產出導向軟件無線電實驗教學方案

楊楊 饒文貴

摘要：產出導向教育?（Outcome-based?Education，OBE）?理念受到了工科教育界的高度重視。軟件無線電是一種新型的無線電體系結構，它通過硬件和軟件的結合使無線網絡和用戶終端具有可重配置能力，契合當前電子信息產業模塊化、軟件化的發展趨勢，適合培養具備解決復雜工程問題的學生，在基于OBE理念的實驗教學過程中可以發揮獨特的優勢。利用軟件無線電平臺設計的培養無線電工程師的實驗方案包括：實驗實施、考核評價機制、持續改進機制。所涉及的方案按照以學生為中心的原則，遵循OBE教育理念，可以由淺入深地達到培養學生解決復雜工程問題的目的。

關鍵詞：產出導向教育???軟件無線電???實驗教學??方案改進

中圖分類號：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

近年來，人工智能技術的崛起使產業自動化的程度達到一個前所未有的高度。這一變化正在使電子信息產業發生一場深刻的變革，呈現出高度模塊化和軟件化的發展趨勢。?在這一背景下，產出導向教育?（Outcome-based?Education，OBE）?理念受到教育界，尤其是工科教育界的高度重視[1-2]。OBE最初由美國學者斯派蒂（Spady）提出，此后國際本科工程學位互認協議即《華盛頓協議》全面接受了OBE教育理念并將其應用于工程教育專業認證標準[1-3]。《華盛頓協議》于1989年由來自美國、英國、加拿大、愛爾蘭、澳大利亞、新西蘭6個國家的民間工程專業團體發起和簽署[2]。該協議主要針對不同國家本科工程學歷互相認可問題，建議畢業于任意簽約成員國的人員均應被其他簽約國（地區）視為已獲得相應的學術資格。2016年6月2日，中國成為《華盛頓協議》的正式會員，這標志著我國高等工程教育邁出與國際接軌的重要一步。OBE理念是《華盛頓協議》中工程教育專業認證的重要標準之一，其強調的一個重要理念就是，學生通過學習能夠很好地掌握與當前產業現狀相適應的知識和技能。

軟件無線電技術無疑為實現OBE理念的教學提供了一個良好的平臺[3]。軟件無線電是一種新型的無線體系結構，它通過硬件和軟件的結合使無線網絡和用戶終端具有可重配置能力，同時為無線電工程師提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無線設備的有效且經濟的解決方案[4]。軟件無線電可以使整個系統（包括用戶終端和網絡）采用動態的軟件編程對設備特性進行重配置。換句話說，相同的硬件可以通過軟件定義完成不同的功能[5]。眾所周知硬件的設計難度和開發周期遠大于軟件[6]。軟件化極大調和了用戶不斷增長的多樣化需求與產品開發周期過長之間的矛盾，同時也可以很好地避免重復開發等不必要的資源浪費。綜上所述，軟件無線電契合當前電子信息產業的發展趨勢，能夠培養具備解決復雜工程問題能力的學生，在基于OBE理念的實驗教學過程中可以發揮獨特的優勢。

本文介紹了利用軟件無線電平臺，設計一套面向培養無線電工程師的實驗方案。將從實驗實施方案、考核評價機制和持續改進機制3個方面對實驗方案進行全面介紹。實驗方案設計按照以學生為中心的原則，遵循OBE教育理念。首先確立學習目標，即培養通過團隊配合設計并調試具備基本通信功能的無線電鏈路的能力。在此基礎上構建課程體系，包括3個步驟。第1個步驟的任務是設計一個既能夠接收無線電信號，又能夠發射信號的無線信號錄制回放系統。第2個步驟的任務是分組完成數字信號發射器和接收器，能夠相互傳輸不少于30K比特的二進制數據。第3個步驟的任務是利用第2步設計的傳輸鏈路傳輸一幅圖片。整個課程體系直接指向教學目標，在此過程中老師只負責分配任務，協調人員配置，幫助學生處理棘手問題等輔助工作，而主要工作完全由學生自主完成，屬于典型的以學生為中心的研究型教學模式，而不是灌輸型教學模式。教學評價聚焦在學生能夠在多大程度上構建無線電鏈路，采用多元和梯次的評價標準。第一級的目標在于能夠構建無線信號接收設備，第二級能夠構建接收和發射無線信號，第三級能夠通過團隊配合完成基本的數字信號傳輸鏈路。將學生的學習進程分段，從初級到高級，最終達到課程的最終目標，即培養通過團隊配合設計并調試具備基本通信功能的無線電鏈路的能力。

1?實施方案

基于軟件無線電平臺的實驗方案適用于本科電子信息工程和通信工程專業，作為通信原理、數字通信、移動通信等相關課程的配套實驗實施，也可以作為實踐課程單獨實施。軟件無線電平臺主要由兩部分組成，即硬件和軟件。硬件部分集成了無線電收發和模擬無線信號數值化兩大功能。其他信號處理功能則由數字信號處理器實現，即通過軟件編程實現。兩部分的設計原則需要遵循軟件通信體系結構。在使用軟件無線電平臺的過程中可以培養學生解決復雜工程問題、團隊合作、項目管理等方面的能力。

實驗流程如圖1所示。實驗開始之前先讓學生編寫并演示一個小程序。編寫小程序的好處是迅速調整學生狀態，開闊學生思路，同時可以激發學生實驗的興趣。小程序由老師逐步演示，難度較低，所有學生都可以完成。這一步不計入成績考評。然后，學生自由組隊，2?3人為一組。分組完成以后再由教師發布實驗任務書，學生自己協商分配實驗任務，并開始實驗。實驗任務書由實驗目的、設計內容和指標要求3個部分組成。下面給出3個基于軟件無線電平臺的設計任務書范例的設計綱要。

1.1無線信號錄制回放系統設計

1.1.1?實驗目的

利用XSRP軟件無線電平臺設計無線信號錄制回放系統。

1.1.2設計內容

用Labview新建vi文件，調用軟件XSRP無線電實驗箱，接收無線電信號。調用“波形數據存儲”函數模塊，將第一步XSRP無線電實驗箱接收的無線電信號存儲到數據文件中。用Labview新建vi文件，調用“波形數據讀取”函數模塊讀取第二步存儲的波形數據，調用軟件XSRP無線電實驗箱在特定頻段發射波形數據。

1.1.3指標要求

（1）能夠接收遙控器發射的無線電信號。（2）能夠錄制遙控器發射的無線電信號，要求自動判斷是否接收遙控鑰匙信號，在接收到遙控鑰匙信號之前不錄制，接收到信號之后再錄制（提示：遙控鑰匙信號強度大于背景噪聲信號，接收到遙控鑰匙信號之前接收信號最大幅度較小，接收到遙控鑰匙之后信號幅度較大。通過觀測接收信號最大幅度值，判斷是否接收到遙控鑰匙信號）。（3）能夠發射錄制的無線電信號，打開遙控鎖。（4）接收、發射頻率位433?MHz。（5）接收、發射增益10?dB以下。

1.2?數字無線信號發射機和接收機設計

1.2.1實驗目的

利用XSRP軟件的無線電平臺設計，基于2FSK數字信號傳輸的無線信號發射機和接收機。

1.2.2設計內容

用Labview新建vi文件，產生二進制隨機信號并進行2FSK調制。調用XSRP無線電實驗箱，將經過2FSK調制的信號，在給定頻段上進行發射。用Labview新建vi文件，接收同組隊友發射的無線電信號。將接收的無線電信號解調為二進制離散序列。

指標要求：（1）以2～3個人為一組進行組隊，協商分配任務。對于3個人一組的隊伍，要求分配1個人設計發射機，另外2個人各自獨立設計接收機。（2）發射機以幀為單位發射信號，每幀產生?768?bit二進制離散信號。（3）將二進制離散信號轉換為數字基帶信號，數字基帶信號采樣率為960?kHz，碼元速率為24?K?波特（可知每個碼元有40個采樣點，每幀信號有768?個bit，共30?720個采樣點）。（4）要求載波頻率不低于24?kHz，不高于240?kHz。（5）發射端至少顯示30個比特數據。（6）在接收端至少顯示30個比特數據。（7）在發射端和接收端，找到至少連續10個比特的數據是相同的。

1.3?數字圖像傳輸系統設計

1.3.1實驗目的

設計基于2FSK傳輸的無線數字圖像傳輸系統。

1.3.2設計內容

產生二進制離散數據，完成數組的幀結構設計和數據分包。對分包數據進行2FSK調制，在指定頻道發射。接收隊友信號，完成2FSK解調。用接收數據重建原始數據。讀取圖像、壓縮編碼、幀結構設計和分包、2FSK調制，并在指定頻道發射。接收隊友信號、完成2FSK解調、數據重建、圖像壓縮譯碼，并顯示圖像。

1.3.3指標要求

（1）傳輸數據長度為65?536，數據類型為無符號8bit數據。（2）發射機以幀為單位發射信號，每幀傳輸?768?bit數據。（3）將二進制離散信號轉換為數字基帶信號，數字基帶信號采樣率為960?K?Hz，碼元速率為24?K?波特（每個碼元有40個采樣點，每幀信號有768?個比特，共30?720個采樣點）。（4）要求載波頻率不低于24kHz，不高于240kHz。（5）傳輸圖像像素尺寸為256×256。

具體任務書需要在綱要的基礎上根據學生理論部分的學習情況和實驗設備的差異，進行適當調整。

2??實驗實例與評價機制

作為設計性實驗，以上實驗內容均沒有標準答案。評價方式可以根據實際情況靈活設置，這里只給出評價需要把握的基本原則，即將實驗的總目標拆分為多個子目標，每個子目標單獨評價。另外，評價分數只關注實驗效果，不關注具體如何實現。

以下通過圖片編碼譯碼實例進一步展示實驗的評價機制。實驗一共分解為3個單目標，每個目標有優、中、差3個完成等級。

2.1?讀取圖片模塊

新建一個空的vi文件，切換到程序面板。點擊右鍵，選擇Programming菜單的Graphics?&?Sound、Graphics?Formats和Read?JPEG?File函數。Read?JPEG?File函數模塊的作用是讀取JPEG格式圖片，將圖片像素點展開為一維向量，同時輸出。為了能夠還原圖像，同時還會輸出圖像長寬大小、每像素編碼比特數、編碼色碼表等信息。放置Read?JPEG?File函數以后，再次點擊右鍵，選擇Programming菜單的Graphics?&?Sound、Picture?Functions和Draw?Flattened?Pixmap函數。Draw?Flattened?Pixmap函數的作用是將開為一維向量的圖像像素信息還原為圖像，輸出圖像信息，輸出值可以在前面板直接畫圖。在Read?JPEG?File函數模塊的輸入端創建圖像文件輸入路徑控件，即path?to?JPEG?file控件，同時在Draw?Flattened?Pixmap函數模塊的輸出端創建圖像輸出控件，即new?picture?控件。

如果可以選擇圖片，能正確顯示圖片，則評價為“優”。如果有基本的程序框架，但不能正確讀取和顯示圖片，則評價為“中”。如果程序基本架構混亂或者不能正常運行，則評價為“差”。

2.2?圖片編碼譯碼模塊

在完成讀取圖片模塊的要求之后，繼續進行設計。切換到前面板，在“圖像輸出控件”上點擊右鍵，選擇“屬性”選項，在彈出的“屬性”窗口中將顯示圖像尺寸的長和寬都修改為?256，同時將圖像名稱修改為“原圖”。點擊前面板path?to?JPEG?file控件后面的小文件夾圖標，在彈出的窗口中選擇系統庫里的圖片（picture）文件夾。選擇圖片以后，運行程序則可在前面板“圖像輸出控件”中正常顯示所選中的圖片。切換到程序面板點擊右鍵，選擇Radio?transmission菜單的PIC_encoding函數，對圖像進行壓縮編碼。再點擊右鍵，選擇Radio?transmission菜單的PIC_decoding函數，對圖像進行譯碼，然后再放置一個Draw?Flattened?Pixmap函數模塊，畫出譯碼之后的圖像。

如果讀取圖片模塊可以正常運行，并且正確添加了編碼譯碼模塊，則評分為“優”。如果讀取圖片模塊可以正常運行，且具備基本的編碼譯碼架構，但編碼譯碼模塊架構錯誤，則評價為“中”。如果編譯碼模塊架構正確，由于讀取圖片模塊不正確而不能正常運行，則評價也為“中”。如果讀取圖片模塊的程序和編譯碼模塊架構均錯誤，則評價為“差”。

2.3?圖片譯碼顯示模塊

在?Draw?Flattened?Pixmap?函數模塊輸出端創建顯示控件，顯示圖像。同樣修改新建顯示控件的屬性，尺寸修改為256×256，名稱修改為“譯碼圖”。如果程序編寫正確，運行可以正常顯示“原圖”和壓縮編碼后的譯碼圖。由于編碼壓縮了顏色信息，重建圖與原圖間存在一定的色度差異。

如果全部程序運行正常，且功能正確，則評價為“優”。如果程序運行不正常，但思路正確以及架構可行，則程序存在少量錯誤，評價為“中”。如果思路錯誤、架構混亂，則評價為“差”。

通過實例的形式給出所設計的實驗方案的評價機制有兩個基本原則：一是將實驗的總目標拆分為多個子目標，每個子目標單獨評價；二是評價分數只關注實驗效果，不關注具體如何實現。

3??持續改進機制

基于軟件無線電平臺的實驗方案的優勢之一就在于，可以方便地根據實施情況和評價情況，對實驗方案進行持續改進[7]。本實驗方案可以在方案整體規劃、實施過程、考核評價3個階段，在難易程度、實驗時長、產出結果分布狀態等方面對實驗進行調整。方案整體規劃可以對實驗內容進行增加或者減少，調整實驗難度和實驗時長。通過增加特定數據的存儲和讀取環節，一方面可以讓學生進一步熟悉數據存儲和讀取的方法與技巧，同時也可以有效加強學生將同一方案應用于不同場景的能力。如果實際運行中發現規劃的實驗內容難度太高，學生無法完成，則可以將數據存儲等模塊封裝為一個函數模塊提供給學生，讓學生專注于無線電的收發環節，在不減少重點學習內容的前提下，降低實驗操作難度。

在實驗實施過程中也可以對實驗難度和實驗工作量進行調節。如果學生完成較快，知識點理解較好，則可以增加參數計算環節，在實驗過程中提問，并要求學生自己計算濾波器參數。如果運行過程中大部分學生無法完成預定內容，可以現場演示計算濾波器參數，然后由學生完成編程。這同樣能達到提升學生實踐能力的目的。在運行過程中，如果發現學生得分較高，無法體現區分度，可以改進評價機制，在考察學生程序運行結果的基礎上進一步考慮增加考核完成時間的環節。老師根據完成先后順序進行排序，并對學生評分。如果發現評價難度過高，則可以減少評價環節，重點評價學生程序運行結果。

參考文獻

[1]?王永泉，胡改玲，段玉崗，等.產出導向的課程教學：設計、實施與評價[J].高等工程教育研究，2019（3）：62-68，75.

[2]?王波，王美玲，劉偉，等.基于產出導向的電子技術課程設計教學改革[J].實驗室研究與探索，2019，38（9）：224-227.

[3]?張寧，王君，張衛華，等.基于學習產出導向的模擬電子技術教學創新[J].中阿科技論壇（中英文），2021（6）：161-163.

[4]?劉輝，孫成立，涂繼亮，等.航空無線電導航控制虛擬仿真實驗建設與應用[J].實驗室研究與探索，2023，42（2）：175-178，191.

[5]?阿喜達.?車聯網通信中節點自私性及其激勵機制研究[D].西安：西安理工大學，2023.

[6]?郭曉菲，李世寶.基于軟件無線電的移動通信實驗平臺建設與實驗教學改革[J].教育教學論壇，2018（45）：277-278.

[7]?王金寶.?遙控無人潛水器的抗干擾與容錯控制研究[D].西安：西安理工大學，2023.