信号分析与处理探究性实验教学平台的构建

张建良，齐冬莲，吴 越，韩 涛，姚 维

(浙江大学 电气工程学院， 杭州 310027)

信号分析与处理探究性实验教学平台的构建

张建良，齐冬莲，吴 越，韩 涛，姚 维

(浙江大学 电气工程学院， 杭州 310027)

针对信号分析与处理实验课程的教学实践特点，基于开源GNU Radio软件架构，开发了以开放式、创新性为特点的信号分析与处理探究性实验教学平台。利用具有较高执行效率的C++语言编写各种信号处理模块，可以实现信号课程中滤波器、FFT 变换、调制/解调器、信道编译码等基本理论内容；利用语法简单、完全面向对象的Python脚本语言来构造流向图，以连接各个信号处理模块成为完整的信号处理流程；结合教师的科研实践项目，可以开展面向多种应用的探究性实验设计。通过组织开放式研究小组的形式探索探究性实验的实施，改革实验课程的考核方式和评价机制，实现实验教学在形式和效果上的协同改进，促进以综合性和创新性为特点的电气信息类人才的培养。

开源软件无线电； 信号分析与处理； 探究性实验

0 引 言

信号分析与处理课程具有理论复杂和系统性强的特点，因此课程实验环节在学生对课程内容的理解、掌握和应用中起着至关重要的作用。而且随着信号处理技术和应用需求的发展，实验教学实践活动在信号处理课程教学效果中的地位和作用将越来越重要。

我校是全国最早开设“信号分析与处理”课程的高校之一，经过一系列的探索和改进，在实验教材编写、课程网站建设、实验教学和实验改革等方面，积累了丰富的经验。本着实验内容以适应社会需要和激发学生创新能力的培养为宗旨，采用先进的实验手段，引入现代信号分析与处理技术的分析、设计方法，探索实验教学的创新性、层次性、整体性和系统性，形成了与新的课程体系相适应的探究性实验教学体系[1-3]。

结合信号分析与处理实验课程的教学实践特点，基于开源GNU Radio的信号分析处理架构，设计了以开放式实验方式、创新性实验内容和自主型考核评价为特点的信号分析与处理探究性实验平台。在该平台下，通过组织开放式研究小组的形式，实现教师指导下学生自主探索和考评的实验方式；改进信号处理模块库以快速建立信号处理的实现流程，进行基本实验内容设计和仿真；同时又能够用来连接真实的信号接收和处理系统,结合教师的科研实践项目，开展面向多种应用的探究性实验。并通过改革和探索实验教学的评价机制，发挥实验教学在综合性和创新型人才培养中的作用，形成层次化、多元化、创新性的实验教学体系。

1 实验教学平台的建设目标

针对电气类和自动化类专业对课程实验的共性和各自特点，实验教学平台首先要以学生为主导，建设多层次立体化的实验教学内容，为学生基本实验技能的培养奠定基础。

其次，实验教学平台的建设以加强课程实验、实践、工程设计能力培养为目标，以适应社会的需要、创新能力的培养为依据，锻炼学生综合运用知识的能力[4-7]，通过实验教学形式的改进，激发学生的主体能动性和创新潜力的爆发，解决和设计比较复杂的应用开发问题，采用先进的实验手段和实验理念，强调实验的整体性、系统性，以形成与新的课程体系相适应的实验体系[8-10]。针对不同的人才培养目标，构建层次化的实验教学内容结构，培养和塑造电气信息类专业学生的创新思维与创新能力。

2 实验教学平台的设计思路

实验平台的设计理念为：在GNU Radio体系架构下，通过软件加载和重新设计来实现各种信号分析与处理模块，并以标准、开放、图形化的形式连接起来形成一个通用实验平台，将复杂的信号分析与处理功能在计算机软件系统上实现。

GNU Radio 是一个通过最小程度地结合硬件(比如RTL2832U等)，用软件来实现信号分析与处理的软件体系。GNU Radio应用程序用Python语言来编写，真实的信息处理过程是由C++浮点扩展库来实现的。同时GNU Radio是一个全球性的开源软件项目，其开放性和互动性的特点，方便探究性实验教学内容不断充实丰富，以及以科研小组为单位的实验教学实施形式的改进[11-13]。

GNU Radio具有一个广泛的标准库的基本功能模块，通过结合现有的外围信号采集电路模块，连接现有的信号分析与处理模块形成信号处理流程图，完成信号分析、处理和可视化等标准任务。基于GNU Radio中信号处理的模块化和图形化功能，使得开发者不用关心这些数据如何在这些模块之间流动，一旦程序连接好，功能模块会自动进行直至得出信号处理的最终结果，并通过相应模块显示出来，从而解决传统实验教学中重视硬件电路搭建而轻视信号基本概念理解和掌握的问题，将“信号分析与处理”实验教学的重心转移到对信号基本概念和原理的理解和实现上。根据应用问题的特点，通过编写相应信号处理高级模块，结合现有基本模块提供复杂的信号分析处理功能，并实现相应的信号处理逻辑，锻炼学生在高级信号处理算法实现，以及创新性为导向的探究性实验设计方面的综合素质。

3 实验教学平台的设计实现

基于GNU Radio架构的信号分析与处理实验教学平台主要由前端模拟信号采集硬件单元和基于计算机的GNU Radio信号处理单元组成。整个探究性实验平台的体系架构如图1所示。

图1 基于GNU Radio的探究性实验平台的体系架构

前端模拟信号采集硬件单元主要是指具有开放性、标准化的通用信号外设，即在包含一个相应的调谐器芯片的母板上，接收一定频率范围的信号，然后经过一个具有特定数据运算速度的FPGA芯片放大后，输入到具有特定信号抽样率的A/D转换模块,最后经过一个可编程的USB2.0控制器，输送到基于计算机的GNU Radio软件处理单元。

基于计算机的GNU Radio信号处理单元主要是指在计算机上实现的基于GNU Radio的信号分析与处理的软件体系，通过利用具有较高执行效率的C++语言编写各种信号处理模块(block)，可以实现“信号分析与处理”课程中基本的理论内容，如滤波器、FFT 变换、调制/解调器、信道编译码模块等。然后，利用语法简单、完全面向对象的Python脚本语言来构造流向图(flow graph)，从而连接各个block 成为完整的信号处理流程。GNU Radio 的软件结构允许用户根据实际应用要求对相应信号处理模块block进行改进，获得预期的性能并完成信号处理的整个流程。用户除了能够开发自己的block 之外，还可使用GNU Radio 内嵌的利用CPU增强指令集的block，完成功能更加丰富、效率更快的实验内容。

通过灵活的模块化操作，可以定制和改进现有模块，激发学生对信号实验的兴趣；基于强大的网络资源支持，解决实验过程中的问题，培养学生发现并解决问题的能力；具有专业的信号处理功能，可以独自仿真或者借助外围设备，拓展信号分析与处理的范围和能力；以科研兴趣小组的实验形式，配合导师以科研项目为导向的面向实际应用的探究性实验内容，从而不断改进实验教学的形式和效果。

4 探究性实验教学和科研活动的融合探索

高校科研活动代表了与社会实践前沿结合最紧密、最先进的知识和技术，因此以培养创新型思维和实践人才为导向的探究性实验的开展，必然不能脱离科研实践的指导[14-16]。电气学院拥有“控制理论与控制工程”国家重点学科，已经具备实力较强的科研能力，尤其是信号课题组负责了多项国家级、省部级和企业合作项目，以SRTP、导师科研项目、校企联合实验室和实践基地的形式，将科研中较为先进的研究方法、研究内容转化为探究性实验课程，应用新技术、新方法解决现实社会中遇到的新问题，培养学生的创新思维和探索能力。

例如，课题组在国家自然科学基金项目“无人机在非合作场景中的分布式控制与优化问题研究(项目编号61503333)”的研究中，基于GNU Radio信号实验平台自身优势，开发了“基于GNU Radio的无线信号获取和分析技术研究”探究性系列实验，对无人机、机器人系统和开放式无线网络中各种信号的获取和分析处理技术展开研究。

实验教学与科研的有效结合，提高了学生在信号领域的创新能力、实践能力不断提升。近年来电气学院本科生多次在全国智能车大赛、电子竞赛、挑战杯大赛等活动中获国家级大奖，对创新型和高素质人才的培养起到了重要作用[1-3]。

5 探究性实验的课程考核方式改革

探究性实验教学平台因其实验形式的开放性、实验内容的探索性等特点，必然带来实验考核方式的改革。传统的课堂实验结果评判，课下实验报告打分的考核制度已经不能适应探究性实验教学的需要[1-3]。为此，课题组教师探索和实施了一种个性化的实验和教学模式，通过研究兴趣小组展示互评打分和教师点评结合的开放式考评机制，鼓励学生的探索需求；通过搭建校内科训、校外实践、国际交流等多种综合性学习平台，满足学生的差异化学习方式；辅助评判学生参与校内联合实验室及骨干企业的长效实践基地所开展的探究实验活动，以及参加大学生智能汽车、智能电网、IC设计等大学生研究平台和SRTP、导师科研项目、学科竞赛等环节，进行合理的加分评价。

6 结 语

通过构建基于GNU Radio的信号分析与处理探究性实验平台，覆盖“信号分析与处理”课程中信号的采样、滤波器设计、信号调制与解调等基础实验内容；同时探索以科研兴趣小组的实验形式，配合导师以科研项目设计面向实际应用的探究性实验内容，不断改进实验教学的形式和效果；通过实验教学考核评价机制的改革和探索，综合发挥实验教学在综合性和创新型人才培养中的作用，形成层次化、多元化、创新性的实验教学体系。以此平台为基础，电气学院近年来在实验教学方面和学生科研实践方面，均取得了丰硕的成果。

[1] 赵光宙,齐冬莲.“信号分析与处理”课程教学改革与思考[C].2007 年中国自动化教育学术年会,2007:379-382.

[2] 孙 晖,赵 菁.信号分析与处理综合性实验设计与实现[J].实验技术与管理,2012,29(7): 161-163.

[3] 齐冬莲,赵光宙.自动化类专业“信号分析与处理”课程建设[J].电气电子教学学报,2009,31(S2):178-181.

[4] 高军萍,王 霞,李 琦,等.数字信号处理课程教学改革的探索与体会[J].电气电子教学学报,2007,29(2): 19-21.

[5] 朱金秀,张 卓,朱昌平.数字信号处理课程实验教学研究与实践[J].实验室研究与探索,2008,27(5): 96-98.

[6] 吴 京,王 展,皇甫堪.“信号分析与处理”课程的教学改革[J].高等教育研究学报,2001,24(2):42-43.

[7] 刘 峰,段 红,熊庆旭,等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理,2008,25(3):118-120.

[8] 周祥才,杨 铮.基于Matlab的信号采样与重构的实现[J].实验技术与管理,2007,24(2):79-80.

[9] 刘成云,陈振学,孔 慧.基于CCS的“信号分析与处理”实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(11): 97-100.

[10] 许 爽,李 敏.综合设计性数字信号处理实验的探讨[J].大连民族学院学报,2010,12(3):96-97.

[11] 曹瀚文,王文博.GNU Radio: 开放的软件无线电平台[J].电信快报: 网络与通信,2007(4): 31-34.

[12] 杨 宏,孔耀晖,茹晨光,等.基于 GNU Radio 和 USRP 的无线通信系统建模仿真[J].现代电子技术,2013,36(18):73-77.

[13] 赵 楠,武明虎,周先军,等.基于 GNU Radio 和 USRP 的宽频带并行感知平台设计[J].计算机应用研究,2015,32(12):3779-3781.

[14] 贺燕云,马中良.科研促进实验教学的设想[J].教育教学论坛,2012(1):211-212.

[15] 张玉平,田冰雪.研究型大学科研促进实验教学的实践探索[J].实验室研究与探索,2010,29(6):120-122.

[16] 扈 旻，邓北星，马晓红，等.科研成果转化为实验教学内容的探索与实践[J].实验技术与管理,2012,29(10):21-23.

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

浙江省自然科学基金项目(LY15E070001)；浙江省教育厅科研项目(Y201533326)；浙江省实验室工作研究项目；浙江大学本科实验教学自制仪器设备项目；德州仪器(TI)产学合作协同育人项目；美国国家仪器(NI)产学合作协同育人项目。

张建良(1984-)，男，河南新野人，博士，讲师，研究方向为信号分析与处理、复杂工业系统的分析与控制。

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

G 642.0

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：1006-7167(2017)07-0172-03