本科“軟件無線電技術(shù)”課程的教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐

黃光亞 徐倩 鄧小飛

[摘 要] 該文對本科“軟件無線電技術(shù)”課程的教學(xué)設(shè)計及實(shí)踐進(jìn)行了研究和探討，從教學(xué)目標(biāo)、教材選定、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)平臺、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、考核方法及特色創(chuàng)新等方面進(jìn)行分析闡述，為本科軟件無線電技術(shù)教學(xué)提供了可參考的方案。

[關(guān)鍵詞] 軟件無線電技術(shù);教學(xué)設(shè)計;教學(xué)實(shí)踐

[基金項目] 2016年度吉首大學(xué)新開課程建設(shè)項目“軟件無線電技術(shù)”（2016KCB10）

[作者簡介] 黃光亞（1981—），女（土家族），湖南吉首人，碩士，吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事信號處理及圖像處理研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0215-03? ? [收稿日期] 2020-03-20

軟件無線電技術(shù)是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的先進(jìn)技術(shù)[1]，這項技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，取得了引人注目的進(jìn)展，并得到了廣泛的應(yīng)用。軟件無線電技術(shù)已經(jīng)成為無線電工程的一種通用的現(xiàn)代方法，是無線電工程領(lǐng)域的一種新的設(shè)計理念、設(shè)計思想。學(xué)習(xí)和掌握這一新的設(shè)計理念和技術(shù)勢必成為通信、電子類相關(guān)專業(yè)人才必備的職業(yè)技能。在筆者所在院校2016版通信工程專業(yè)的本科人才培養(yǎng)方案中，首次將軟件無線電技術(shù)設(shè)置為通信工程專業(yè)的必修課程，為本專業(yè)培養(yǎng)從事電子、通信設(shè)計工作打下扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

一、本科軟件無線電課程開設(shè)的目的和意義

軟件無線電涉及的領(lǐng)域多、面廣、發(fā)展快，如現(xiàn)代通信理論、寬帶天線理論、數(shù)字信號處理、微電子、計算機(jī)等，技術(shù)發(fā)展日新月異。

軟件無線電的基本概念是把硬件作為無線通信的基本平臺而把盡可能多的無線通信及個人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)，軟件無線電技術(shù)是近年來提出的一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)，他具有很強(qiáng)的靈活性與開放性的特點(diǎn)，由于軟件無線電具有現(xiàn)有無線通信體制所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。軟件無線電的各種通信功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，這樣無線通信新系統(tǒng)，新產(chǎn)品的開發(fā)將逐步轉(zhuǎn)到軟件上來，而無線通信的產(chǎn)品價值將越來越多地體現(xiàn)在軟件上，這是無線通信領(lǐng)域從固定到移動，從模擬到數(shù)字之后的第三次革命必將形成和計算機(jī)及程控交換相當(dāng)?shù)木薮螽a(chǎn)業(yè)[2]。因此，開展軟件無線電的學(xué)習(xí)和研究具有重要的價值。

二、軟件無線電課程在本科教學(xué)中的重要性

通信工程專業(yè)的創(chuàng)新平臺、專業(yè)綜合課程設(shè)計平臺一直是一個亟待解決的問題，一直以來通信專業(yè)的綜合設(shè)計都是采用仿真設(shè)計的方式，專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗采用硬件電路實(shí)驗箱的方式，少量軟件實(shí)現(xiàn)的也存在可操作性、可編程性不高等問題[3-5]。

軟件無線電技術(shù)課程從軟件無線電總體體系出發(fā)，介紹軟件無線電的主要理論、關(guān)鍵技術(shù)和最新發(fā)展情況。課程具有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐結(jié)合的特點(diǎn)，為本專業(yè)的專業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計和工程實(shí)踐提供了必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

軟件無線電技術(shù)課程具有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐結(jié)合的特點(diǎn)，為本專業(yè)的專業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計和工程實(shí)踐提供了必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。軟件無線電技術(shù)實(shí)驗室，既能滿足通信工程專業(yè)缺少創(chuàng)新平臺、缺少專業(yè)綜合課程設(shè)計平臺及專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗室教學(xué)改革的需求，通過課程的學(xué)習(xí)，又能達(dá)到讓學(xué)生掌握一門新技術(shù)、新方法的同時，深化專業(yè)知識的作用，通過課程的實(shí)踐，達(dá)到理論結(jié)合實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生動手能力的目的。

三、軟件無線電課程教學(xué)設(shè)計

軟件無線電技術(shù)課程在大多數(shù)高校里是研究生階段的課程，課程教學(xué)內(nèi)容注重軟件無線電技術(shù)的研究及軟件無線電硬件平臺的設(shè)計。對于軟件無線電技術(shù)的本科教學(xué)，旨在通過課程讓學(xué)生掌握一門新技術(shù)和實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的新方法，深化專業(yè)知識，通過課程實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生動手能力的目的。因此，軟件無線電的本科教學(xué)采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的開發(fā)思路，課程教學(xué)內(nèi)容圍繞軟件無線電發(fā)射和接收機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，從基本分析方法、硬件平臺、調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)、信道編解碼的實(shí)現(xiàn)到軟件無線電的應(yīng)用與實(shí)踐。教學(xué)內(nèi)容即能涵蓋軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)，也緊扣通信工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識。通過本課程的教學(xué)，學(xué)生能具備以下知識和能力：（1）掌握軟件無線電的的概念和原理;（2）掌握軟件無線電系統(tǒng)的分析方法;（3）掌握一種軟件無線電平臺的使用方法;（4）具備利用軟件無線電平臺實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的能力;（5）加深對通信系統(tǒng)及相關(guān)理論的理解，了解和掌握通信技術(shù)的未來發(fā)展方向。

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

1.教材選用。軟件無線電技術(shù)的經(jīng)典教材是樓才義編著的《軟件無線電原理與應(yīng)用》（第二版），該教材是很多高校選用的研究生教材，該教材偏重于理論及軟件無線電系統(tǒng)及硬件的設(shè)計，教學(xué)內(nèi)容遠(yuǎn)超出本本科生接受的范圍，按照該教材實(shí)施教學(xué)，會偏離“為提高本科生的實(shí)踐動手能力、為本科生實(shí)踐創(chuàng)新提供一個新的先進(jìn)平臺”的教學(xué)目標(biāo)。適用于本科教學(xué)、又能將理論與實(shí)踐并重的教材很少，唯一的一本《GNU Radio軟件無線電技術(shù)》偏重低層技術(shù)的開發(fā)，對學(xué)生C++、Linux、Python等編程能力要求很高。最后課程教學(xué)確定使用向新編寫的《軟件無線電原理與技術(shù)》作為本科教學(xué)的教材，重點(diǎn)參考書包括樓才義編寫的《軟件無線電原理與應(yīng)用》和白勇編寫的《GNU Radio軟件無線電技術(shù)》，及鳥哥的《鳥哥的Linux私房菜基礎(chǔ)學(xué)習(xí)篇》。

2.教學(xué)設(shè)計。課程教學(xué)采用主題式的教學(xué)方法，將課程教學(xué)內(nèi)容提煉為14個教學(xué)主題（見表1），使教學(xué)內(nèi)容凝聚，并對教材內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，豐富課程的實(shí)踐。教學(xué)過程中融入雨課堂，利用信息化手段開展課堂教學(xué)。

（二）實(shí)驗平臺選取

1.實(shí)踐平臺的選取。軟件無線電技術(shù)的先進(jìn)性及硬件平臺的綜合性，對于軟件無線電平臺的使用者要求極高，即要求開發(fā)者具有C++、Python和Linux平臺使用的能力，又要求開發(fā)者具有深厚的通信理論基礎(chǔ)，編程能力的要求對于通信專業(yè)老師來說都是很難達(dá)到的，學(xué)生要入門使用更是困難。充分考慮通信工程專業(yè)目前存在的缺少創(chuàng)新平臺、缺少專業(yè)綜合課程設(shè)計平臺及專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗室教學(xué)改革等因素，采用了智領(lǐng)平臺+GNURadio開源平臺的方式，既很好的解決了門檻高的問題、也充分考慮了學(xué)生的需求和課程教學(xué)的需要。智領(lǐng)平臺是國防科大開發(fā)的軟件無線電教學(xué)硬件及軟件平臺，該平臺對于不是從事軟件無線電研究的教師和學(xué)生來講，具有門檻低，界面友好等特點(diǎn)，平臺適用于通信原理、數(shù)字信號處理、隨機(jī)信號分析等課程，同時能多方面支撐軟件無線電的教學(xué)，是通信專業(yè)目前缺少的創(chuàng)新實(shí)踐平臺的一個可行方案。雖然平臺能夠滿足學(xué)生在校期間的各項需求，但是，學(xué)生跨出校門大多數(shù)無法再接觸到此類平臺，軟硬件價格對于個人用戶來講都相對較高，為讓學(xué)生掌握一門技術(shù)，走出校門后還能繼續(xù)使用所學(xué)，課程教學(xué)中選擇了開源的GNURadio軟件平臺開展教學(xué)[6]和價格相對較低的Hackrf硬件平臺開展教學(xué)示范。課程的實(shí)驗教學(xué)采用實(shí)驗平臺（智領(lǐng)平臺）和開源GNURadio軟件平臺+Hackrf硬件平臺的方式，采用兩種平臺同時使用的方案，能擴(kuò)寬視野、學(xué)以致用。

2.實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計。課程實(shí)驗教學(xué)以掌握軟件無線電平臺的使用和通信技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)方法為主。通過實(shí)驗教學(xué)掌握使用GNU Radio實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，掌握軟件無線電平臺的使用方法，具備使用軟件無線電平臺實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的能力，為學(xué)生自主研究、學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

四、注重過程的綜合考核

軟件無線電技術(shù)課程綜合性強(qiáng)，理論重在考核學(xué)生對知識的運(yùn)用情況，考核方式為期末開卷考試、平時成績和實(shí)踐成績?nèi)糠謽?gòu)成。軟件無線電技術(shù)課程教學(xué)過程中引入了雨課堂教學(xué)平臺，通過平臺的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來形成對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價，通過雨課堂的課堂參與數(shù)據(jù)使得教學(xué)活動全程數(shù)據(jù)化，使得過程考核成為可能。本課程總評成績中，平時成績占20%，實(shí)驗成績占30%，期末考試占50%記入課程的總成績。

五、特色創(chuàng)新

（一）主題式教學(xué)法。在課程教學(xué)過程中，一堂課要做到讓學(xué)生印象深刻，就必須做到重點(diǎn)突出、內(nèi)容凝聚;形成主題鮮明的教學(xué)主題需要突破教材、充分提煉，還需保證主題知識點(diǎn)能在1—2個學(xué)時內(nèi)完成，使每堂課成為相對較獨(dú)立的整體。提煉教學(xué)內(nèi)容，劃分教學(xué)主題，只需謹(jǐn)記落實(shí)“三講三不講（講重點(diǎn)、講難點(diǎn)、講新思路，會的不講、能自學(xué)會的不講、講也不會的不講）”并結(jié)合多方式的教學(xué)手段就能很好的做到。得益于課程設(shè)計環(huán)節(jié)的提煉和主題的劃分，每個教學(xué)主題充分提煉后，教學(xué)內(nèi)容凝聚性比較好，每個主題能在2學(xué)時或者最多4學(xué)時內(nèi)完成，不會出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容從某一章節(jié)斷開的情況，教學(xué)內(nèi)容既相互聯(lián)系，又相互獨(dú)立。

（二）創(chuàng)新思維導(dǎo)圖引導(dǎo)。為了明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，采用思維導(dǎo)圖來為學(xué)生的學(xué)習(xí)形成有效的引導(dǎo)。利用思維導(dǎo)圖建立了每個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)路線，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)時能建立起明確的思路，為自身的學(xué)習(xí)確立個性化的方法，為課堂共同學(xué)習(xí)做好知識準(zhǔn)備，并通過思維導(dǎo)圖來引導(dǎo)學(xué)生思考。

六、結(jié)語

軟件無線電技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的課程，通過選取適合本科教學(xué)的教材及參考書，采用主題式的方法對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行凝練和劃分，使得每次教學(xué)主題鮮明，課程教學(xué)遵循“三講三不講”原則，通過合理的設(shè)計將難點(diǎn)變得有趣，通過教學(xué)活動的開展，學(xué)生通過課堂既能有所收獲又能引發(fā)思考;課程的實(shí)驗教學(xué)采用實(shí)驗平臺（智領(lǐng)平臺）和開源GNURadio軟件平臺+Hackrf硬件平臺的方式，為了讓學(xué)生既容易入手，又能學(xué)以致用，甚至于跨出校門后還能繼續(xù)使用所學(xué)。通過課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握一門新技術(shù)、新方法的同時，深化了專業(yè)知識，通過課程的實(shí)踐，達(dá)到理論結(jié)合實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生動手能力的目的。

參考文獻(xiàn)

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Teaching Design and Practice of Undergraduate Course Software Radio Technology

HUANG Guang-ya，XU Qian，DENG Xiao-fei

（Information Science and Engineering College of Jishou University，Jishou，Hunan 416000，China）

Abstract：This paper studies and discusses the teaching design and practice of the undergraduate course Software Radio Technology.The teaching aims，textbook selection，teaching content，teaching methods，practical teaching platform，practical teaching content，assessment methods and course characteristic have been researched and expounded in this paper，which provides a reference scheme for undergraduate Software Radio Technology teaching.

Key words：Software Radio Technology;teaching design;teaching practice