面向工程教育的“通信原理”教學(xué)研究

唐 麒 張曉瀛 馬東堂 魏急波

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院， 長沙 410073)

《華盛頓協(xié)議》是國際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認協(xié)議，2016年我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的成員，標志著我國工程專業(yè)教育與國際教育開始互認[1]。工程教育專業(yè)認證是指專業(yè)認證機構(gòu)針對高等教育機構(gòu)開設(shè)的工程類專業(yè)教育實施的專門性認證，由專門職業(yè)或行業(yè)協(xié)會(聯(lián)合會)、專業(yè)學(xué)會匯同該領(lǐng)域的教育專家和相關(guān)行業(yè)企業(yè)專家一起進行，旨在為相關(guān)工程技術(shù)人才進入工業(yè)界從業(yè)提供預(yù)備教育質(zhì)量保證。工程教育是高等教育的重要組成部分，在高等教育體系中“三分天下有其一”。工程教育專業(yè)認證通過實施成果導(dǎo)向的教育，從而最終實現(xiàn)人才培養(yǎng)的工程化目標，其核心理念為“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進”。在國家工業(yè)化進程中，工程教育發(fā)揮了不可替代的作用，對門類齊全、獨立完整的工業(yè)體系的形成與發(fā)展提供了堅實基礎(chǔ)。同時，工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)。

隨著通信技術(shù)快速深入地發(fā)展及在民用、軍事領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，進一步地提高院校通信專業(yè)工程認證教育水平具有重要價值。本文針對“通信原理”課程教學(xué)，探索軟件無線電技術(shù)在“通信原理”課程教學(xué)中的意義，基于軟件無線電技術(shù)提升“通信原理”教學(xué)效果，助力“通信原理”工程認證教育。

1 “通信原理”課程教學(xué)存在的問題

“通信原理”課程教學(xué)工作的開展采用以單元為基礎(chǔ)、以知識點為核心的模塊化、孤立式教學(xué)模式，從完整的通信系統(tǒng)功能劃分、信號處理流程出發(fā)，將系統(tǒng)拆分為多個獨立模塊，并在課堂教學(xué)的實際過程中以各獨立模塊的重難點為核心開展教學(xué)。這種教學(xué)模式面臨一個非常實際的問題，即系統(tǒng)性不足問題。

1.1 課堂教學(xué)系統(tǒng)性不足問題

“通信原理”課堂教學(xué)工作的系統(tǒng)性不足問題在傳統(tǒng)課堂教學(xué)和以網(wǎng)絡(luò)化線上課堂為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化教學(xué)中均有體現(xiàn)。

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中體現(xiàn)在以單元為核心的教學(xué)組織上，傳統(tǒng)教學(xué)方法是圍繞各單元教學(xué)重、難點組織教案、開展課堂講授、進行形成性和終結(jié)性考核評估工作，側(cè)重于知識的完備性和獨立性，相對來說各單元模塊間知識點的聯(lián)系不夠強，無法較好地體現(xiàn)“通信原理”知識體系的系統(tǒng)性。

在以網(wǎng)絡(luò)化線上課堂為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化教學(xué)中則更大程度上體現(xiàn)了系統(tǒng)性不足的問題，這種新的現(xiàn)代化教學(xué)模式更加專注于教材中某個單元的重點難點，在十幾分鐘時間甚至更短的時間內(nèi)講授某個知識點，并通過幾道思考題、填空題、選擇題進行考核評估，知識碎片化特征進一步凸顯，這種教學(xué)模式難以達到有效傳授課程知識并實現(xiàn)通信系統(tǒng)教學(xué)所亟需的系統(tǒng)性思維這一目的[2]。

上述問題的存在有其客觀的現(xiàn)實因素，其中最關(guān)鍵的一點是“通信原理”課程呈現(xiàn)了內(nèi)容多、概念多、公式多的“三多”特點，而該課程學(xué)時數(shù)極為有限，從36學(xué)時、48學(xué)時到64學(xué)時不等，在這么短的時間內(nèi)要講授完所有內(nèi)容已屬不易，更別說從系統(tǒng)的角度將所有內(nèi)容銜接為完整的一體并達到有效傳授系統(tǒng)性思維的目的。此外，“通信原理”課程通常安排在大學(xué)三年級，這時段的學(xué)生存在各種壓力：一方面，存在較大的學(xué)業(yè)壓力，這一時間段進入了專業(yè)課程的井噴時期，需要學(xué)習(xí)的專業(yè)課程多，且各專業(yè)課程通常具有難度高、推理復(fù)雜的特點。另一方面，這一階段的學(xué)生還有著更強的就業(yè)和發(fā)展壓力，在完成專業(yè)課程學(xué)習(xí)的同時，需要開展職業(yè)規(guī)劃，籌劃考取各種證書并準備研究生考試等，占據(jù)了較多的精力，進一步為該課程的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)增加了障礙。

1.2 課程實驗系統(tǒng)性不足問題

“通信原理”實驗課程的開展也體現(xiàn)了系統(tǒng)性不足的特點。實驗課程的開展通常以教材中某一章節(jié)具體知識點為基礎(chǔ)進行，比如模擬信號數(shù)字化所涉及的增量調(diào)制、基帶傳輸所涉及的HDB3碼、數(shù)字傳輸中的PSK、QAM、MSK等調(diào)制解調(diào)方式，這些實驗課程的開展，因為實驗的對象本身就是通信系統(tǒng)中某一個孤立的模塊，沒有將各部分有效整合在一起，也難以分析某一知識點在通信系統(tǒng)中的影響，學(xué)生在實驗過程中看到了系統(tǒng)的局部但看不到全局，也不能直觀感受到完整通信系統(tǒng)內(nèi)部組成及內(nèi)在邏輯，不利于系統(tǒng)性思維的培養(yǎng)和形成。

1.3 課程考核系統(tǒng)性問題

“通信原理”課程考核通常包括形成性考核和終結(jié)性考核，兩類考核的出發(fā)點仍是教學(xué)大綱中規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

形成性考核包括了隨堂測試、習(xí)題和實驗等?？己藘?nèi)容均以課程單元中的重、難度點為基礎(chǔ)開展，考核目標也是對當前課堂所學(xué)內(nèi)容的掌握程度進行衡量，很少甚至無法將單元模塊中各知識點有效整合，較難全方位考查到位，因此，形成性考核上也存在系統(tǒng)性不足的問題。

終結(jié)性考核則仍被陳舊、過時的考題庫所限制，但在系統(tǒng)性思維的培養(yǎng)方面走得略遠一些。對系統(tǒng)性的考核通常僅在最后一道綜合計算題中有所體現(xiàn)，將不同章節(jié)的內(nèi)容(尤其是模擬信號數(shù)字化、基帶傳輸、頻帶傳輸和通信系統(tǒng)性能方面的內(nèi)容)予以整合，但是，由于在學(xué)習(xí)過程中沒有有效地將系統(tǒng)性思維進行全面貫徹，單純在終結(jié)性考核中加以體現(xiàn)，無助于深入培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維。

1.4 系統(tǒng)性問題解決方法

針對傳統(tǒng)“通信原理”課程教學(xué)各環(huán)節(jié)中呈現(xiàn)的系統(tǒng)性不足的問題，本文初步探索新的解決辦法。系統(tǒng)性思維的培養(yǎng)應(yīng)該從完整的通信系統(tǒng)著手，在教學(xué)、實驗、考核等環(huán)節(jié)中引入完整的通信系統(tǒng)意識，使學(xué)生不至于“一葉障目，不見泰山”。然而，通信系統(tǒng)具有高度復(fù)雜性，讓學(xué)生直接面向復(fù)雜的通信系統(tǒng)不切實際，需要采用合適的方式進行簡化，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來不太困難。本文探索如何依托軟件無線電技術(shù)來傳授通信系統(tǒng)系統(tǒng)性思維，利用軟件無線電模塊化、組件化、軟件化、松耦合優(yōu)勢，采用開源軟件無線電波形，使學(xué)生可以在完整的波形基礎(chǔ)上進行快速開發(fā)、驗證、評估，依托各類可視化手段更好地洞察“通信原理”各知識點在通信系統(tǒng)中的作用，提升工程實踐能力、培養(yǎng)系統(tǒng)性思維。下文對軟件無線電技術(shù)進行簡要介紹，并進一步闡述如何在“通信原理”教學(xué)活動中予以應(yīng)用。

2 軟件無線電技術(shù)

2.1 軟件無線電和軟件通信體系架構(gòu)

軟件無線電是基于軟件定義的方式來實現(xiàn)無線電通信。無線通信協(xié)議，頻帶、空中接口協(xié)議和功能均可通過軟件來升級。軟件無線電的核心是構(gòu)造具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，各種功能(包括工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等)用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，使無線通信系統(tǒng)具有高度靈活性、開放性?；谲浖o線電可在通用硬件平臺上實現(xiàn)各種調(diào)制波形和通信協(xié)議，實現(xiàn)與舊體制電臺的通信，實現(xiàn)電臺間互聯(lián)互通，延長電臺壽命周期，并節(jié)約開發(fā)和維護成本。

軟件通信體系架構(gòu)SCA(Software Communication Architecture)是由美軍制訂、軟件無線電論壇認可并在全球廣泛推行的軟件無線電行業(yè)標準，定義了統(tǒng)一的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)規(guī)范和系統(tǒng)不同模塊間的接口與交互協(xié)議，為軟件無線電產(chǎn)品兼容性和可移植性提供了一系列解決方案，為實現(xiàn)“一種波形適應(yīng)多種平臺，一種平臺加載多種波形”的要求奠定了堅實基礎(chǔ)[3]。SCA模型如圖1所示，由操作系統(tǒng)、傳輸機制、核心框架、設(shè)備與服務(wù)組成，為作為核心的波形開發(fā)提供統(tǒng)一的底層支持和服務(wù)，使波形具有最大的可移植性和可重用性。

圖1 SCA體系架構(gòu)模型圖

2.2 基于SCA的軟件無線電波形和開發(fā)

波形是軟件無線電系統(tǒng)中的核心概念。在基于SCA的軟件無線電系統(tǒng)中，波形由通用協(xié)議處理流程所涉及的軟件模塊有機組成，組成波形的軟件模塊稱為組件，組件和波形的開發(fā)需遵循SCA規(guī)范的要求，實現(xiàn)相關(guān)接口、合理定義XML文件，從而使得波形可無縫接入軟件無線電系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的波形開發(fā)需要將各個通信協(xié)議不同功能模塊緊密耦合在一起來實現(xiàn)完整功能，且波形與底層軟硬件平臺緊密耦合，導(dǎo)致波形重用和升級困難，使波形開發(fā)難度大、效率低。而基于SCA，可以采用通用的波形設(shè)計方法，將波形劃分為多個組件，通過核心框架實現(xiàn)波形管理、配置和控制，并通過傳輸機制及硬件抽象層實現(xiàn)組件間控制信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互，同時，波形與底層軟硬件平臺通過標準化接口進行交互，極大提高了波形的可重用性和可移植性，降低了波形開發(fā)難度。

基于SCA的軟件無線電波形開發(fā)既可以基于軟件無線電集成開發(fā)環(huán)境完成，也可基于已有模板來完成?；诩砷_發(fā)環(huán)境進行開發(fā)的優(yōu)勢是圖形化界面提供了類似于Matlab的直觀地開發(fā)方式，并提供一系列自動化工具為開發(fā)提供了便捷性，比如可以對組件和波形進行建模、可直接將組件IDL文件映射為組件框架代碼文件、可根據(jù)SCA規(guī)范生成組件和波形的XML描述文件等。基于已有模板進行開發(fā)則略復(fù)雜些，需要對SCA規(guī)范有較深理解。波形組件需要繼承SCA標準定義的LifeCycle、PortAccessor、PropertySet、ControllableInterface等接口，實現(xiàn)波形initialize、releaseObject、connectUsesPorts、disconnectPorts、start、stop等操作，用于組件的控制和管理；同時根據(jù)需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)端口用于組件之間的數(shù)據(jù)傳遞。組件內(nèi)部實現(xiàn)組件的業(yè)務(wù)代碼、完成組件核心功能。SCA波形組件模型如圖2所示。

圖2 SCA波形組件模型

3 基于軟件無線電的“通信原理”教學(xué)模式

3.1 未來多頻段多波形模塊化戰(zhàn)術(shù)無線電波形

我們提出了基于開源未來多頻段多波形模塊化戰(zhàn)術(shù)無線電波形FM3TR(Future Multiband Multiwaveform Modular Tactical Radio)的“通信原理”教學(xué)模式。FM3TR是一種兼容SCA的可移植窄帶軟件無線電波形，最初由AFRL(Air Force Research Labs)實驗室研發(fā)，采用VHF和UHF頻段(30 MHz-400 MHz)、25 kHz帶寬、CPFSK調(diào)制，支持跳頻模式(250 hops/s)，話音模式采用CVSD壓縮編碼(基于PCM 16 kHz)，數(shù)據(jù)模式支持9.6 kbps速率[4-5]。FM3TR波形包含DLC、RS、MAC、EthernetDevice等組件，其模型如圖3所示。

在SCA體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上采用組件化思想實現(xiàn)了FM3TR波形。所實現(xiàn)的波形采用軟件實現(xiàn)各模塊，模塊之間接口清晰，模塊功能明確，學(xué)生可以更容易地開展學(xué)習(xí)與研究工作。

3.2 教學(xué)模式設(shè)計

由于FM3TR波形的各模塊均采用組件化、軟件化思想進行實現(xiàn)和封裝，各組件之間的接口清晰明確，各組件依據(jù)SCA標準實現(xiàn)的接口和組件核心業(yè)務(wù)邏輯之間的界限清楚，因此可以較容易地掌握通信系統(tǒng)各部分的核心功能并理解整個波形的思想。與此同時，依托第2.2節(jié)所介紹的基于SCA的軟件無線電波形開發(fā)方法，學(xué)生可比較容易地根據(jù)需要升級FM3TR窄帶波形中的各個模塊甚至增加新的模塊，通過簡單的配置得到新的波形，并通過運行新的波形更加直觀地看到模塊升級所導(dǎo)致的通信系統(tǒng)變化，通過對比能夠更系統(tǒng)更深入地理解通信系統(tǒng)的基本原理，從而將“通信原理”基本理論與工程實現(xiàn)較好地統(tǒng)一起來，起到提升工程能力、培養(yǎng)系統(tǒng)性思維的目的。此外，還可以實現(xiàn)噪聲、干擾和各類信宿的靈活插入，為分析系統(tǒng)某一部分參數(shù)、功能的改變對系統(tǒng)整體的影響提供便利。

圖3 FM3TR波形模型圖

基于軟件無線電的“通信原理”教學(xué)模式具體設(shè)計如下。在準備階段，安排學(xué)生通過業(yè)余時間自學(xué)提高編程能力。以我校為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)“通信原理”之前通常掌握了C++和Matlab等編程工具，具有了一定的編程基礎(chǔ)。因此，這個階段主要有兩個目標：一是進一步熟悉編程并提高編程水平；二是針對通信專業(yè)特點，使學(xué)生了解和初步掌握與通信工程實現(xiàn)、仿真、可視化緊密相關(guān)的編程基礎(chǔ)知識。這個階段需要由教師、助教為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的資源和輔導(dǎo)。這一部分工作應(yīng)盡可能在“通信原理”教學(xué)的前幾周完成。下一步，在課時量有限的情況下借助MOOC、雨課堂等平臺以微課視頻形式向?qū)W生介紹FM3TR波形的基本概念、模塊化設(shè)計的基本原理和特點及模塊的二次開發(fā)方法，這是教學(xué)模塊的重點內(nèi)容。

在應(yīng)用軟件無線電進行教學(xué)方面，主要從課堂和課下兩個方面開展，并在形成性考核中對學(xué)生的能力水平進行評估。

在課堂上，依托該環(huán)境針對關(guān)鍵概念進行課堂演示和闡述。比如，可以采用改變調(diào)制、編碼、成型脈沖，或加入人工噪聲等方式，在通信系統(tǒng)運行時采用信號包絡(luò)、眼圖、星座圖、矢量圖、誤碼率、誤比特率等方式實時顯示系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的圖形，并依托圖形對“通信原理”內(nèi)容進行更系統(tǒng)講解。這種模式主要強調(diào)“通信原理”的系統(tǒng)性，在講授某一知識點時，雖然重心仍然放在知識點上，但要著重從系統(tǒng)角度闡述部分對整體的影響，達到強化學(xué)生系統(tǒng)性思維的目的；同時，這一演示圖形活動的引入有助于增強教學(xué)活動的趣味性，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在課后，依托該環(huán)境安排設(shè)計、仿真實驗。實驗作業(yè)的布置根據(jù)學(xué)習(xí)的進度進行靈活安排，在前期，以實現(xiàn)特定模塊為主、觀察部分對整體的影響為輔；在后期，隨著學(xué)生知識的增加，則以對通信系統(tǒng)整體進行設(shè)計為主，以進一步加深對各部分知識的理解掌握為輔，確保每一次實驗都面向可運行的完整通信系統(tǒng)來開展，在這個過程中逐漸加強學(xué)生的系統(tǒng)性思維。

4 結(jié)語

本文分析了“通信原理”課程教學(xué)中存在的系統(tǒng)性問題，引入軟件無線電技術(shù)，提出基于SCA和開源F3MTR波形的“通信原理”教學(xué)模式，為“通信原理”系統(tǒng)性教學(xué)及學(xué)生能力培養(yǎng)提供可供借鑒的思路和方法。