基于软件无线电的通信专业实践教学探索

常 春，武明虎，廖 力

（湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430062）

引言

2016年6月，我国正式成为《华盛顿协议》成员，通过工程教育专业认证的毕业生在其他签约国可享有相同的本科工程学历待遇。为使毕业生受益于国际认可的工程教育培养，国内各高校纷纷开始准备，积极申请工程教育专业认证。工程教育的核心理念是成果导向教育（Outcome-based Education,OBE）理念，体现为成果导向、以学生为中心、持续改进三个方面。在OBE理念的驱动下，很多高校的电信和通信专业在积极进行专业基础课和专业课的实践教学改革。在传统的通信类课程实践教学中存在以下问题：（1）通信类课程的理论性通常较强，而以验证性实验为主的课程实验设置，无法有力推动学生主动思考背后的理论原理，理论联系实际落实不到位；（2）设计实验多采用纯软件仿真实验，无真实信道，学生缺少真实的系统实验体验感，无法培养学生解决实际通信系统出现的复杂工程问题的能力。

针对以上问题，近年来一些高校尝试将软件无线电（Software Defined Radio,SDR）技术引入通信类课程教学中，北京邮电大学、华中科技大学和中山大学等高校已开展了基于软件无线电的“通信原理”等课程教学实验改革，并积极探索基于软件无线电的创新型综合性实验课。在基于软件无线电技术的通信系统中，几乎所有与物理层相关的功能都通过软件执行的数字信号处理算法实现。SDR发送机的硬件部分只完成对数字域的发送信号进行数模转换、送入天线辐射的功能，其他发送信号所需的信源编码、信道编码、调制和加密等功能利用软件来实现。同样，SDR接收机的硬件部分只完成对天线接收的信号进行高速采样获得数字接收信号的功能，在数字域里恢复传输信息所需的解调、同步、信道译码、信源译码或解密等过程也利用软件来实现。由于这种方式利用通用硬件平台实现通信功能，因此可以通过更新或升级软件模块实现不同或更强的通信功能，从而打破设备通信功能的实现依赖于硬件发展格局的现状。

基于软件无线电的实验和实践项目的优势为：（1）系统具有真实信道，相对于纯软件仿真具有真实系统体验感；（2）相对于硬件为主的设计，可以避免硬件电路调试的费时费力，让学生将更多的精力集中于原理的理解、通信技术的实现、设计创新及复杂问题的解决；（3）有利于提高学生实验的获得感，更好地锻炼学生在通信系统分析、设计和创新等方面的能力；（4）一些实际通信系统的新技术开发也运用软件无线电技术手段来完成，因此学生能够很好地对接以后的技术开发和科学研究工作。基于软件无线电的通信专业实践教学创新和实施，将有助于OBE理念中“成果导向、以学生为中心、持续改进”指导思想的更好落地。本文围绕OBE理念，介绍了基于软件无线电的通信专业在实践教学方面所作的创新和探索。

一、“通信原理”软件无线电实验的设计

“通信原理”课程在通信类课程体系中起着承上启下的作用，是一门核心专业课程，因为其较强的理论性，该课程学习具有一定的难度和挑战性。传统的验证性实验的主要形式为搭建模块、连线后观察信号波形和频谱，有的学生机械地按照实验步骤完成实验，缺乏主动思考，达不到理解实验原理的目的。

针对这一情况，在“通信原理”课程中引入软件无线电实验，可以通过通信功能的软件设计编程来推动学生理解实验原理，加强对相应知识点的掌握。首先，利用MATLAB等仿真软件进行通信模块代码的设计、仿真和调试，然后将该设计模块移植到虚拟实验室平台软件（如凌特公司eLabradio软件）中，搭建系统模型开展系统仿真调试，从而完成软件无线电设备使用前的准备预习、代码设计和调试等工作，最后利用软件无线电实验平台进行真实信道上的传输系统验证。基于虚拟仿真环境的前期准备部分，加上基于软件无线电实验平台的真实信道传输实验部分，构成“通信原理”的虚实结合实践教学设计，如图1所示。

图1 虚实结合的“通信原理”软件无线电实验

以“2ASK、2FSK和2PSK数字调制系统”实验为例，该实验要求学生设计解调环节，教师预先设计好MATLAB数字通信系统程序框架，建立信号调试环境（如果为数据传输，设置好伪随机序列；如果为模拟音频传输，调入音频文件数据），空出解调部分。学生对MATLAB数字通信系统程序框架进行预习和消化，然后在MATLAB环境中编写解调部分程序代码，置入MATLAB数字通信系统程序中完成仿真实验，并对系统性能进行评估分析。在软件无线电软件实验平台中，通过软件实验平台提供的已有模块搭建接收机模型，然后将自己设计的MATLAB程序代码模块链接上去，连接软件无线电硬件设备，开展具有真实信道的数字调制系统传输实验，完成通信系统的验证和调试。由于不是单纯的模块连线搭建系统，而是设计完整的解调环节，因此可以很好地调动学生的兴趣，提高学生的参与度，并且通过设计过程可以锻炼学生的编程能力，以及帮助学生充分理解和掌握数字解调原理。

二、软件无线电实验中多课程知识的融合

由通信相关课程构成的课程群通常在理论教学设计上会进行课程教学内容的整合和优化，但在实践教学环节并没有实施，大多仍然是针对各门课程的实践环节，独立设计实验内容，内容的相互分离有可能造成实践任务前后承接不当和难度大幅度跳跃，影响学生最终的整体完成度。而将多门课程的实践环节打通，以软件无线电为技术手段，进行整体的实践教学一体化设计，在软件无线电实验中加强多课程知识的融合，在锻炼学生的知识综合运用能力的同时，又充分考虑了学习任务的前后衔接和学习难度的层层递进，从而有利于取得更佳的学习效果和学习产出。

以“通信原理”课程中软件无线电实验融入“数字信号处理”课程知识为例，对“数字信号处理”“通信原理”课程实践教学环节进行一体化设计，可以紧密衔接前后实践环节任务，使学习难度层层递进，并充分利用“通信原理”软件无线电综合实验和课程设计，加强学生对多课程知识的融合和运用。在基于软件无线电的数字调制技术实验中，软件无线电设备接收采用数字调制的无线射频信号，在信号处理的软件实现上需分别进行数字解调、信源译码和平滑滤波等环节，于是要求学生在数字解调和信源译码后进行平滑滤波，完成FIR滤波器的设计。通过一体化设计，在“数字信号处理”前置课程中开展FIR滤波器的设计训练，通过MATLAB仿真实验熟悉包括窗函数法在内的多种设计方法，然后将FIR滤波器设计作为数字调制系统设计中的一个嵌入环节，通过软件无线电实验实现FIR滤波器的设计和应用，培养学生对多课程知识的融会贯通和综合运用能力。

三、软件无线电综合项目的开展

在通信类课程实验的基础上，整合课程学习成果，结合调研国内外软件无线电在通信领域的应用研究，以及在通信专业的教学研究，设计基于软件无线电的大学生综合训练和毕业设计项目选题，在考虑现有的软件无线电设备功能和性能的基础上，确定项目的任务要求。

在短学期实践中，根据任务要求，以小组方式组织学生开展软件无线电综合训练项目。例如，实现不同调制方式下的数字语音传输系统设计，包括发送端的语音编码、数字调制和接收端的数字解调、信源译码等。学生利用MATLAB进行系统仿真，完成各模块的算法颗粒编程，然后运用各模块算法颗粒搭建系统发送机和接收机，再利用软件无线电设备完成系统的验证和调试。小组成员各自分工，在完成分配给自己的模块设计后，需了解其他模块的开发流程和原理，并通过集体协同和合作，搭建基于软件无线电的实验系统进行验证。软件无线电技术的运用可以解决硬件设计所存在的调试时间长的问题，从而将注意力更多地聚焦于技术问题的解决。通过综合训练项目，不仅可以锻炼学生对所学知识的综合运用能力和对项目开展过程中工程问题的解决能力，还可以很好地培养学生的团队合作能力和沟通协调能力。

在毕业设计环节，采用价格低的NooElec公司的RTL-SDR软件无线电设备，开展基于桌面软件无线电设备的小课题研究。RTL-SDR设备利用模拟硬件将接收到的无线信号由射频移到中频，然后对中频信号进行采样，再将采样信号送给电脑端的MATLAB软件，在软件内完成信号处理。MATLAB中有RTL-SDR设备的硬件支持包，用户可以通过MATLAB里的程序编程和Simulink模型设计实现在数字域里的信号处理。比如，要求学生设计一个FM收音机，学生创建Simulink模型实现FM广播的解调，获得基带音频信号进行播放，或要求学生设计一个频谱扫描仪，学生编写M语言程序实现接收信号从时域到频域的转换，并以图形界面的形式进行呈现。由于桌面软件无线电设备价格低、方便携带，因此不受实验室开放时间的限制，学生可以随时随地进行课题的设计、实验和调试，从而有利于学生投入更多的精力，更容易产生设计成果，增强学生的学习兴趣和获得感。

四、软件无线电实践环节的评价

软件无线电的实践环节具体包括软件虚拟仿真和真实系统验证两个部分，因此具有虚实结合的特点，具体的实施步骤为：在确定了设计系统的发送机和接收机方案后，首先利用MATLAB软件编程仿真发送机和接收机的各环节，验证这些环节信号处理算法的正确性，然后利用加性高斯白噪声等信道模型进行系统的仿真运行和性能分析，当虚拟仿真实验完成后，将发送机和接收机的各信号处理模块算法移植到支持软件无线电设备的开发平台，在平台上建立和实现发送机或接收机的处理流程，然后基于软件无线电设备搭建具有真实信道的通信系统，并进行运行和调试。因此，对于学生学习成果的评价，也将由软件虚拟仿真和真实系统验证两部分构成。在软件虚拟仿真部分中对算法模块的设计、虚拟通信系统的仿真分析和性能评估等环节进行单独评分；在真实系统验证环节对算法模块植入软件无线电开发平台、搭建发送机或接收机处理流程和真实系统调试等环节进行单独评分，然后按照一定权重进行综合评价，最终给出各个学生的考核评分。

结语

针对通信专业实践教学环节中，验证性实验难以促使学生主动思考原理、基于硬件的实践环节费时费力等问题，软件无线电技术被引入通信专业的实践教学环节中，用于解决以上问题。本文设计了虚实结合和低成本的“通信原理”软件无线电实验，以“通信原理”和“数字信号处理”课程为例，探索了软件无线电实验中多课程知识的融合方法，介绍了软件无线电综合项目的开展形式，构建了软件无线电实践环节的学习成果评价机制。这些基于软件无线电的通信专业实践教学探索，有助于学生将理论与实际紧密结合，从而取得更好的学习效果和成果。