本科“软件无线电技术”课程的教学设计与实践

黄光亚 徐倩 邓小飞

[摘 要] 该文对本科“软件无线电技术”课程的教学设计及实践进行了研究和探讨，从教学目标、教材选定、教学内容、教学方法和实践教学平台、实践教学内容、考核方法及特色创新等方面进行分析阐述，为本科软件无线电技术教学提供了可参考的方案。

[关键词] 软件无线电技术;教学设计;教学实践

[基金项目] 2016年度吉首大学新开课程建设项目“软件无线电技术”（2016KCB10）

[作者简介] 黄光亚（1981—），女（土家族），湖南吉首人，硕士，吉首大学信息科学与工程学院讲师，主要从事信号处理及图像处理研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0215-03    [收稿日期] 2020-03-20

软件无线电技术是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的先进技术[1]，这项技术经过20多年的发展，取得了引人注目的进展，并得到了广泛的应用。软件无线电技术已经成为无线电工程的一种通用的现代方法，是无线电工程领域的一种新的设计理念、设计思想。学习和掌握这一新的设计理念和技术势必成为通信、电子类相关专业人才必备的职业技能。在笔者所在院校2016版通信工程专业的本科人才培养方案中，首次将软件无线电技术设置为通信工程专业的必修课程，为本专业培养从事电子、通信设计工作打下扎实的理论和实践基础。

一、本科软件无线电课程开设的目的和意义

软件无线电涉及的领域多、面广、发展快，如现代通信理论、宽带天线理论、数字信号处理、微电子、计算机等，技术发展日新月异。

软件无线电的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台而把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现，软件无线电技术是近年来提出的一种实现无线通信的新的体系结构，他具有很强的灵活性与开放性的特点，由于软件无线电具有现有无线通信体制所不具备的许多优点，因此具有广泛的应用前景。软件无线电的各种通信功能用软件来实现，这样无线通信新系统，新产品的开发将逐步转到软件上来，而无线通信的产品价值将越来越多地体现在软件上，这是无线通信领域从固定到移动，从模拟到数字之后的第三次革命必将形成和计算机及程控交换相当的巨大产业[2]。因此，开展软件无线电的学习和研究具有重要的价值。

二、软件无线电课程在本科教学中的重要性

通信工程专业的创新平台、专业综合课程设计平台一直是一个亟待解决的问题，一直以来通信专业的综合设计都是采用仿真设计的方式，专业基础实验采用硬件电路实验箱的方式，少量软件实现的也存在可操作性、可编程性不高等问题[3-5]。

软件无线电技术课程从软件无线电总体体系出发，介绍软件无线电的主要理论、关键技术和最新发展情况。课程具有较强的理论与实践结合的特点，为本专业的专业实习、毕业设计和工程实践提供了必要的理论和实践基础。

软件无线电技术课程具有较强的理论与实践结合的特点，为本专业的专业实习、毕业设计和工程实践提供了必要的理论和实践基础。软件无线电技术实验室，既能满足通信工程专业缺少创新平台、缺少专业综合课程设计平台及专业基础课程实验室教学改革的需求，通过课程的学习，又能达到让学生掌握一门新技术、新方法的同时，深化专业知识的作用，通过课程的实践，达到理论结合实际、培养学生动手能力的目的。

三、软件无线电课程教学设计

软件无线电技术课程在大多数高校里是研究生阶段的课程，课程教学内容注重软件无线电技术的研究及软件无线电硬件平台的设计。对于软件无线电技术的本科教学，旨在通过课程让学生掌握一门新技术和实现通信系统的新方法，深化专业知识，通过课程实践，培养学生动手能力的目的。因此，软件无线电的本科教学采用理论与实践相结合的开发思路，课程教学内容围绕软件无线电发射和接收机的体系结构，从基本分析方法、硬件平台、调制解调的实现、信道编解码的实现到软件无线电的应用与实践。教学内容即能涵盖软件无线电的关键技术，也紧扣通信工程专业学生专业基础知识。通过本课程的教学，学生能具备以下知识和能力：（1）掌握软件无线电的的概念和原理;（2）掌握软件无线电系统的分析方法;（3）掌握一种软件无线电平台的使用方法;（4）具备利用软件无线电平台实现无线通信系统设计和实现的能力;（5）加深对通信系统及相关理论的理解，了解和掌握通信技术的未来发展方向。

（一）教学内容设计

1.教材选用。软件无线电技术的经典教材是楼才义编著的《软件无线电原理与应用》（第二版），该教材是很多高校选用的研究生教材，该教材偏重于理论及软件无线电系统及硬件的设计，教学内容远超出本本科生接受的范围，按照该教材实施教学，会偏离“为提高本科生的实践动手能力、为本科生实践创新提供一个新的先进平台”的教学目标。适用于本科教学、又能将理论与实践并重的教材很少，唯一的一本《GNU Radio软件无线电技术》偏重低层技术的开发，对学生C++、Linux、Python等编程能力要求很高。最后课程教学确定使用向新编写的《软件无线电原理与技术》作为本科教学的教材，重点参考书包括楼才义编写的《软件无线电原理与应用》和白勇编写的《GNU Radio软件无线电技术》，及鸟哥的《鸟哥的Linux私房菜基础学习篇》。

2.教学设计。课程教学采用主题式的教学方法，将课程教学内容提炼为14个教学主题（见表1），使教学内容凝聚，并对教材内容进行补充，丰富课程的实践。教学过程中融入雨课堂，利用信息化手段开展课堂教学。

（二）实验平台选取

1.实践平台的选取。软件无线电技术的先进性及硬件平台的综合性，对于软件无线电平台的使用者要求极高，即要求开发者具有C++、Python和Linux平台使用的能力，又要求开发者具有深厚的通信理论基础，编程能力的要求对于通信专业老师来说都是很难达到的，学生要入门使用更是困难。充分考虑通信工程专业目前存在的缺少創新平台、缺少专业综合课程设计平台及专业基础课程实验室教学改革等因素，采用了智领平台+GNURadio开源平台的方式，既很好的解决了门槛高的问题、也充分考虑了学生的需求和课程教学的需要。智领平台是国防科大开发的软件无线电教学硬件及软件平台，该平台对于不是从事软件无线电研究的教师和学生来讲，具有门槛低，界面友好等特点，平台适用于通信原理、数字信号处理、随机信号分析等课程，同时能多方面支撑软件无线电的教学，是通信专业目前缺少的创新实践平台的一个可行方案。虽然平台能够满足学生在校期间的各项需求，但是，学生跨出校门大多数无法再接触到此类平台，软硬件价格对于个人用户来讲都相对较高，为让学生掌握一门技术，走出校门后还能继续使用所学，课程教学中选择了开源的GNURadio软件平台开展教学[6]和价格相对较低的Hackrf硬件平台开展教学示范。课程的实验教学采用实验平台（智领平台）和开源GNURadio软件平台+Hackrf硬件平台的方式，采用两种平台同时使用的方案，能扩宽视野、学以致用。

2.实验内容设计。课程实验教学以掌握软件无线电平台的使用和通信技术的软件实现方法为主。通过实验教学掌握使用GNU Radio实现通信系统中调制解调、编码译码等技术的实现方法，掌握软件无线电平台的使用方法，具备使用软件无线电平台实现通信系统的能力，为学生自主研究、学习奠定了基础。

四、注重过程的综合考核

软件无线电技术课程综合性强，理论重在考核学生对知识的运用情况，考核方式为期末开卷考试、平时成绩和实践成绩三部分构成。软件无线电技术课程教学过程中引入了雨课堂教学平台，通过平台的统计数据来形成对学生学习过程的评价，通过雨课堂的课堂参与数据使得教学活动全程数据化，使得过程考核成为可能。本课程总评成绩中，平时成绩占20%，实验成绩占30%，期末考试占50%记入课程的总成绩。

五、特色创新

（一）主题式教学法。在课程教学过程中，一堂课要做到让学生印象深刻，就必须做到重点突出、内容凝聚;形成主题鲜明的教学主题需要突破教材、充分提炼，还需保证主题知识点能在1—2个学時内完成，使每堂课成为相对较独立的整体。提炼教学内容，划分教学主题，只需谨记落实“三讲三不讲（讲重点、讲难点、讲新思路，会的不讲、能自学会的不讲、讲也不会的不讲）”并结合多方式的教学手段就能很好的做到。得益于课程设计环节的提炼和主题的划分，每个教学主题充分提炼后，教学内容凝聚性比较好，每个主题能在2学时或者最多4学时内完成，不会出现教学内容从某一章节断开的情况，教学内容既相互联系，又相互独立。

（二）创新思维导图引导。为了明确学习目标，采用思维导图来为学生的学习形成有效的引导。利用思维导图建立了每个知识点的学习路线，让学生在学习时能建立起明确的思路，为自身的学习确立个性化的方法，为课堂共同学习做好知识准备，并通过思维导图来引导学生思考。

六、结语

软件无线电技术是一门综合性很强的课程，通过选取适合本科教学的教材及参考书，采用主题式的方法对教学内容进行凝练和划分，使得每次教学主题鲜明，课程教学遵循“三讲三不讲”原则，通过合理的设计将难点变得有趣，通过教学活动的开展，学生通过课堂既能有所收获又能引发思考;课程的实验教学采用实验平台（智领平台）和开源GNURadio软件平台+Hackrf硬件平台的方式，为了让学生既容易入手，又能学以致用，甚至于跨出校门后还能继续使用所学。通过课程的学习，让学生掌握一门新技术、新方法的同时，深化了专业知识，通过课程的实践，达到理论结合实际、培养学生动手能力的目的。

参考文献

[1]罗宁，杨宇红.基于NI-USRP软件无线电平台的FM调制解调器设计[J].电子技术，2015，12.

[2]赵旭东.基于软件无线电的基带信号处理技术研究[D].桂林电子科技大学，2010.

[3]郭晓，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.

[4]王新新，赵小明.软件无线电在通信专业教学中的应用[J].科技信息，2011，21.

[5]赵宏，软件无线电技术在5G移动通信系统中的应用[J].数码世界，2019，10.

[6]曾嵘.GNU Radio平台在通信工程实践教学改革中的应用[J].高校实验室工作研究，2018，2.

Teaching Design and Practice of Undergraduate Course Software Radio Technology

HUANG Guang-ya，XU Qian，DENG Xiao-fei

（Information Science and Engineering College of Jishou University，Jishou，Hunan 416000，China）

Abstract：This paper studies and discusses the teaching design and practice of the undergraduate course Software Radio Technology.The teaching aims，textbook selection，teaching content，teaching methods，practical teaching platform，practical teaching content，assessment methods and course characteristic have been researched and expounded in this paper，which provides a reference scheme for undergraduate Software Radio Technology teaching.

Key words：Software Radio Technology;teaching design;teaching practice