《現代通信技術實驗》教學改革方法探索

夏文龍+李智+趙琛

摘要：《現代通信技術實驗》是電子類相關專業中非常重要的一門專業課程，本文講解了該課程的基本內容和課程特色，討論了傳統教學模式的局限性，并根據該課程的內涵和知識體系，對其教學模式的改革進行了探索，主要提出了多樣化的考核方式與軟硬件結合的教學改革方法，并以基于GNU Radio和USRP的調制解調實驗為例，對其進行了講解。

關鍵詞：現代通信；教學模式；改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）03-0110-02

一、前言

《現代通信技術實驗》是一門綜合性與實踐性很強的實驗課程，該課程以建設覆蓋現代通信的信源技術、信道技術、有線通信與無線通信技術多領域的實驗系統為目標，通過讓學生從實踐入手，對現代通信中遇到的常見問題以及關鍵技術有大致的了解，提高學生對通信系統的了解。

二、傳統教學模式的局限性

1.實驗手段相對單一。《現代通信技術實驗》是配合《現代通信技術》課程而開設的，雖然它是一門單獨的課程，但實質上大部分實驗是使用教學儀器廠家的通信原理實驗箱進行的，并且就實驗內容（包括信源編碼實驗（PAM、PCM、CVSD）、碼型變換實驗、時分碼分復用解復用實驗等）上看，大部分實驗是驗證性的，這導致了學生的積極性不高，在課程的學習上處于被動地位，實驗效果不理想。

2.考核形式單一。大部分課程實驗的考核形式是實驗結果是否達到相應指標或者是否呈現相同波形，現代通信技術實驗也是如此。這導致學生注重于實驗結果，對實驗過程并不是十分在乎，急于快速完成實驗，對其真正掌握實驗原理的幫助性不大，也不利于其獨立思考能力的培養。

3.課程革新慢，技術更新快。現代通信技術是當前更新和進步最快的技術之一，現代通信技術的變化日新月異，而現代通信技術實驗正是學生從實踐中理解課本知識的重要手段。部分學校已經注意到了對現代通信技術這門課程進行教學改革，引入相對較新的技術，而忽視了課程實驗部分，導致學生依舊重復著單元性強但是關聯不大的相對老舊的實驗，不利于學生將教學內容應用于實際。

三、現代通信技術實驗課程的教學改革思路

1.考核方式改革。現有的考核制度主要以實驗結果是否符合標準為主，不太強調實驗過程中問題的發現與解決。針對這個現象，可以考慮將考核方式多樣化，比如從實驗的創新性、解決問題的能力、實驗結果等多方面入手，綜合考量實驗效果。

2.教學方法改革。下面簡單的講解一個基于GNU Radio和USRP的調制解調實驗。這個實驗的主要思想是基于軟件無線電的，軟件無線電的實質是寬帶A/D 變換盡可能地靠近射頻天線 ，即盡可能早地將接收到的模擬信號數字化 ，最大程度地通過軟件來實現電臺的各種功能。通過運行不同的算法，軟件無線電可以實時地配置信號波形，使其能夠提供各種語音編碼、信道調制、載波頻率、加密算法等無線電通信業務。

下面我們先來大致的了解一下GNU Radio和USRP平臺。

（1）GNU Radio。GNU Radio是一個無線電信號處理方案，它遵循GNU的GPL的條款分發。它的目的是給普通的軟件編制者提供探索電磁波的機會，并激發他們利用射頻電波的能力。GNU Radio通過以軟件定義無線電的方式來實現數字信號的調制與解調、編碼解碼、常用的FFT變換等通常必須采用硬件實現的通信模塊的功能，這給信號的處理者提供了極大的便利。其編程是基于C++和python的，其中，C++具有較高的執行效率，用于編寫信號處理模塊，Python是一種新型的腳本語言，無需編譯、語法簡單以及完全面向對象是它的特性，它將作為模塊與模塊之間的粘合劑，實現多個模塊的連接，即流向圖的搭建。

GNU Radio主要應用于Linux操作系統，但目前已經被成功的移植到包括windows和Mac OS X在內的多種平臺上。GNU Radio為用戶提供了超過100個常見的信號處理模塊，并且使用者也可以很容易的擴展新的模塊。同時，GNU Radio為用戶提供了良好的圖形界面GRC—GNU Radio Companion，即使不熟悉python語言的人也可以利用該界面做基本的信號處理。

（2）USRP硬件架構。USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用軟件無線電外設）旨在使普通計算機能像高帶寬的軟件無線電設備一樣工作。從本質上講，它充當了一個無線電通訊系統的數字基帶和中頻部分。

USRP的基本設計理念在于：在主機 CPU 上使用諸如 GNU Radio完成所有波形相關方面的處理，比如調制和解調。所有諸如數字上下變頻、抽樣和內插等高速通用操作都在FPGA上。USRP的真正價值是它能使工程師和設計師以低預算和最少的精力進行創造。同時，也有為數不少的開發者和用戶貢獻了大量的代碼庫，并為軟件和硬件提供了許多實際應用。

USRP由USRP母板、連同各種子板以及相應的天線組成。一個典型的USRP產品系列包括兩部分：一個帶有高速信號處理的FPGA母板和一個或者多個覆蓋不同頻率范圍的可調換的子板。它們共同實現把比特流數據從天線傳到主機電腦（即接收），或者從主機電腦傳送到天線（即發送）。在各種子板中，USRP系列涵蓋從直流到5.9GHz的整個范圍，這包括了從調幅廣播到超過WiFi的所有頻率。

（3）信號調制過程。在終端中輸入“gnuradio-companion”打開GRC用戶界面，在GRC我們按圖1搭建信號的調制流圖。該例子的目的是對播音號信號進行頻率調制，并將調制結果保存到文件中。

（4）信號的解調過程。解調過程用gr：：blocks：：file_source讀取“dummy.dat”文件（由上面的調制過程產生），對其中存儲的FM信號進行處理。

通過該實驗，可以讓學生對信號的調制解調有更清晰的了解，運行上述流圖，可以看到相應的波形，并通過調節各模塊的參數，直觀的感受各參數的意義。此外，利用上述的軟硬件平臺，還可以實現多種現代通信實驗，靈活性非常高。考慮到USRP系列版的價格一般偏高，在對硬件要求不高的情況下，可以使用RTL-SDR來代替。

四、結語

現代通信技術課程實驗是一門覆蓋面廣、動手性極強的課程，同時也需要扎實的理論基礎，因此在教學過程中，要強調學生對相應的理論基礎的回顧，同時可以豐富教學方式，綜合多樣化的考核指標，提高學生的積極性，從而提高教學質量。只有這樣，學生的實踐能力才會不斷提高，從而達到滿足信息社會對通信技術人才的高要求。

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