基于宽频接收机大型共享设备的随机信号分析教学

汪飞 徐文俊

摘要理论与实践统一是教学模式发展的必然趋势。将高价值大型共享设备引入课堂现场教学是提高大学生理论认识，使大学生紧跟现代科技发展步伐的重要举措。作为大学工科的专业基础课，随机信号分析是大学基础课程与专业课程的关键纽带。宽频接收机具备扫描接收噪声，2～5G移动通信信号，以及机场导航雷达信号与WIFI信号等各种无线信号的功能。在随机信号分析教学中，引导学生实时观测宽频接收机的扫描数据，可以让学生切身感受到随机信号分析学习的意义，以及未来随机信号领域面临的机遇与挑战。

关键词 共享设备；宽频接收机；随机信号

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.02.030

为贯彻落实《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》（国发〔2014〕70号）精神，教育部发布了《教育部办公厅关于加强高等学校科研基础设施和科研仪器开放共享的指导意见》（教技厅〔2015〕4号）。为进一步推进高等学校科研基础设施和科研仪器的全面开放、充分共享，提高科研设施与仪器使用、配置的效率和效益。2017年12月，中央改革办督察组联合各部委对仪器开放共享工作开展了专题督察。目前各高等学校科研仪器的利用率和共享度有大幅度提升，开放共享配套制度建设全面推进，仪器共享平台的覆盖面不断扩大，有力促进了仪器开放共享。

近年来，国内高校不断探索大型设备开放共享在“双一流”建设中的积极作用。重庆大学、华南理工大学等高校通过考核与奖励政策鼓励师生利用共享平台。西南交通大学将大型设备开放共享作为教育教学研究的重点关注对象，提出只有以教师为共享平台的“代言人”，才能为大型设备的使用者提供更好、更专业的服务，促进学生的培养。

南京航空航天大学于2020年6月响应教育部文件，筹划建立了校内大型设备开放共享平台，如图1。南京航空航天大学的大型仪器设备共享管理平台的主要功能有：（1）具备仪器查询、预约、授权、监控、计费、考核、基金申报等功能，直观掌握大型仪器设备开放共享管理工作实时状态。（2）具备校-院-机组三级管理体系，实现对我校大型仪器设备开放流程、收费流程以及培训流程的统一、规范化管理。（3）具备使用过程的身份信息采集，有效掌握使用人的身份信息、使用时长、使用过程等，实现对开放过程的智能化控制。（4）用户只需简单培训便能上手使用。

为了鼓励本科生利用院内大型设备，暂行办法中对校内本科生利用本院大型开放共享设备给予了免费政策。大型开放共享设备对科学前沿研究具有不可替代的作用，代表了先进生产力。本文利用大型共享设备“宽频接收机”，针对本科生“随机信号分析”课程的特点，探索适用于本科生的大型科研设备应用案例，培养本科生参与科研的兴趣及投身先进科技事业的信心。

1随机信号分析基础

1.1典型随机过程的数学模型

2大型共享设备教学设计

2.1宽频接收机实验设计

如果将大型共享设备应用于本科生教学中，那么就必须针对性地设计大型共享设备的实验案例，才能将大型设备共享融为混合式教学环节的方式。

宽频接收机是一款国产的数据采集存储分析仪。它由数据采集存储分析仪与下变频器构成，如图2。它具有较高的采样率和信号原始数据存储速率。该设备具有8TB的数据存储空间，并能以最高6.8GB/s的速度进行高速的数据接收。此参数可满足宽带信号获取的速率与存储空间要求。下变频器可将频率由0.2GHz～12GHz转换为750MHz，瞬时带宽最大为1GHz。数据采集存储分析仪的带宽则设置为1.5GHz，采样率为2.5GSa/s。

宽频接收机的实验设计如图3。打开下变频器对应软件，查看软件界面“连接状态”（正常显示已连接）；“参考时钟”选择内部时钟；下变频器“中心频率”设置与上变频器一致（设置时填入数字按回车键即可，单位会自动显示可手动更改），“输入功率”是根据上变频器输入功率自动读取的不需要手动输入。该下变频器的变频范围为1.3～12GHz，会将输出信号中心频率固定到750MHz（即能将1.3～12GHz的信号变频到750MHz），下变频器输入输出带宽为1GHz（即输出信号频率范围为0.25GHz～1.25GHz）。

输出信号频率计算：设输入信号频率下界为FL，上界为FH，上变频器中心频率为f0，下变频器中心频率为750MHz。则输出信号下界为f0+0.75-FH，上界为f0+0.75-FL。

2.2宽频接收机数据获取

宽频接收机数据用数据采集存储分析仪获取。数据采集存储分析仪开机后会自动进入数据采集界面，点击help可以查看各个模块的功能，该仪器不需要連接PC可直接使用，最高采样频率为5GHz，可在Channel菜单下切换采样频率。可在storage菜单下对当前显示的数据进行保存，保存的数据文件可通过U盘拷出。

通过宽频接收机获取的数据可以验证式（10）与式（11）。图4（a）是宽频接收机获取的原始数据，图4（b）式对应于式（10）的数据，图4（c）对应于式（3）的M（t），图4（d）对应于式（9）。显然，通过宽频接收机能够更直观地看到随机信号的变化，更有利于本科生通过实践了解随机信号的各种概念。

3结论

随机信号分析课程作为大学本科电子信息类的专业基础课，其教学过程除了教材的理论以外，同时还要强调它在实践中的应用，以及它与实践之间的差别。高校的大型共享设备虽然代表了科技先进发展力，但是因为价格昂贵难以满足本科生进行工程实验的需求。为此，本文从大学本科随机信号分析课程的特点出发，设计了对应于随机信号分析课程的共享设备实验方法。使得本科生即使不能深入理解大型共享设备的工作原理，也能通过设计的简单实验深入认识课程中各种概念与现实的本质联系。一方面有利于提高本科生对课程的理性认识，另一方面有利于提高本科生对先进科技的感性认识，促进本科生努力掌握基础理论，开拓未来先进科技的信念。

基金项目：南京航空航天大学2020年度教育科学与改革研究专项课题“基于大型设备开放共享平台的自我实践式混合教学初探”（项目编号：2020JYKX-15）。

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