以工程教育认证为导向的“无线通信综合实践”课程方案设计

李学华，王亚飞，杨尚文，耿赛猛，刘 磊

（1. 北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101；2. 航天创客（北京）科技有限公司，北京 100124；3. 悦成移动互联网孵化基地，北京 100124）

通信系统是通信原理系列课程教学中的基本概念和基本内容，许多高校在通信原理系列课程中设计了大量通信系统实验项目[1-7]，在培养信息通信类人才中发挥了重要作用。但这些实验项目多集中于软件仿真，理论性过强，实践性稍弱，也没有强调工程教育认证的目标导向，对专业人才培养目标的实现支撑较弱。

通信工程专业人才的培养目标是：具有良好的人文社会科学素养和社会责任感；具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力；具备在通信领域以及其他国民经济部门从事信息通信系统的集成、制造、应用开发以及管理等方面工作的能力。基于“以学生为中心、成果导向和持续改进”的工程教育认证理念，本文围绕我校高素质应用型人才的培养目标，以及通信工程专业人才培养目标、毕业要求和课程大纲，设计了“无线通信综合实践”课程方案。该课程方案以毕业要求与指标点为出发点，在对“通信系统课程设计”[8]持续改进的基础上，兼顾学生和教师的需求，设计了一个小型卫星通信系统实验项目。该实验项目是与我校市级校外人才培养基地悦成移动互联网孵化基地和航天创客（北京）科技有限公司共同设计的。以中国航天事业快速发展为背景，借鉴卫星通信模式，通过软硬件结合而设计的该实验项目，能够使学生有兴趣、有能力掌握一般无线通信系统的组成和设计原理以及卫星通信特点。本实验项目通过对具体通信系统的设计、电路调试和软件编程，能够使学生进一步加深对实际通信系统及所学的专业知识的理解，提高解决复杂工程问题的能力和社会责任感。

1 设计思路

北京邮电大学编著的《通信原理》第一版序的第一句话是“通信乃是互通信息”[9]，本文设计的“无线通信综合实践”方案就是围绕“如何互通信息”这个任务展开的。围绕此中心任务，并结合课程所支撑的毕业要求与指标点设计的小型卫星通信系统实验项目的设计思路如图1所示。

本课程所支撑的毕业要求与指标点是基础，所设计的实验项目内容必须满足毕业要求，在此基础上，要从教师视角和学生视角两个方面去考虑实验内容。首先，从教师视角要考虑实验内容是否能够培养学生解决复杂工程问题的能力，考核方式是否能够体现教学目标，是否能让所有学生在实验课上都能体验到成功。从学生视角要考虑实验项目的趣味性，兴趣是最好的老师，要以精彩的实验内容来激发学生的兴趣。当然，在从教师视角和学生视角考虑方案设计时，一定要基于“以学生为中心，以成果为导向”这个工程教育认证理念，并籍此指导设计实践的全过程。

图1 “无线通信综合实践”课程方案设计思路

2 实验项目原理

本实验项目设计的小型卫星通信系统的组成原理如图2所示。系统包括数字传感器、模拟传感器、A/D转换、信道编码、信道解码、LoRa调制发射、LoRa接收解调、LCD显示等部分。其中，数字传感器和模拟传感器负责采集要发送的信息，模拟传感器在采集信息后还要经过A/D把模拟信号转换为数字信号。学生可以任选传感器进行如下信息的采集：①温度、气压和高度信息；②温度和湿度信息；③GPS位置信息；④光强度信息。其中，光强度信息采用光敏电阻进行测量，需要加A/D模块。由于数字信号在无线信道传输过程中会受到噪声干扰，所以还需要进行信道编解码，可以选用奇偶校验码、CRC（循环冗余校验码）等编码方式，信道编解码利用单片机实现。射频调制解调采用LoRa技术，这是一种新型的基于1 GHz以下超长距离低功耗数据传输技术，使用非授权频段，还使用了扩频调制解调和前向纠错技术，可以低发射功率获得更广的传输范围和距离[10-11]。

图2 小型卫星通信系统的组成原理

系统的通信过程如下：传感器采集信息后（模拟传感器在采集信息后还要经过 A/D进行模数转换），将信息送入单片机；单片机对采集到的信息进行信道编码，并将编码后的信息送到 LoRa调制发射模块；调制发射模块在中心频率为 433 MHz的频点上对信息进行调制，再通过天线发射出去；LoRa接收解调模块对接收到的信息进行解调；解调后的信息输入单片机中进行信道解码；单片机把解码后的信息送到LCD上显示。在此过程中，如果多组学生同时进行无线通信实验，相互之间将产生干扰。为了避免这种情况发生，在方案设计时可以在传感器类型、LoRa射频工作频点、信道编码方式等方面进行隔离。

为了使学生了解卫星及卫星通信模式，本实验项目对硬件进行了仿卫星设计，即在发送部分设计了载荷板、通信板、电源板，如图3所示。其中，载荷板承载的是各种传感器，通信板承载的是信道编码和射频模块，电源板为载荷板和通信板提供电源，与实际卫星的构成思路一致。

图3 小型卫星通信系统的实际组成

3 实验过程、实验结果及考核方式

图4为从GPS位置信息采集、无线传输到显示的通信实现图，GPS模块、载荷板、通信板和电源板构成了卫星系统，通过软硬件设计和编程实现，接收部分可以准确显示卫星的位置信息。本实验项目要求学生先完成硬件电路的焊接、组装和调试，然后编写单片机程序实现信道编码和信息显示，最后再进行关键点信号的测量和联合调试。具体说明如下：

（1）如图4所示，给定载荷板、通信板、电源板、接收板、LCD屏及其相对应的电路原理图。根据实验任务，按照原理图焊接核心模块及外围电路，包括载荷板上的传感器及其外围电路，载荷板与通信板以及电源板的互联电路、射频模块天线等。

（2）把发送的卫星部分按照上层为载荷板、中间为通信板、底层为电源板进行组装，确保信号互连正确；把发送的地面站部分按照电源板在下、LCD显示在上进行组装，并确认信号互连信息。

（3）选择设置LoRa调制发射模块和接收模块的工作频率，需满足《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》等规章要求[12]。

（4）编写传感器对应的单片机程序。其中，使用BMP180模块采集温度、气压和高度数据，BMP180通过 IIC串行接口与 MCU相连，MCU通过调用BMP180库文件中的函数获取对应的传感器数据；使用DHT11模块采集温、湿度数据，MCU可以直接读取；使用ATGM336H-5N模块采集GPS位置数据，再由MCU使用并解析NMEA0183协议中推荐的定位信息，可以方便地获取相对完整的位置信息；使用光敏电阻采集光强信息，光敏电阻在电路中通过感应光强的变化，以一个可变电阻的形态出现，与之串联的电阻起到分压作用，从而把电阻的变化反映为电压的变化，这样就可以通过 MCU的模拟输入管脚，测出电压的值，进而测算出光照强度。

（5）编写信道编解码及显示的单片机程序。按照CRC原理编写校验函数，实现编解码。LCD显示屏由MCU通过串口发送命令字符串，实现信息字符显示。

（6）本实验项目要求2个学生为一组，一个负责发送部分，一个负责接收部分，两人需要合作进行联合设计、联合调试等任务。

图4 卫星位置信息的无线传输实现图

在小型卫星通信系统的设计、组装、编程及测试过程中，涉及数据采集、A/D转换、编码、解码、调制、解调等理论概念，还要进行方案设计、软件编程等。在实验全过程中，要综合考虑安全、环境、法律等非技术因素，要求学生具备解决复杂工程问题的能力。在此过程中，实验方案既固定了一些内容，又留给学生一定的自主设计空间，例如传感器的选择、信道编码的选择、单片机程序设计、频率点选择等。给学生留有自主设计空间，就是在为他们解决复杂工程问题提供切入点，这是锻炼他们解决复杂工程问题的最直接手段。

在系统测试的过程中，学生不可能一步到位地实现从信息采集、无线传输到显示的通信任务，当遇到问题时，就需要学生使用频谱分析仪、示波器等测量设备进行信号测试，以发现问题和解决问题，即训练学生使用测量仪器设备的能力。

为了让不同基础的学生在实验课上都能体验到成功，实验项目设置了多种数据采集信息供学生结合自身的兴趣和能力进行选择，相应的成绩评定方式如表 1所示，使每位学生通过自己的努力都能达到课程要求。

表1 “无线通信综合实践”课程成绩评定项目及占比

4 课程指标点对应的实现途径

根据课程大纲，本课程支撑毕业要求指标点情况及其对应的实现途径如表 2所示。从表中可以看出，本课程的实验项目完全实现了对毕业要求的支撑，覆盖了技术因素、非技术因素、团队合作、自主学习、终身学习等方面，充分体现了以成果为导向的工程教育认证理念。

表2 “无线通信综合实践”课程指标点与对应的实现途径

5 结语

本实验项目从工程教育认证理念出发，综合了“程序设计基础”“单片机应用技术”“卫星通信”“通信原理”等课程的内容，以卫星通信模式实现了从数据采集到数据接收、显示的全过程。在方案设计、实物制作过程中，使学生在安全用电、电磁干扰、通信频率选择等方面能够考虑非技术因素，在提高解决复杂工程问题能力的同时培养社会责任感。