唐 麒 張曉瀛 馬東堂 魏急波

(國防科技大學 電子科學學院， 長沙 410073)

《華盛頓協議》是國際上最具影響力的工程教育學位互認協議，2016年我國正式成為《華盛頓協議》的成員，標志著我國工程專業(yè)教育與國際教育開始互認[1]。工程教育專業(yè)認證是指專業(yè)認證機構針對高等教育機構開設的工程類專業(yè)教育實施的專門性認證，由專門職業(yè)或行業(yè)協會(聯合會)、專業(yè)學會匯同該領域的教育專家和相關行業(yè)企業(yè)專家一起進行，旨在為相關工程技術人才進入工業(yè)界從業(yè)提供預備教育質量保證。工程教育是高等教育的重要組成部分，在高等教育體系中“三分天下有其一”。工程教育專業(yè)認證通過實施成果導向的教育，從而最終實現人才培養(yǎng)的工程化目標，其核心理念為“以學生為中心，以成果為導向，持續(xù)改進”。在國家工業(yè)化進程中，工程教育發(fā)揮了不可替代的作用，對門類齊全、獨立完整的工業(yè)體系的形成與發(fā)展提供了堅實基礎。同時，工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。

隨著通信技術快速深入地發(fā)展及在民用、軍事領域的普遍應用，進一步地提高院校通信專業(yè)工程認證教育水平具有重要價值。本文針對“通信原理”課程教學，探索軟件無線電技術在“通信原理”課程教學中的意義，基于軟件無線電技術提升“通信原理”教學效果，助力“通信原理”工程認證教育。

1 “通信原理”課程教學存在的問題

“通信原理”課程教學工作的開展采用以單元為基礎、以知識點為核心的模塊化、孤立式教學模式，從完整的通信系統功能劃分、信號處理流程出發(fā)，將系統拆分為多個獨立模塊，并在課堂教學的實際過程中以各獨立模塊的重難點為核心開展教學。這種教學模式面臨一個非常實際的問題，即系統性不足問題。

1.1 課堂教學系統性不足問題

“通信原理”課堂教學工作的系統性不足問題在傳統課堂教學和以網絡化線上課堂為基礎的現代化教學中均有體現。

在傳統課堂教學中體現在以單元為核心的教學組織上，傳統教學方法是圍繞各單元教學重、難點組織教案、開展課堂講授、進行形成性和終結性考核評估工作，側重于知識的完備性和獨立性，相對來說各單元模塊間知識點的聯系不夠強，無法較好地體現“通信原理”知識體系的系統性。

在以網絡化線上課堂為基礎的現代化教學中則更大程度上體現了系統性不足的問題，這種新的現代化教學模式更加專注于教材中某個單元的重點難點，在十幾分鐘時間甚至更短的時間內講授某個知識點，并通過幾道思考題、填空題、選擇題進行考核評估，知識碎片化特征進一步凸顯，這種教學模式難以達到有效傳授課程知識并實現通信系統教學所亟需的系統性思維這一目的[2]。

上述問題的存在有其客觀的現實因素，其中最關鍵的一點是“通信原理”課程呈現了內容多、概念多、公式多的“三多”特點，而該課程學時數極為有限，從36學時、48學時到64學時不等，在這么短的時間內要講授完所有內容已屬不易，更別說從系統的角度將所有內容銜接為完整的一體并達到有效傳授系統性思維的目的。此外，“通信原理”課程通常安排在大學三年級，這時段的學生存在各種壓力：一方面，存在較大的學業(yè)壓力，這一時間段進入了專業(yè)課程的井噴時期，需要學習的專業(yè)課程多，且各專業(yè)課程通常具有難度高、推理復雜的特點。另一方面，這一階段的學生還有著更強的就業(yè)和發(fā)展壓力，在完成專業(yè)課程學習的同時，需要開展職業(yè)規(guī)劃，籌劃考取各種證書并準備研究生考試等，占據了較多的精力，進一步為該課程的系統性學習增加了障礙。

1.2 課程實驗系統性不足問題

“通信原理”實驗課程的開展也體現了系統性不足的特點。實驗課程的開展通常以教材中某一章節(jié)具體知識點為基礎進行，比如模擬信號數字化所涉及的增量調制、基帶傳輸所涉及的HDB3碼、數字傳輸中的PSK、QAM、MSK等調制解調方式，這些實驗課程的開展，因為實驗的對象本身就是通信系統中某一個孤立的模塊，沒有將各部分有效整合在一起，也難以分析某一知識點在通信系統中的影響，學生在實驗過程中看到了系統的局部但看不到全局，也不能直觀感受到完整通信系統內部組成及內在邏輯，不利于系統性思維的培養(yǎng)和形成。

1.3 課程考核系統性問題

“通信原理”課程考核通常包括形成性考核和終結性考核，兩類考核的出發(fā)點仍是教學大綱中規(guī)定的學習內容。

形成性考核包括了隨堂測試、習題和實驗等?？己藘热菥哉n程單元中的重、難度點為基礎開展，考核目標也是對當前課堂所學內容的掌握程度進行衡量，很少甚至無法將單元模塊中各知識點有效整合，較難全方位考查到位，因此，形成性考核上也存在系統性不足的問題。

終結性考核則仍被陳舊、過時的考題庫所限制，但在系統性思維的培養(yǎng)方面走得略遠一些。對系統性的考核通常僅在最后一道綜合計算題中有所體現，將不同章節(jié)的內容(尤其是模擬信號數字化、基帶傳輸、頻帶傳輸和通信系統性能方面的內容)予以整合，但是，由于在學習過程中沒有有效地將系統性思維進行全面貫徹，單純在終結性考核中加以體現，無助于深入培養(yǎng)學生的系統性思維。

1.4 系統性問題解決方法

針對傳統“通信原理”課程教學各環(huán)節(jié)中呈現的系統性不足的問題，本文初步探索新的解決辦法。系統性思維的培養(yǎng)應該從完整的通信系統著手，在教學、實驗、考核等環(huán)節(jié)中引入完整的通信系統意識，使學生不至于“一葉障目，不見泰山”。然而，通信系統具有高度復雜性，讓學生直接面向復雜的通信系統不切實際，需要采用合適的方式進行簡化，使學生學習起來不太困難。本文探索如何依托軟件無線電技術來傳授通信系統系統性思維，利用軟件無線電模塊化、組件化、軟件化、松耦合優(yōu)勢，采用開源軟件無線電波形，使學生可以在完整的波形基礎上進行快速開發(fā)、驗證、評估，依托各類可視化手段更好地洞察“通信原理”各知識點在通信系統中的作用，提升工程實踐能力、培養(yǎng)系統性思維。下文對軟件無線電技術進行簡要介紹，并進一步闡述如何在“通信原理”教學活動中予以應用。

2 軟件無線電技術

2.1 軟件無線電和軟件通信體系架構

軟件無線電是基于軟件定義的方式來實現無線電通信。無線通信協議，頻帶、空中接口協議和功能均可通過軟件來升級。軟件無線電的核心是構造具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，各種功能(包括工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等)用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，使無線通信系統具有高度靈活性、開放性?；谲浖o線電可在通用硬件平臺上實現各種調制波形和通信協議，實現與舊體制電臺的通信，實現電臺間互聯互通，延長電臺壽命周期，并節(jié)約開發(fā)和維護成本。

軟件通信體系架構SCA(Software Communication Architecture)是由美軍制訂、軟件無線電論壇認可并在全球廣泛推行的軟件無線電行業(yè)標準，定義了統一的軟件無線電體系結構規(guī)范和系統不同模塊間的接口與交互協議，為軟件無線電產品兼容性和可移植性提供了一系列解決方案，為實現“一種波形適應多種平臺，一種平臺加載多種波形”的要求奠定了堅實基礎[3]。SCA模型如圖1所示，由操作系統、傳輸機制、核心框架、設備與服務組成，為作為核心的波形開發(fā)提供統一的底層支持和服務，使波形具有最大的可移植性和可重用性。

圖1 SCA體系架構模型圖

2.2 基于SCA的軟件無線電波形和開發(fā)

波形是軟件無線電系統中的核心概念。在基于SCA的軟件無線電系統中，波形由通用協議處理流程所涉及的軟件模塊有機組成，組成波形的軟件模塊稱為組件，組件和波形的開發(fā)需遵循SCA規(guī)范的要求，實現相關接口、合理定義XML文件，從而使得波形可無縫接入軟件無線電系統。

傳統的波形開發(fā)需要將各個通信協議不同功能模塊緊密耦合在一起來實現完整功能，且波形與底層軟硬件平臺緊密耦合，導致波形重用和升級困難，使波形開發(fā)難度大、效率低。而基于SCA，可以采用通用的波形設計方法，將波形劃分為多個組件，通過核心框架實現波形管理、配置和控制，并通過傳輸機制及硬件抽象層實現組件間控制信息和業(yè)務數據交互，同時，波形與底層軟硬件平臺通過標準化接口進行交互，極大提高了波形的可重用性和可移植性，降低了波形開發(fā)難度。

基于SCA的軟件無線電波形開發(fā)既可以基于軟件無線電集成開發(fā)環(huán)境完成，也可基于已有模板來完成。基于集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)的優(yōu)勢是圖形化界面提供了類似于Matlab的直觀地開發(fā)方式，并提供一系列自動化工具為開發(fā)提供了便捷性，比如可以對組件和波形進行建模、可直接將組件IDL文件映射為組件框架代碼文件、可根據SCA規(guī)范生成組件和波形的XML描述文件等。基于已有模板進行開發(fā)則略復雜些，需要對SCA規(guī)范有較深理解。波形組件需要繼承SCA標準定義的LifeCycle、PortAccessor、PropertySet、ControllableInterface等接口，實現波形initialize、releaseObject、connectUsesPorts、disconnectPorts、start、stop等操作，用于組件的控制和管理；同時根據需要實現數據端口用于組件之間的數據傳遞。組件內部實現組件的業(yè)務代碼、完成組件核心功能。SCA波形組件模型如圖2所示。

圖2 SCA波形組件模型

3 基于軟件無線電的“通信原理”教學模式

3.1 未來多頻段多波形模塊化戰(zhàn)術無線電波形

我們提出了基于開源未來多頻段多波形模塊化戰(zhàn)術無線電波形FM3TR(Future Multiband Multiwaveform Modular Tactical Radio)的“通信原理”教學模式。FM3TR是一種兼容SCA的可移植窄帶軟件無線電波形，最初由AFRL(Air Force Research Labs)實驗室研發(fā)，采用VHF和UHF頻段(30 MHz-400 MHz)、25 kHz帶寬、CPFSK調制，支持跳頻模式(250 hops/s)，話音模式采用CVSD壓縮編碼(基于PCM 16 kHz)，數據模式支持9.6 kbps速率[4-5]。FM3TR波形包含DLC、RS、MAC、EthernetDevice等組件，其模型如圖3所示。

在SCA體系架構的基礎上采用組件化思想實現了FM3TR波形。所實現的波形采用軟件實現各模塊，模塊之間接口清晰，模塊功能明確，學生可以更容易地開展學習與研究工作。

3.2 教學模式設計

由于FM3TR波形的各模塊均采用組件化、軟件化思想進行實現和封裝，各組件之間的接口清晰明確，各組件依據SCA標準實現的接口和組件核心業(yè)務邏輯之間的界限清楚，因此可以較容易地掌握通信系統各部分的核心功能并理解整個波形的思想。與此同時，依托第2.2節(jié)所介紹的基于SCA的軟件無線電波形開發(fā)方法，學生可比較容易地根據需要升級FM3TR窄帶波形中的各個模塊甚至增加新的模塊，通過簡單的配置得到新的波形，并通過運行新的波形更加直觀地看到模塊升級所導致的通信系統變化，通過對比能夠更系統更深入地理解通信系統的基本原理，從而將“通信原理”基本理論與工程實現較好地統一起來，起到提升工程能力、培養(yǎng)系統性思維的目的。此外，還可以實現噪聲、干擾和各類信宿的靈活插入，為分析系統某一部分參數、功能的改變對系統整體的影響提供便利。

圖3 FM3TR波形模型圖

基于軟件無線電的“通信原理”教學模式具體設計如下。在準備階段，安排學生通過業(yè)余時間自學提高編程能力。以我校為例，學生在學習“通信原理”之前通常掌握了C++和Matlab等編程工具，具有了一定的編程基礎。因此，這個階段主要有兩個目標：一是進一步熟悉編程并提高編程水平；二是針對通信專業(yè)特點，使學生了解和初步掌握與通信工程實現、仿真、可視化緊密相關的編程基礎知識。這個階段需要由教師、助教為學生提供優(yōu)質的資源和輔導。這一部分工作應盡可能在“通信原理”教學的前幾周完成。下一步，在課時量有限的情況下借助MOOC、雨課堂等平臺以微課視頻形式向學生介紹FM3TR波形的基本概念、模塊化設計的基本原理和特點及模塊的二次開發(fā)方法，這是教學模塊的重點內容。

在應用軟件無線電進行教學方面，主要從課堂和課下兩個方面開展，并在形成性考核中對學生的能力水平進行評估。

在課堂上，依托該環(huán)境針對關鍵概念進行課堂演示和闡述。比如，可以采用改變調制、編碼、成型脈沖，或加入人工噪聲等方式，在通信系統運行時采用信號包絡、眼圖、星座圖、矢量圖、誤碼率、誤比特率等方式實時顯示系統中關鍵部分的圖形，并依托圖形對“通信原理”內容進行更系統講解。這種模式主要強調“通信原理”的系統性，在講授某一知識點時，雖然重心仍然放在知識點上，但要著重從系統角度闡述部分對整體的影響，達到強化學生系統性思維的目的；同時，這一演示圖形活動的引入有助于增強教學活動的趣味性，可以更好地激發(fā)學生的學習熱情。在課后，依托該環(huán)境安排設計、仿真實驗。實驗作業(yè)的布置根據學習的進度進行靈活安排，在前期，以實現特定模塊為主、觀察部分對整體的影響為輔；在后期，隨著學生知識的增加，則以對通信系統整體進行設計為主，以進一步加深對各部分知識的理解掌握為輔，確保每一次實驗都面向可運行的完整通信系統來開展，在這個過程中逐漸加強學生的系統性思維。

4 結語

本文分析了“通信原理”課程教學中存在的系統性問題，引入軟件無線電技術，提出基于SCA和開源F3MTR波形的“通信原理”教學模式，為“通信原理”系統性教學及學生能力培養(yǎng)提供可供借鑒的思路和方法。