下變頻過程中數(shù)據(jù)抽取的關(guān)系的理解需要具有數(shù)字信號處理的專業(yè)知識；而對軟件無線電的陣列數(shù)字波束形成的理解需要天線原理與數(shù)字信號處理兩個(gè)方面的知識。

（2）知識點(diǎn)抽象性突出

軟件無線電技術(shù)中的原理往往具有抽象性，這一點(diǎn)類似于數(shù)字信號處理中的算法原理。在看似簡單的處理背后是深層次的抽象原理。知識的抽象性給課堂教學(xué)造成了較大的困難。比如數(shù)字波束形成技術(shù)的原理即具有較強(qiáng)的抽象性。天線在沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，通過數(shù)字加權(quán)即可實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，其原理的講解涉及到數(shù)字信號的瞬時(shí)相位、天線陣元信號的同步相干處理等多方面的抽象性很強(qiáng)的專業(yè)知識點(diǎn)。

（3）知識點(diǎn)的實(shí)踐性強(qiáng)

由于軟件無線電技術(shù)是一門應(yīng)用技術(shù)，面向的是通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。與常規(guī)的信號處理不同，軟件無線電需要明確數(shù)字化接收前端的模擬處理過程，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)對系統(tǒng)性能的理解，以及具體的濾波器設(shè)計(jì)方法對處理性能的影響等，這些知識必須結(jié)合應(yīng)用才能完成講解，因而具有實(shí)踐性。

（4）知識點(diǎn)的系統(tǒng)性強(qiáng)

知識點(diǎn)的系統(tǒng)性主要體現(xiàn)在針對軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從前端天線設(shè)計(jì)、發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)、接收鏈路設(shè)計(jì)等其設(shè)計(jì)是一體的。某一參數(shù)的設(shè)計(jì)需要統(tǒng)一考慮對整個(gè)系統(tǒng)的性能的影響，因此設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性。但是，知識的講解具有分散性，必須將知識點(diǎn)從前向后進(jìn)行講解，該過程使得系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法很難體現(xiàn)。

2.采取的教學(xué)措施

針對上節(jié)所述的軟件無線電技術(shù)面臨的教學(xué)難題，采用了多種教學(xué)方法進(jìn)行實(shí)踐，具體包括如下幾個(gè)方面：

（1）注重與以往專業(yè)基礎(chǔ)課知識的對接

針對軟件無線電技術(shù)涉及的知識面廣泛的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中注重對以往所學(xué)知識的提示與對接。如在講授前端模擬濾波器設(shè)計(jì)中的Q值選取問題時(shí)，首先回顧了高頻電子線路中的關(guān)于濾波器Q值的定義與性質(zhì)的講解。通過該知識點(diǎn)的回顧，在進(jìn)行后續(xù)分析時(shí)可以有效提高學(xué)習(xí)效果。

（2）采用Matlab仿真輔助抽象知識的理解

針對該課程學(xué)習(xí)過程中的知識點(diǎn)的抽象性難題，采用利用Matlab進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的輔助教學(xué)方法。Matlab作為算法與理論研究的利器，廣泛的應(yīng)用在科學(xué)研究之中。在多個(gè)具有抽象性的知識點(diǎn)的講解中，利用Matlab進(jìn)行仿真說明，取得了良好的效果。比如在對于帶通采樣定理的講解過程中，采用低于信號頻率的采樣率實(shí)現(xiàn)了對單頻信號的采樣，分析了參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響，并給出了仿真圖形。在講解該定理的公式推導(dǎo)與概念的同時(shí)，給出具體的仿真例子，取得了良好的教學(xué)效果。

（3）采用Matlab仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)性能分析

具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的效果具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，很難再教學(xué)中予以說明。為了達(dá)到好的教學(xué)效果，在講授系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)同樣結(jié)合Matlab仿真給出生動(dòng)具體的例子，對學(xué)生理解起到了良好的效果。在講解中頻采樣的采樣率選取的過程中，通過仿真計(jì)算給出某一中頻信號頻率與帶寬條件下的采樣率，將采樣后的信號以圖形的形式呈現(xiàn)，直觀簡潔，便于學(xué)生理解。

（4）教學(xué)過程中采用多種反饋方法實(shí)現(xiàn)知識的系統(tǒng)性教學(xué)

由于知識點(diǎn)具有系統(tǒng)性，在講解課程知識的開始，不涉及后續(xù)的知識，針對單點(diǎn)知識分別進(jìn)行講解。而在課程進(jìn)展到后期，則在知識講解的過程中，注重對前面知識點(diǎn)的應(yīng)用，以及對其他課程所學(xué)知識點(diǎn)的應(yīng)用。比如，針對數(shù)字波束形成的講解過程中，串聯(lián)講解了數(shù)字下變頻與中頻采樣的相關(guān)知識。而后者是前面章節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，而在之前的講解中僅講解了基本概念，學(xué)生對其應(yīng)用的理解并不全面。結(jié)合數(shù)字波束形成技術(shù)的講解，則使得學(xué)生可以全面理解數(shù)字下變頻的概念，并真正理解中頻采樣的基本原理與設(shè)計(jì)方法。

3.結(jié)束語

全面分析了軟件無線電技術(shù)課程在教學(xué)過程中的諸多難題。針對該類難題，詳細(xì)討論了所采用的應(yīng)對措施。對相關(guān)課程知識點(diǎn)的回顧、采用Matlab輔助教學(xué)以及系統(tǒng)反饋教學(xué)方法的使用，有效地克服了軟件無線電技術(shù)課程講授中面臨的知識面廣、概念抽象、實(shí)踐性與系統(tǒng)性強(qiáng)等諸多難點(diǎn)。通過在教學(xué)時(shí)間中的實(shí)際應(yīng)用，表明所給出的方法取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳祝明，《軟件無線電技術(shù)基礎(chǔ)》第一版，高等教育出版社，2007.4

[2] 胡學(xué)友，王穎，胡云龍.“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 高教論壇，2007，3：67-69.

[3] 郭建濤.“數(shù)字信號處理”課程的Matlab教學(xué)研究[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：117-119.

[4] 劉大年，史旺旺，孫貴根，吳桂峰.“數(shù)字信號處理”課程的形象化教學(xué)方法探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（4）：104-108.