面向工程教育的“通信原理”教学研究

唐 麒 张晓瀛 马东堂 魏急波

(国防科技大学 电子科学学院， 长沙 410073)

《华盛顿协议》是国际上最具影响力的工程教育学位互认协议，2016年我国正式成为《华盛顿协议》的成员，标志着我国工程专业教育与国际教育开始互认[1]。工程教育专业认证是指专业认证机构针对高等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证，由专门职业或行业协会(联合会)、专业学会汇同该领域的教育专家和相关行业企业专家一起进行，旨在为相关工程技术人才进入工业界从业提供预备教育质量保证。工程教育是高等教育的重要组成部分，在高等教育体系中“三分天下有其一”。工程教育专业认证通过实施成果导向的教育，从而最终实现人才培养的工程化目标，其核心理念为“以学生为中心，以成果为导向，持续改进”。在国家工业化进程中，工程教育发挥了不可替代的作用，对门类齐全、独立完整的工业体系的形成与发展提供了坚实基础。同时，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。

随着通信技术快速深入地发展及在民用、军事领域的普遍应用，进一步地提高院校通信专业工程认证教育水平具有重要价值。本文针对“通信原理”课程教学，探索软件无线电技术在“通信原理”课程教学中的意义，基于软件无线电技术提升“通信原理”教学效果，助力“通信原理”工程认证教育。

1 “通信原理”课程教学存在的问题

“通信原理”课程教学工作的开展采用以单元为基础、以知识点为核心的模块化、孤立式教学模式，从完整的通信系统功能划分、信号处理流程出发，将系统拆分为多个独立模块，并在课堂教学的实际过程中以各独立模块的重难点为核心开展教学。这种教学模式面临一个非常实际的问题，即系统性不足问题。

1.1 课堂教学系统性不足问题

“通信原理”课堂教学工作的系统性不足问题在传统课堂教学和以网络化线上课堂为基础的现代化教学中均有体现。

在传统课堂教学中体现在以单元为核心的教学组织上，传统教学方法是围绕各单元教学重、难点组织教案、开展课堂讲授、进行形成性和终结性考核评估工作，侧重于知识的完备性和独立性，相对来说各单元模块间知识点的联系不够强，无法较好地体现“通信原理”知识体系的系统性。

在以网络化线上课堂为基础的现代化教学中则更大程度上体现了系统性不足的问题，这种新的现代化教学模式更加专注于教材中某个单元的重点难点，在十几分钟时间甚至更短的时间内讲授某个知识点，并通过几道思考题、填空题、选择题进行考核评估，知识碎片化特征进一步凸显，这种教学模式难以达到有效传授课程知识并实现通信系统教学所亟需的系统性思维这一目的[2]。

上述问题的存在有其客观的现实因素，其中最关键的一点是“通信原理”课程呈现了内容多、概念多、公式多的“三多”特点，而该课程学时数极为有限，从36学时、48学时到64学时不等，在这么短的时间内要讲授完所有内容已属不易，更别说从系统的角度将所有内容衔接为完整的一体并达到有效传授系统性思维的目的。此外，“通信原理”课程通常安排在大学三年级，这时段的学生存在各种压力：一方面，存在较大的学业压力，这一时间段进入了专业课程的井喷时期，需要学习的专业课程多，且各专业课程通常具有难度高、推理复杂的特点。另一方面，这一阶段的学生还有着更强的就业和发展压力，在完成专业课程学习的同时，需要开展职业规划，筹划考取各种证书并准备研究生考试等，占据了较多的精力，进一步为该课程的系统性学习增加了障碍。

1.2 课程实验系统性不足问题

“通信原理”实验课程的开展也体现了系统性不足的特点。实验课程的开展通常以教材中某一章节具体知识点为基础进行，比如模拟信号数字化所涉及的增量调制、基带传输所涉及的HDB3码、数字传输中的PSK、QAM、MSK等调制解调方式，这些实验课程的开展，因为实验的对象本身就是通信系统中某一个孤立的模块，没有将各部分有效整合在一起，也难以分析某一知识点在通信系统中的影响，学生在实验过程中看到了系统的局部但看不到全局，也不能直观感受到完整通信系统内部组成及内在逻辑，不利于系统性思维的培养和形成。

1.3 课程考核系统性问题

“通信原理”课程考核通常包括形成性考核和终结性考核，两类考核的出发点仍是教学大纲中规定的学习内容。

形成性考核包括了随堂测试、习题和实验等。考核内容均以课程单元中的重、难度点为基础开展，考核目标也是对当前课堂所学内容的掌握程度进行衡量，很少甚至无法将单元模块中各知识点有效整合，较难全方位考查到位，因此，形成性考核上也存在系统性不足的问题。

终结性考核则仍被陈旧、过时的考题库所限制，但在系统性思维的培养方面走得略远一些。对系统性的考核通常仅在最后一道综合计算题中有所体现，将不同章节的内容(尤其是模拟信号数字化、基带传输、频带传输和通信系统性能方面的内容)予以整合，但是，由于在学习过程中没有有效地将系统性思维进行全面贯彻，单纯在终结性考核中加以体现，无助于深入培养学生的系统性思维。

1.4 系统性问题解决方法

针对传统“通信原理”课程教学各环节中呈现的系统性不足的问题，本文初步探索新的解决办法。系统性思维的培养应该从完整的通信系统着手，在教学、实验、考核等环节中引入完整的通信系统意识，使学生不至于“一叶障目，不见泰山”。然而，通信系统具有高度复杂性，让学生直接面向复杂的通信系统不切实际，需要采用合适的方式进行简化，使学生学习起来不太困难。本文探索如何依托软件无线电技术来传授通信系统系统性思维，利用软件无线电模块化、组件化、软件化、松耦合优势，采用开源软件无线电波形，使学生可以在完整的波形基础上进行快速开发、验证、评估，依托各类可视化手段更好地洞察“通信原理”各知识点在通信系统中的作用，提升工程实践能力、培养系统性思维。下文对软件无线电技术进行简要介绍，并进一步阐述如何在“通信原理”教学活动中予以应用。

2 软件无线电技术

2.1 软件无线电和软件通信体系架构

软件无线电是基于软件定义的方式来实现无线电通信。无线通信协议，频带、空中接口协议和功能均可通过软件来升级。软件无线电的核心是构造具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，各种功能(包括工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等)用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，使无线通信系统具有高度灵活性、开放性。基于软件无线电可在通用硬件平台上实现各种调制波形和通信协议，实现与旧体制电台的通信，实现电台间互联互通，延长电台寿命周期，并节约开发和维护成本。

软件通信体系架构SCA(Software Communication Architecture)是由美军制订、软件无线电论坛认可并在全球广泛推行的软件无线电行业标准，定义了统一的软件无线电体系结构规范和系统不同模块间的接口与交互协议，为软件无线电产品兼容性和可移植性提供了一系列解决方案，为实现“一种波形适应多种平台，一种平台加载多种波形”的要求奠定了坚实基础[3]。SCA模型如图1所示，由操作系统、传输机制、核心框架、设备与服务组成，为作为核心的波形开发提供统一的底层支持和服务，使波形具有最大的可移植性和可重用性。

图1 SCA体系架构模型图

2.2 基于SCA的软件无线电波形和开发

波形是软件无线电系统中的核心概念。在基于SCA的软件无线电系统中，波形由通用协议处理流程所涉及的软件模块有机组成，组成波形的软件模块称为组件，组件和波形的开发需遵循SCA规范的要求，实现相关接口、合理定义XML文件，从而使得波形可无缝接入软件无线电系统。

传统的波形开发需要将各个通信协议不同功能模块紧密耦合在一起来实现完整功能，且波形与底层软硬件平台紧密耦合，导致波形重用和升级困难，使波形开发难度大、效率低。而基于SCA，可以采用通用的波形设计方法，将波形划分为多个组件，通过核心框架实现波形管理、配置和控制，并通过传输机制及硬件抽象层实现组件间控制信息和业务数据交互，同时，波形与底层软硬件平台通过标准化接口进行交互，极大提高了波形的可重用性和可移植性，降低了波形开发难度。

基于SCA的软件无线电波形开发既可以基于软件无线电集成开发环境完成，也可基于已有模板来完成。基于集成开发环境进行开发的优势是图形化界面提供了类似于Matlab的直观地开发方式，并提供一系列自动化工具为开发提供了便捷性，比如可以对组件和波形进行建模、可直接将组件IDL文件映射为组件框架代码文件、可根据SCA规范生成组件和波形的XML描述文件等。基于已有模板进行开发则略复杂些，需要对SCA规范有较深理解。波形组件需要继承SCA标准定义的LifeCycle、PortAccessor、PropertySet、ControllableInterface等接口，实现波形initialize、releaseObject、connectUsesPorts、disconnectPorts、start、stop等操作，用于组件的控制和管理；同时根据需要实现数据端口用于组件之间的数据传递。组件内部实现组件的业务代码、完成组件核心功能。SCA波形组件模型如图2所示。

图2 SCA波形组件模型

3 基于软件无线电的“通信原理”教学模式

3.1 未来多频段多波形模块化战术无线电波形

我们提出了基于开源未来多频段多波形模块化战术无线电波形FM3TR(Future Multiband Multiwaveform Modular Tactical Radio)的“通信原理”教学模式。FM3TR是一种兼容SCA的可移植窄带软件无线电波形，最初由AFRL(Air Force Research Labs)实验室研发，采用VHF和UHF频段(30 MHz-400 MHz)、25 kHz带宽、CPFSK调制，支持跳频模式(250 hops/s)，话音模式采用CVSD压缩编码(基于PCM 16 kHz)，数据模式支持9.6 kbps速率[4-5]。FM3TR波形包含DLC、RS、MAC、EthernetDevice等组件，其模型如图3所示。

在SCA体系架构的基础上采用组件化思想实现了FM3TR波形。所实现的波形采用软件实现各模块，模块之间接口清晰，模块功能明确，学生可以更容易地开展学习与研究工作。

3.2 教学模式设计

由于FM3TR波形的各模块均采用组件化、软件化思想进行实现和封装，各组件之间的接口清晰明确，各组件依据SCA标准实现的接口和组件核心业务逻辑之间的界限清楚，因此可以较容易地掌握通信系统各部分的核心功能并理解整个波形的思想。与此同时，依托第2.2节所介绍的基于SCA的软件无线电波形开发方法，学生可比较容易地根据需要升级FM3TR窄带波形中的各个模块甚至增加新的模块，通过简单的配置得到新的波形，并通过运行新的波形更加直观地看到模块升级所导致的通信系统变化，通过对比能够更系统更深入地理解通信系统的基本原理，从而将“通信原理”基本理论与工程实现较好地统一起来，起到提升工程能力、培养系统性思维的目的。此外，还可以实现噪声、干扰和各类信宿的灵活插入，为分析系统某一部分参数、功能的改变对系统整体的影响提供便利。

图3 FM3TR波形模型图

基于软件无线电的“通信原理”教学模式具体设计如下。在准备阶段，安排学生通过业余时间自学提高编程能力。以我校为例，学生在学习“通信原理”之前通常掌握了C++和Matlab等编程工具，具有了一定的编程基础。因此，这个阶段主要有两个目标：一是进一步熟悉编程并提高编程水平；二是针对通信专业特点，使学生了解和初步掌握与通信工程实现、仿真、可视化紧密相关的编程基础知识。这个阶段需要由教师、助教为学生提供优质的资源和辅导。这一部分工作应尽可能在“通信原理”教学的前几周完成。下一步，在课时量有限的情况下借助MOOC、雨课堂等平台以微课视频形式向学生介绍FM3TR波形的基本概念、模块化设计的基本原理和特点及模块的二次开发方法，这是教学模块的重点内容。

在应用软件无线电进行教学方面，主要从课堂和课下两个方面开展，并在形成性考核中对学生的能力水平进行评估。

在课堂上，依托该环境针对关键概念进行课堂演示和阐述。比如，可以采用改变调制、编码、成型脉冲，或加入人工噪声等方式，在通信系统运行时采用信号包络、眼图、星座图、矢量图、误码率、误比特率等方式实时显示系统中关键部分的图形，并依托图形对“通信原理”内容进行更系统讲解。这种模式主要强调“通信原理”的系统性，在讲授某一知识点时，虽然重心仍然放在知识点上，但要着重从系统角度阐述部分对整体的影响，达到强化学生系统性思维的目的；同时，这一演示图形活动的引入有助于增强教学活动的趣味性，可以更好地激发学生的学习热情。在课后，依托该环境安排设计、仿真实验。实验作业的布置根据学习的进度进行灵活安排，在前期，以实现特定模块为主、观察部分对整体的影响为辅；在后期，随着学生知识的增加，则以对通信系统整体进行设计为主，以进一步加深对各部分知识的理解掌握为辅，确保每一次实验都面向可运行的完整通信系统来开展，在这个过程中逐渐加强学生的系统性思维。

4 结语

本文分析了“通信原理”课程教学中存在的系统性问题，引入软件无线电技术，提出基于SCA和开源F3MTR波形的“通信原理”教学模式，为“通信原理”系统性教学及学生能力培养提供可供借鉴的思路和方法。