信號(hào)分析與處理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

張建良，齊冬蓮，吳 越，韓 濤，姚 維

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

信號(hào)分析與處理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

張建良，齊冬蓮，吳 越，韓 濤，姚 維

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

針對(duì)信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐特點(diǎn)，基于開源GNU Radio軟件架構(gòu)，開發(fā)了以開放式、創(chuàng)新性為特點(diǎn)的信號(hào)分析與處理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。利用具有較高執(zhí)行效率的C++語(yǔ)言編寫各種信號(hào)處理模塊，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)課程中濾波器、FFT 變換、調(diào)制/解調(diào)器、信道編譯碼等基本理論內(nèi)容；利用語(yǔ)法簡(jiǎn)單、完全面向?qū)ο蟮腜ython腳本語(yǔ)言來構(gòu)造流向圖，以連接各個(gè)信號(hào)處理模塊成為完整的信號(hào)處理流程；結(jié)合教師的科研實(shí)踐項(xiàng)目，可以開展面向多種應(yīng)用的探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過組織開放式研究小組的形式探索探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，改革實(shí)驗(yàn)課程的考核方式和評(píng)價(jià)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在形式和效果上的協(xié)同改進(jìn)，促進(jìn)以綜合性和創(chuàng)新性為特點(diǎn)的電氣信息類人才的培養(yǎng)。

開源軟件無線電； 信號(hào)分析與處理； 探究性實(shí)驗(yàn)

0 引 言

信號(hào)分析與處理課程具有理論復(fù)雜和系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解、掌握和應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。而且隨著信號(hào)處理技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)在信號(hào)處理課程教學(xué)效果中的地位和作用將越來越重要。

我校是全國(guó)最早開設(shè)“信號(hào)分析與處理”課程的高校之一，經(jīng)過一系列的探索和改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)教材編寫、課程網(wǎng)站建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)改革等方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以適應(yīng)社會(huì)需要和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為宗旨，采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，引入現(xiàn)代信號(hào)分析與處理技術(shù)的分析、設(shè)計(jì)方法，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性、層次性、整體性和系統(tǒng)性，形成了與新的課程體系相適應(yīng)的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[1-3]。

結(jié)合信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐特點(diǎn)，基于開源GNU Radio的信號(hào)分析處理架構(gòu)，設(shè)計(jì)了以開放式實(shí)驗(yàn)方式、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和自主型考核評(píng)價(jià)為特點(diǎn)的信號(hào)分析與處理探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)下，通過組織開放式研究小組的形式，實(shí)現(xiàn)教師指導(dǎo)下學(xué)生自主探索和考評(píng)的實(shí)驗(yàn)方式；改進(jìn)信號(hào)處理模塊庫(kù)以快速建立信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)流程，進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和仿真；同時(shí)又能夠用來連接真實(shí)的信號(hào)接收和處理系統(tǒng),結(jié)合教師的科研實(shí)踐項(xiàng)目，開展面向多種應(yīng)用的探究性實(shí)驗(yàn)。并通過改革和探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)機(jī)制，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在綜合性和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用，形成層次化、多元化、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)

針對(duì)電氣類和自動(dòng)化類專業(yè)對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的共性和各自特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)首先要以學(xué)生為主導(dǎo)，建設(shè)多層次立體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

其次，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)以加強(qiáng)課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、工程設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以適應(yīng)社會(huì)的需要、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為依據(jù)，鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力[4-7]，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的改進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的主體能動(dòng)性和創(chuàng)新潛力的爆發(fā)，解決和設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的應(yīng)用開發(fā)問題，采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)理念，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的整體性、系統(tǒng)性，以形成與新的課程體系相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系[8-10]。針對(duì)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)和塑造電氣信息類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念為：在GNU Radio體系架構(gòu)下，通過軟件加載和重新設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)分析與處理模塊，并以標(biāo)準(zhǔn)、開放、圖形化的形式連接起來形成一個(gè)通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將復(fù)雜的信號(hào)分析與處理功能在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

GNU Radio 是一個(gè)通過最小程度地結(jié)合硬件(比如RTL2832U等)，用軟件來實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析與處理的軟件體系。GNU Radio應(yīng)用程序用Python語(yǔ)言來編寫，真實(shí)的信息處理過程是由C++浮點(diǎn)擴(kuò)展庫(kù)來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)GNU Radio是一個(gè)全球性的開源軟件項(xiàng)目，其開放性和互動(dòng)性的特點(diǎn)，方便探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不斷充實(shí)豐富，以及以科研小組為單位的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施形式的改進(jìn)[11-13]。

GNU Radio具有一個(gè)廣泛的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的基本功能模塊，通過結(jié)合現(xiàn)有的外圍信號(hào)采集電路模塊，連接現(xiàn)有的信號(hào)分析與處理模塊形成信號(hào)處理流程圖，完成信號(hào)分析、處理和可視化等標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)?；贕NU Radio中信號(hào)處理的模塊化和圖形化功能，使得開發(fā)者不用關(guān)心這些數(shù)據(jù)如何在這些模塊之間流動(dòng)，一旦程序連接好，功能模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)行直至得出信號(hào)處理的最終結(jié)果，并通過相應(yīng)模塊顯示出來，從而解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重視硬件電路搭建而輕視信號(hào)基本概念理解和掌握的問題，將“信號(hào)分析與處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重心轉(zhuǎn)移到對(duì)信號(hào)基本概念和原理的理解和實(shí)現(xiàn)上。根據(jù)應(yīng)用問題的特點(diǎn)，通過編寫相應(yīng)信號(hào)處理高級(jí)模塊，結(jié)合現(xiàn)有基本模塊提供復(fù)雜的信號(hào)分析處理功能，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)處理邏輯，鍛煉學(xué)生在高級(jí)信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)，以及創(chuàng)新性為導(dǎo)向的探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的綜合素質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于GNU Radio架構(gòu)的信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由前端模擬信號(hào)采集硬件單元和基于計(jì)算機(jī)的GNU Radio信號(hào)處理單元組成。整個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GNU Radio的探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系架構(gòu)

前端模擬信號(hào)采集硬件單元主要是指具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的通用信號(hào)外設(shè)，即在包含一個(gè)相應(yīng)的調(diào)諧器芯片的母板上，接收一定頻率范圍的信號(hào)，然后經(jīng)過一個(gè)具有特定數(shù)據(jù)運(yùn)算速度的FPGA芯片放大后，輸入到具有特定信號(hào)抽樣率的A/D轉(zhuǎn)換模塊,最后經(jīng)過一個(gè)可編程的USB2.0控制器，輸送到基于計(jì)算機(jī)的GNU Radio軟件處理單元。

基于計(jì)算機(jī)的GNU Radio信號(hào)處理單元主要是指在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的基于GNU Radio的信號(hào)分析與處理的軟件體系，通過利用具有較高執(zhí)行效率的C++語(yǔ)言編寫各種信號(hào)處理模塊(block)，可以實(shí)現(xiàn)“信號(hào)分析與處理”課程中基本的理論內(nèi)容，如濾波器、FFT 變換、調(diào)制/解調(diào)器、信道編譯碼模塊等。然后，利用語(yǔ)法簡(jiǎn)單、完全面向?qū)ο蟮腜ython腳本語(yǔ)言來構(gòu)造流向圖(flow graph)，從而連接各個(gè)block 成為完整的信號(hào)處理流程。GNU Radio 的軟件結(jié)構(gòu)允許用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求對(duì)相應(yīng)信號(hào)處理模塊block進(jìn)行改進(jìn)，獲得預(yù)期的性能并完成信號(hào)處理的整個(gè)流程。用戶除了能夠開發(fā)自己的block 之外，還可使用GNU Radio 內(nèi)嵌的利用CPU增強(qiáng)指令集的block，完成功能更加豐富、效率更快的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

通過靈活的模塊化操作，可以定制和改進(jìn)現(xiàn)有模塊，激發(fā)學(xué)生對(duì)信號(hào)實(shí)驗(yàn)的興趣；基于強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)資源支持，解決實(shí)驗(yàn)過程中的問題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力；具有專業(yè)的信號(hào)處理功能，可以獨(dú)自仿真或者借助外圍設(shè)備，拓展信號(hào)分析與處理的范圍和能力；以科研興趣小組的實(shí)驗(yàn)形式，配合導(dǎo)師以科研項(xiàng)目為導(dǎo)向的面向?qū)嶋H應(yīng)用的探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和效果。

4 探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研活動(dòng)的融合探索

高?？蒲谢顒?dòng)代表了與社會(huì)實(shí)踐前沿結(jié)合最緊密、最先進(jìn)的知識(shí)和技術(shù)，因此以培養(yǎng)創(chuàng)新型思維和實(shí)踐人才為導(dǎo)向的探究性實(shí)驗(yàn)的開展，必然不能脫離科研實(shí)踐的指導(dǎo)[14-16]。電氣學(xué)院擁有“控制理論與控制工程”國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，已經(jīng)具備實(shí)力較強(qiáng)的科研能力，尤其是信號(hào)課題組負(fù)責(zé)了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)和企業(yè)合作項(xiàng)目，以SRTP、導(dǎo)師科研項(xiàng)目、校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和實(shí)踐基地的形式，將科研中較為先進(jìn)的研究方法、研究?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)化為探究性實(shí)驗(yàn)課程，應(yīng)用新技術(shù)、新方法解決現(xiàn)實(shí)社會(huì)中遇到的新問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探索能力。

例如，課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“無人機(jī)在非合作場(chǎng)景中的分布式控制與優(yōu)化問題研究(項(xiàng)目編號(hào)61503333)”的研究中，基于GNU Radio信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了“基于GNU Radio的無線信號(hào)獲取和分析技術(shù)研究”探究性系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)無人機(jī)、機(jī)器人系統(tǒng)和開放式無線網(wǎng)絡(luò)中各種信號(hào)的獲取和分析處理技術(shù)展開研究。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研的有效結(jié)合，提高了學(xué)生在信號(hào)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力不斷提升。近年來電氣學(xué)院本科生多次在全國(guó)智能車大賽、電子競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯大賽等活動(dòng)中獲國(guó)家級(jí)大獎(jiǎng)，對(duì)創(chuàng)新型和高素質(zhì)人才的培養(yǎng)起到了重要作用[1-3]。

5 探究性實(shí)驗(yàn)的課程考核方式改革

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)因其實(shí)驗(yàn)形式的開放性、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索性等特點(diǎn)，必然帶來實(shí)驗(yàn)考核方式的改革。傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)判，課下實(shí)驗(yàn)報(bào)告打分的考核制度已經(jīng)不能適應(yīng)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[1-3]。為此，課題組教師探索和實(shí)施了一種個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)模式，通過研究興趣小組展示互評(píng)打分和教師點(diǎn)評(píng)結(jié)合的開放式考評(píng)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生的探索需求；通過搭建校內(nèi)科訓(xùn)、校外實(shí)踐、國(guó)際交流等多種綜合性學(xué)習(xí)平臺(tái)，滿足學(xué)生的差異化學(xué)習(xí)方式；輔助評(píng)判學(xué)生參與校內(nèi)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室及骨干企業(yè)的長(zhǎng)效實(shí)踐基地所開展的探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，以及參加大學(xué)生智能汽車、智能電網(wǎng)、IC設(shè)計(jì)等大學(xué)生研究平臺(tái)和SRTP、導(dǎo)師科研項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽等環(huán)節(jié)，進(jìn)行合理的加分評(píng)價(jià)。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過構(gòu)建基于GNU Radio的信號(hào)分析與處理探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，覆蓋“信號(hào)分析與處理”課程中信號(hào)的采樣、濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；同時(shí)探索以科研興趣小組的實(shí)驗(yàn)形式，配合導(dǎo)師以科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)面向?qū)嶋H應(yīng)用的探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和效果；通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核評(píng)價(jià)機(jī)制的改革和探索，綜合發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在綜合性和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用，形成層次化、多元化、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，電氣學(xué)院近年來在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面和學(xué)生科研實(shí)踐方面，均取得了豐碩的成果。

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Development of Exploratory Experiment Teaching Platform for Signal Analysis and Processing

ZHANGJianliang,QIDonglian,WUYue,HANTao,YAOWei

(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

According to characteristics of the experimental course teaching practice of signal analysis and processing,based on the open-source GNU Radio software architecture,an open,innovative exploratory experiment teaching platform is designed.By using the high efficiency C++ language to implement various signal processing module (block),the basic theory in the course,including filters,FFT transform,modulator/demodulator,channel codec module,can be easily implemented.By using the scripting language Python to construct flow graph,the signal processing blocks can be easily connected into a complete signal processing system; also,based on the practice of scientific research projects of teachers,a variety of application-oriented exploratory experiments can be carried out.By exploring the experiments in the form of organizing open research group,and reforming experimental course assessment methods and evaluation mechanisms,the comprehensive improvement of forms and effects of experimental teaching can be achieved and it will help to culture comprehensive and innovative professionals in the fields of electric engineering and information science.

GNU radio； signal analysis and processing； exploratory experiments

2016-06-27

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201533326)；浙江省實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目；浙江大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)自制儀器設(shè)備項(xiàng)目；德州儀器(TI)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目；美國(guó)國(guó)家儀器(NI)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目。

張建良(1984-)，男，河南新野人，博士，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)分析與處理、復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的分析與控制。

Tel.:0571-87952707； E-mail: jlzhang@zju.edu.cn

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：1006-7167(2017)07-0172-03