产出导向软件无线电实验教学方案

杨杨 饶文贵

摘要：产出导向教育 （Outcome-based Education，OBE） 理念受到了工科教育界的高度重视。软件无线电是一种新型的无线电体系结构，它通过硬件和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置能力，契合当前电子信息产业模块化、软件化的发展趋势，适合培养具备解决复杂工程问题的学生，在基于OBE理念的实验教学过程中可以发挥独特的优势。利用软件无线电平台设计的培养无线电工程师的实验方案包括：实验实施、考核评价机制、持续改进机制。所涉及的方案按照以学生为中心的原则，遵循OBE教育理念，可以由浅入深地达到培养学生解决复杂工程问题的目的。

关键词：产出导向教育   软件无线电   实验教学  方案改进

中图分类号：G64

Experimental Teaching Programs for Software-Defined Radio Based on Output-Based Education

YANG Yang  RAO Wengui*

（Central South University for Nationalities， Wuhan， Hubei Province 430074 China）

Abstract： The concept of output-based education （OBE） has received high attention from the field of engineering education. Software-defined radio is a new type of radio architecture that combines hardware and software to enable wireless networks and user terminals to have reconfigurable capabilities. It is in line with the current modular and software development trend of the electronic information industry and is suitable for cultivating students who can solve complex engineering problems， and it can play a unique advantage in the experimental teaching process based on the OBE concept. The experimental plan designed by using software sdefined radio platforms for training radio engineers includes： experimental implementation， the assessment and evaluation mechanism and the continuous improvement mechanism. The plan is based on the student-centered principle and follows the OBE concept， which can achieve the purpose of cultivating students to solve complex engineering problems from shallow to deep.

Key Words： Outcome-based education; Software-defined radio; Experimental teaching; Program improvement

近年来，人工智能技术的崛起使产业自动化的程度达到一个前所未有的高度。这一变化正在使电子信息产业发生一场深刻的变革，呈现出高度模块化和软件化的发展趋势。 在这一背景下，产出导向教育 （Outcome-based Education，OBE） 理念受到教育界，尤其是工科教育界的高度重视[1-2]。OBE最初由美国学者斯派蒂（Spady）提出，此后国际本科工程学位互认协议即《华盛顿协议》全面接受了OBE教育理念并将其应用于工程教育专业认证标准[1-3]。《华盛顿协议》于1989年由来自美国、英国、加拿大、爱尔兰、澳大利亚、新西兰6个国家的民间工程专业团体发起和签署[2]。该协议主要针对不同国家本科工程学历互相认可问题，建议毕业于任意签约成员国的人员均应被其他签约国（地区）视为已获得相应的学术资格。2016年6月2日，中国成为《华盛顿协议》的正式会员，这标志着我国高等工程教育迈出与国际接轨的重要一步。OBE理念是《华盛顿协议》中工程教育专业认证的重要标准之一，其强调的一个重要理念就是，学生通过学习能够很好地掌握与当前产业现状相适应的知识和技能。

软件无线电技术无疑为实现OBE理念的教学提供了一个良好的平台[3]。软件无线电是一种新型的无线体系结构，它通过硬件和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置能力，同时为无线电工程师提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效且经济的解决方案[4]。软件无线电可以使整个系统（包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重配置。换句话说，相同的硬件可以通过软件定义完成不同的功能[5]。众所周知硬件的设计难度和开发周期远大于软件[6]。软件化极大调和了用户不断增长的多样化需求与产品开发周期过长之间的矛盾，同时也可以很好地避免重复开发等不必要的资源浪费。综上所述，软件无线电契合当前电子信息产业的发展趋势，能够培养具备解决复杂工程问题能力的学生，在基于OBE理念的实验教学过程中可以发挥独特的优势。

本文介绍了利用软件无线电平台，设计一套面向培养无线电工程师的实验方案。将从实验实施方案、考核评价机制和持续改进机制3个方面对实验方案进行全面介绍。实验方案设计按照以学生为中心的原则，遵循OBE教育理念。首先确立学习目标，即培养通过团队配合设计并调试具备基本通信功能的无线电链路的能力。在此基础上构建课程体系，包括3个步骤。第1个步骤的任务是设计一个既能够接收无线电信号，又能够发射信号的无线信号录制回放系统。第2个步骤的任务是分组完成数字信号发射器和接收器，能够相互传输不少于30K比特的二进制数据。第3个步骤的任务是利用第2步设计的传输链路传输一幅图片。整个课程体系直接指向教学目标，在此过程中老师只负责分配任务，协调人员配置，帮助学生处理棘手问题等辅助工作，而主要工作完全由学生自主完成，属于典型的以学生为中心的研究型教学模式，而不是灌输型教学模式。教学评价聚焦在学生能够在多大程度上构建无线电链路，采用多元和梯次的评价标准。第一级的目标在于能够构建无线信号接收设备，第二级能够构建接收和发射无线信号，第三级能够通过团队配合完成基本的数字信号传输链路。将学生的学习进程分段，从初级到高级，最终达到课程的最终目标，即培养通过团队配合设计并调试具备基本通信功能的无线电链路的能力。

1 实施方案

基于软件无线电平台的实验方案适用于本科电子信息工程和通信工程专业，作为通信原理、数字通信、移动通信等相关课程的配套实验实施，也可以作为实践课程单独实施。软件无线电平台主要由两部分组成，即硬件和软件。硬件部分集成了无线电收发和模拟无线信号数值化两大功能。其他信号处理功能则由数字信号处理器实现，即通过软件编程实现。两部分的设计原则需要遵循软件通信体系结构。在使用软件无线电平台的过程中可以培养学生解决复杂工程问题、团队合作、项目管理等方面的能力。

实验流程如图1所示。实验开始之前先让学生编写并演示一个小程序。编写小程序的好处是迅速调整学生状态，开阔学生思路，同时可以激发学生实验的兴趣。小程序由老师逐步演示，难度较低，所有学生都可以完成。这一步不计入成绩考评。然后，学生自由组队，2?3人为一组。分组完成以后再由教师发布实验任务书，学生自己协商分配实验任务，并开始实验。实验任务书由实验目的、设计内容和指标要求3个部分组成。下面给出3个基于软件无线电平台的设计任务书范例的设计纲要。

1.1无线信号录制回放系统设计

1.1.1 实验目的

利用XSRP软件无线电平台设计无线信号录制回放系统。

1.1.2设计内容

用Labview新建vi文件，调用软件XSRP无线电实验箱，接收无线电信号。调用“波形数据存储”函数模块，将第一步XSRP无线电实验箱接收的无线电信号存储到数据文件中。用Labview新建vi文件，调用“波形数据读取”函数模块读取第二步存储的波形数据，调用软件XSRP无线电实验箱在特定频段发射波形数据。

1.1.3指标要求

（1）能够接收遥控器发射的无线电信号。（2）能够录制遥控器发射的无线电信号，要求自动判断是否接收遥控钥匙信号，在接收到遥控钥匙信号之前不录制，接收到信号之后再录制（提示：遥控钥匙信号强度大于背景噪声信号，接收到遥控钥匙信号之前接收信号最大幅度较小，接收到遥控钥匙之后信号幅度较大。通过观测接收信号最大幅度值，判断是否接收到遥控钥匙信号）。（3）能够发射录制的无线电信号，打开遥控锁。（4）接收、发射频率位433 MHz。（5）接收、发射增益10 dB以下。

1.2 数字无线信号发射机和接收机设计

1.2.1实验目的

利用XSRP软件的无线电平台设计，基于2FSK数字信号传输的无线信号发射机和接收机。

1.2.2设计内容

用Labview新建vi文件，产生二进制随机信号并进行2FSK调制。调用XSRP无线电实验箱，将经过2FSK调制的信号，在给定频段上进行发射。用Labview新建vi文件，接收同组队友发射的无线电信号。将接收的无线电信号解调为二进制离散序列。

指标要求：（1）以2～3个人为一组进行组队，协商分配任务。对于3个人一组的队伍，要求分配1个人设计发射机，另外2个人各自独立设计接收机。（2）发射机以帧为单位发射信号，每帧产生 768 bit二进制离散信号。（3）将二进制离散信号转换为数字基带信号，数字基带信号采样率为960 kHz，码元速率为24 K 波特（可知每个码元有40个采样点，每帧信号有768 个bit，共30 720个采样点）。（4）要求载波频率不低于24 kHz，不高于240 kHz。（5）发射端至少显示30个比特数据。（6）在接收端至少显示30个比特数据。（7）在发射端和接收端，找到至少连续10个比特的数据是相同的。

1.3 数字图像传输系统设计

1.3.1实验目的

设计基于2FSK传输的无线数字图像传输系统。

1.3.2设计内容

产生二进制离散数据，完成数组的帧结构设计和数据分包。对分包数据进行2FSK调制，在指定频道发射。接收队友信号，完成2FSK解调。用接收数据重建原始数据。读取图像、压缩编码、帧结构设计和分包、2FSK调制，并在指定频道发射。接收队友信号、完成2FSK解调、数据重建、图像压缩译码，并显示图像。

1.3.3指标要求

（1）传输数据长度为65 536，数据类型为无符号8bit数据。（2）发射机以帧为单位发射信号，每帧传输 768 bit数据。（3）将二进制离散信号转换为数字基带信号，数字基带信号采样率为960 K Hz，码元速率为24 K 波特（每个码元有40个采样点，每帧信号有768 个比特，共30 720个采样点）。（4）要求载波频率不低于24kHz，不高于240kHz。（5）传输图像像素尺寸为256×256。

具体任务书需要在纲要的基础上根据学生理论部分的学习情况和实验设备的差异，进行适当调整。

2  实验实例与评价机制

作为设计性实验，以上实验内容均没有标准答案。评价方式可以根据实际情况灵活设置，这里只给出评价需要把握的基本原则，即将实验的总目标拆分为多个子目标，每个子目标单独评价。另外，评价分数只关注实验效果，不关注具体如何实现。

以下通过图片编码译码实例进一步展示实验的评价机制。实验一共分解为3个单目标，每个目标有优、中、差3个完成等级。

2.1 读取图片模块

新建一个空的vi文件，切换到程序面板。点击右键，选择Programming菜单的Graphics & Sound、Graphics Formats和Read JPEG File函数。Read JPEG File函数模块的作用是读取JPEG格式图片，将图片像素点展开为一维向量，同时输出。为了能够还原图像，同时还会输出图像长宽大小、每像素编码比特数、编码色码表等信息。放置Read JPEG File函数以后，再次点击右键，选择Programming菜单的Graphics & Sound、Picture Functions和Draw Flattened Pixmap函数。Draw Flattened Pixmap函数的作用是将开为一维向量的图像像素信息还原为图像，输出图像信息，输出值可以在前面板直接画图。在Read JPEG File函数模块的输入端创建图像文件输入路径控件，即path to JPEG file控件，同时在Draw Flattened Pixmap函数模块的输出端创建图像输出控件，即new picture 控件。

如果可以选择图片，能正确显示图片，则评价为“优”。如果有基本的程序框架，但不能正确读取和显示图片，则评价为“中”。如果程序基本架构混乱或者不能正常运行，则评价为“差”。

2.2 图片编码译码模块

在完成读取图片模块的要求之后，继续进行设计。切换到前面板，在“图像输出控件”上点击右键，选择“属性”选项，在弹出的“属性”窗口中将显示图像尺寸的长和宽都修改为 256，同时将图像名称修改为“原图”。点击前面板path to JPEG file控件后面的小文件夹图标，在弹出的窗口中选择系统库里的图片（picture）文件夹。选择图片以后，运行程序则可在前面板“图像输出控件”中正常显示所选中的图片。切换到程序面板点击右键，选择Radio transmission菜单的PIC_encoding函数，对图像进行压缩编码。再点击右键，选择Radio transmission菜单的PIC_decoding函数，对图像进行译码，然后再放置一个Draw Flattened Pixmap函数模块，画出译码之后的图像。

如果读取图片模块可以正常运行，并且正确添加了编码译码模块，则评分为“优”。如果读取图片模块可以正常运行，且具备基本的编码译码架构，但编码译码模块架构错误，则评价为“中”。如果编译码模块架构正确，由于读取图片模块不正确而不能正常运行，则评价也为“中”。如果读取图片模块的程序和编译码模块架构均错误，则评价为“差”。

2.3 图片译码显示模块

在 Draw Flattened Pixmap 函数模块输出端创建显示控件，显示图像。同样修改新建显示控件的属性，尺寸修改为256×256，名称修改为“译码图”。如果程序编写正确，运行可以正常显示“原图”和压缩编码后的译码图。由于编码压缩了颜色信息，重建图与原图间存在一定的色度差异。

如果全部程序运行正常，且功能正确，则评价为“优”。如果程序运行不正常，但思路正确以及架构可行，则程序存在少量错误，评价为“中”。如果思路错误、架构混乱，则评价为“差”。

通过实例的形式给出所设计的实验方案的评价机制有两个基本原则：一是将实验的总目标拆分为多个子目标，每个子目标单独评价；二是评价分数只关注实验效果，不关注具体如何实现。

3  持续改进机制

基于软件无线电平台的实验方案的优势之一就在于，可以方便地根据实施情况和评价情况，对实验方案进行持续改进[7]。本实验方案可以在方案整体规划、实施过程、考核评价3个阶段，在难易程度、实验时长、产出结果分布状态等方面对实验进行调整。方案整体规划可以对实验内容进行增加或者减少，调整实验难度和实验时长。通过增加特定数据的存储和读取环节，一方面可以让学生进一步熟悉数据存储和读取的方法与技巧，同时也可以有效加强学生将同一方案应用于不同场景的能力。如果实际运行中发现规划的实验内容难度太高，学生无法完成，则可以将数据存储等模块封装为一个函数模块提供给学生，让学生专注于无线电的收发环节，在不减少重点学习内容的前提下，降低实验操作难度。

在实验实施过程中也可以对实验难度和实验工作量进行调节。如果学生完成较快，知识点理解较好，则可以增加参数计算环节，在实验过程中提问，并要求学生自己计算滤波器参数。如果运行过程中大部分学生无法完成预定内容，可以现场演示计算滤波器参数，然后由学生完成编程。这同样能达到提升学生实践能力的目的。在运行过程中，如果发现学生得分较高，无法体现区分度，可以改进评价机制，在考察学生程序运行结果的基础上进一步考虑增加考核完成时间的环节。老师根据完成先后顺序进行排序，并对学生评分。如果发现评价难度过高，则可以减少评价环节，重点评价学生程序运行结果。

参考文献

[1] 王永泉，胡改玲，段玉岗，等.产出导向的课程教学：设计、实施与评价[J].高等工程教育研究，2019（3）：62-68，75.

[2] 王波，王美玲，刘伟，等.基于产出导向的电子技术课程设计教学改革[J].实验室研究与探索，2019，38（9）：224-227.

[3] 张宁，王君，张卫华，等.基于学习产出导向的模拟电子技术教学创新[J].中阿科技论坛（中英文），2021（6）：161-163.

[4] 刘辉，孙成立，涂继亮，等.航空无线电导航控制虚拟仿真实验建设与应用[J].实验室研究与探索，2023，42（2）：175-178，191.

[5] 阿喜达. 车联网通信中节点自私性及其激励机制研究[D].西安：西安理工大学，2023.

[6] 郭晓菲，李世宝.基于软件无线电的移动通信实验平台建设与实验教学改革[J].教育教学论坛，2018（45）：277-278.

[7] 王金宝. 遥控无人潜水器的抗干扰与容错控制研究[D].西安：西安理工大学，2023.