張建良，齊冬蓮，吳 越，韓 濤，姚 維

(浙江大學 電氣工程學院， 杭州 310027)

信號分析與處理探究性實驗教學平臺的構建

張建良，齊冬蓮，吳 越，韓 濤，姚 維

(浙江大學 電氣工程學院， 杭州 310027)

針對信號分析與處理實驗課程的教學實踐特點，基于開源GNU Radio軟件架構，開發(fā)了以開放式、創(chuàng)新性為特點的信號分析與處理探究性實驗教學平臺。利用具有較高執(zhí)行效率的C++語言編寫各種信號處理模塊，可以實現(xiàn)信號課程中濾波器、FFT 變換、調制/解調器、信道編譯碼等基本理論內容；利用語法簡單、完全面向對象的Python腳本語言來構造流向圖，以連接各個信號處理模塊成為完整的信號處理流程；結合教師的科研實踐項目，可以開展面向多種應用的探究性實驗設計。通過組織開放式研究小組的形式探索探究性實驗的實施，改革實驗課程的考核方式和評價機制，實現(xiàn)實驗教學在形式和效果上的協(xié)同改進，促進以綜合性和創(chuàng)新性為特點的電氣信息類人才的培養(yǎng)。

開源軟件無線電； 信號分析與處理； 探究性實驗

0 引 言

信號分析與處理課程具有理論復雜和系統(tǒng)性強的特點，因此課程實驗環(huán)節(jié)在學生對課程內容的理解、掌握和應用中起著至關重要的作用。而且隨著信號處理技術和應用需求的發(fā)展，實驗教學實踐活動在信號處理課程教學效果中的地位和作用將越來越重要。

我校是全國最早開設“信號分析與處理”課程的高校之一，經(jīng)過一系列的探索和改進，在實驗教材編寫、課程網(wǎng)站建設、實驗教學和實驗改革等方面，積累了豐富的經(jīng)驗。本著實驗內容以適應社會需要和激發(fā)學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為宗旨，采用先進的實驗手段，引入現(xiàn)代信號分析與處理技術的分析、設計方法，探索實驗教學的創(chuàng)新性、層次性、整體性和系統(tǒng)性，形成了與新的課程體系相適應的探究性實驗教學體系[1-3]。

結合信號分析與處理實驗課程的教學實踐特點，基于開源GNU Radio的信號分析處理架構，設計了以開放式實驗方式、創(chuàng)新性實驗內容和自主型考核評價為特點的信號分析與處理探究性實驗平臺。在該平臺下，通過組織開放式研究小組的形式，實現(xiàn)教師指導下學生自主探索和考評的實驗方式；改進信號處理模塊庫以快速建立信號處理的實現(xiàn)流程，進行基本實驗內容設計和仿真；同時又能夠用來連接真實的信號接收和處理系統(tǒng),結合教師的科研實踐項目，開展面向多種應用的探究性實驗。并通過改革和探索實驗教學的評價機制，發(fā)揮實驗教學在綜合性和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用，形成層次化、多元化、創(chuàng)新性的實驗教學體系。

1 實驗教學平臺的建設目標

針對電氣類和自動化類專業(yè)對課程實驗的共性和各自特點，實驗教學平臺首先要以學生為主導，建設多層次立體化的實驗教學內容，為學生基本實驗技能的培養(yǎng)奠定基礎。

其次，實驗教學平臺的建設以加強課程實驗、實踐、工程設計能力培養(yǎng)為目標，以適應社會的需要、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為依據(jù)，鍛煉學生綜合運用知識的能力[4-7]，通過實驗教學形式的改進，激發(fā)學生的主體能動性和創(chuàng)新潛力的爆發(fā)，解決和設計比較復雜的應用開發(fā)問題，采用先進的實驗手段和實驗理念，強調實驗的整體性、系統(tǒng)性，以形成與新的課程體系相適應的實驗體系[8-10]。針對不同的人才培養(yǎng)目標，構建層次化的實驗教學內容結構，培養(yǎng)和塑造電氣信息類專業(yè)學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。

2 實驗教學平臺的設計思路

實驗平臺的設計理念為：在GNU Radio體系架構下，通過軟件加載和重新設計來實現(xiàn)各種信號分析與處理模塊，并以標準、開放、圖形化的形式連接起來形成一個通用實驗平臺，將復雜的信號分析與處理功能在計算機軟件系統(tǒng)上實現(xiàn)。

GNU Radio 是一個通過最小程度地結合硬件(比如RTL2832U等)，用軟件來實現(xiàn)信號分析與處理的軟件體系。GNU Radio應用程序用Python語言來編寫，真實的信息處理過程是由C++浮點擴展庫來實現(xiàn)的。同時GNU Radio是一個全球性的開源軟件項目，其開放性和互動性的特點，方便探究性實驗教學內容不斷充實豐富，以及以科研小組為單位的實驗教學實施形式的改進[11-13]。

GNU Radio具有一個廣泛的標準庫的基本功能模塊，通過結合現(xiàn)有的外圍信號采集電路模塊，連接現(xiàn)有的信號分析與處理模塊形成信號處理流程圖，完成信號分析、處理和可視化等標準任務?；贕NU Radio中信號處理的模塊化和圖形化功能，使得開發(fā)者不用關心這些數(shù)據(jù)如何在這些模塊之間流動，一旦程序連接好，功能模塊會自動進行直至得出信號處理的最終結果，并通過相應模塊顯示出來，從而解決傳統(tǒng)實驗教學中重視硬件電路搭建而輕視信號基本概念理解和掌握的問題，將“信號分析與處理”實驗教學的重心轉移到對信號基本概念和原理的理解和實現(xiàn)上。根據(jù)應用問題的特點，通過編寫相應信號處理高級模塊，結合現(xiàn)有基本模塊提供復雜的信號分析處理功能，并實現(xiàn)相應的信號處理邏輯，鍛煉學生在高級信號處理算法實現(xiàn)，以及創(chuàng)新性為導向的探究性實驗設計方面的綜合素質。

3 實驗教學平臺的設計實現(xiàn)

基于GNU Radio架構的信號分析與處理實驗教學平臺主要由前端模擬信號采集硬件單元和基于計算機的GNU Radio信號處理單元組成。整個探究性實驗平臺的體系架構如圖1所示。

圖1 基于GNU Radio的探究性實驗平臺的體系架構

前端模擬信號采集硬件單元主要是指具有開放性、標準化的通用信號外設，即在包含一個相應的調諧器芯片的母板上，接收一定頻率范圍的信號，然后經(jīng)過一個具有特定數(shù)據(jù)運算速度的FPGA芯片放大后，輸入到具有特定信號抽樣率的A/D轉換模塊,最后經(jīng)過一個可編程的USB2.0控制器，輸送到基于計算機的GNU Radio軟件處理單元。

基于計算機的GNU Radio信號處理單元主要是指在計算機上實現(xiàn)的基于GNU Radio的信號分析與處理的軟件體系，通過利用具有較高執(zhí)行效率的C++語言編寫各種信號處理模塊(block)，可以實現(xiàn)“信號分析與處理”課程中基本的理論內容，如濾波器、FFT 變換、調制/解調器、信道編譯碼模塊等。然后，利用語法簡單、完全面向對象的Python腳本語言來構造流向圖(flow graph)，從而連接各個block 成為完整的信號處理流程。GNU Radio 的軟件結構允許用戶根據(jù)實際應用要求對相應信號處理模塊block進行改進，獲得預期的性能并完成信號處理的整個流程。用戶除了能夠開發(fā)自己的block 之外，還可使用GNU Radio 內嵌的利用CPU增強指令集的block，完成功能更加豐富、效率更快的實驗內容。

通過靈活的模塊化操作，可以定制和改進現(xiàn)有模塊，激發(fā)學生對信號實驗的興趣；基于強大的網(wǎng)絡資源支持，解決實驗過程中的問題，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力；具有專業(yè)的信號處理功能，可以獨自仿真或者借助外圍設備，拓展信號分析與處理的范圍和能力；以科研興趣小組的實驗形式，配合導師以科研項目為導向的面向實際應用的探究性實驗內容，從而不斷改進實驗教學的形式和效果。

4 探究性實驗教學和科研活動的融合探索

高校科研活動代表了與社會實踐前沿結合最緊密、最先進的知識和技術，因此以培養(yǎng)創(chuàng)新型思維和實踐人才為導向的探究性實驗的開展，必然不能脫離科研實踐的指導[14-16]。電氣學院擁有“控制理論與控制工程”國家重點學科，已經(jīng)具備實力較強的科研能力，尤其是信號課題組負責了多項國家級、省部級和企業(yè)合作項目，以SRTP、導師科研項目、校企聯(lián)合實驗室和實踐基地的形式，將科研中較為先進的研究方法、研究內容轉化為探究性實驗課程，應用新技術、新方法解決現(xiàn)實社會中遇到的新問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和探索能力。

例如，課題組在國家自然科學基金項目“無人機在非合作場景中的分布式控制與優(yōu)化問題研究(項目編號61503333)”的研究中，基于GNU Radio信號實驗平臺自身優(yōu)勢，開發(fā)了“基于GNU Radio的無線信號獲取和分析技術研究”探究性系列實驗，對無人機、機器人系統(tǒng)和開放式無線網(wǎng)絡中各種信號的獲取和分析處理技術展開研究。

實驗教學與科研的有效結合，提高了學生在信號領域的創(chuàng)新能力、實踐能力不斷提升。近年來電氣學院本科生多次在全國智能車大賽、電子競賽、挑戰(zhàn)杯大賽等活動中獲國家級大獎，對創(chuàng)新型和高素質人才的培養(yǎng)起到了重要作用[1-3]。

5 探究性實驗的課程考核方式改革

探究性實驗教學平臺因其實驗形式的開放性、實驗內容的探索性等特點，必然帶來實驗考核方式的改革。傳統(tǒng)的課堂實驗結果評判，課下實驗報告打分的考核制度已經(jīng)不能適應探究性實驗教學的需要[1-3]。為此，課題組教師探索和實施了一種個性化的實驗和教學模式，通過研究興趣小組展示互評打分和教師點評結合的開放式考評機制，鼓勵學生的探索需求；通過搭建校內科訓、校外實踐、國際交流等多種綜合性學習平臺，滿足學生的差異化學習方式；輔助評判學生參與校內聯(lián)合實驗室及骨干企業(yè)的長效實踐基地所開展的探究實驗活動，以及參加大學生智能汽車、智能電網(wǎng)、IC設計等大學生研究平臺和SRTP、導師科研項目、學科競賽等環(huán)節(jié)，進行合理的加分評價。

6 結 語

通過構建基于GNU Radio的信號分析與處理探究性實驗平臺，覆蓋“信號分析與處理”課程中信號的采樣、濾波器設計、信號調制與解調等基礎實驗內容；同時探索以科研興趣小組的實驗形式，配合導師以科研項目設計面向實際應用的探究性實驗內容，不斷改進實驗教學的形式和效果；通過實驗教學考核評價機制的改革和探索，綜合發(fā)揮實驗教學在綜合性和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用，形成層次化、多元化、創(chuàng)新性的實驗教學體系。以此平臺為基礎，電氣學院近年來在實驗教學方面和學生科研實踐方面，均取得了豐碩的成果。

[1] 趙光宙,齊冬蓮.“信號分析與處理”課程教學改革與思考[C].2007 年中國自動化教育學術年會,2007:379-382.

[2] 孫 暉,趙 菁.信號分析與處理綜合性實驗設計與實現(xiàn)[J].實驗技術與管理,2012,29(7): 161-163.

[3] 齊冬蓮,趙光宙.自動化類專業(yè)“信號分析與處理”課程建設[J].電氣電子教學學報,2009,31(S2):178-181.

[4] 高軍萍,王 霞,李 琦,等.數(shù)字信號處理課程教學改革的探索與體會[J].電氣電子教學學報,2007,29(2): 19-21.

[5] 朱金秀,張 卓,朱昌平.數(shù)字信號處理課程實驗教學研究與實踐[J].實驗室研究與探索,2008,27(5): 96-98.

[6] 吳 京,王 展,皇甫堪.“信號分析與處理”課程的教學改革[J].高等教育研究學報,2001,24(2):42-43.

[7] 劉 峰,段 紅,熊慶旭,等.信號與系統(tǒng)實驗教學改革[J].實驗技術與管理,2008,25(3):118-120.

[8] 周祥才,楊 錚.基于Matlab的信號采樣與重構的實現(xiàn)[J].實驗技術與管理,2007,24(2):79-80.

[9] 劉成云,陳振學,孔 慧.基于CCS的“信號分析與處理”實驗教學[J].實驗室研究與探索,2010,29(11): 97-100.

[10] 許 爽,李 敏.綜合設計性數(shù)字信號處理實驗的探討[J].大連民族學院學報,2010,12(3):96-97.

[11] 曹瀚文,王文博.GNU Radio: 開放的軟件無線電平臺[J].電信快報: 網(wǎng)絡與通信,2007(4): 31-34.

[12] 楊 宏,孔耀暉,茹晨光,等.基于 GNU Radio 和 USRP 的無線通信系統(tǒng)建模仿真[J].現(xiàn)代電子技術,2013,36(18):73-77.

[13] 趙 楠,武明虎,周先軍,等.基于 GNU Radio 和 USRP 的寬頻帶并行感知平臺設計[J].計算機應用研究,2015,32(12):3779-3781.

[14] 賀燕云,馬中良.科研促進實驗教學的設想[J].教育教學論壇,2012(1):211-212.

[15] 張玉平,田冰雪.研究型大學科研促進實驗教學的實踐探索[J].實驗室研究與探索,2010,29(6):120-122.

[16] 扈 旻，鄧北星，馬曉紅，等.科研成果轉化為實驗教學內容的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2012,29(10):21-23.

Development of Exploratory Experiment Teaching Platform for Signal Analysis and Processing

ZHANGJianliang,QIDonglian,WUYue,HANTao,YAOWei

(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

According to characteristics of the experimental course teaching practice of signal analysis and processing,based on the open-source GNU Radio software architecture,an open,innovative exploratory experiment teaching platform is designed.By using the high efficiency C++ language to implement various signal processing module (block),the basic theory in the course,including filters,FFT transform,modulator/demodulator,channel codec module,can be easily implemented.By using the scripting language Python to construct flow graph,the signal processing blocks can be easily connected into a complete signal processing system; also,based on the practice of scientific research projects of teachers,a variety of application-oriented exploratory experiments can be carried out.By exploring the experiments in the form of organizing open research group,and reforming experimental course assessment methods and evaluation mechanisms,the comprehensive improvement of forms and effects of experimental teaching can be achieved and it will help to culture comprehensive and innovative professionals in the fields of electric engineering and information science.

GNU radio； signal analysis and processing； exploratory experiments

2016-06-27

浙江省自然科學基金項目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項目(Y201533326)；浙江省實驗室工作研究項目；浙江大學本科實驗教學自制儀器設備項目；德州儀器(TI)產學合作協(xié)同育人項目；美國國家儀器(NI)產學合作協(xié)同育人項目。

張建良(1984-)，男，河南新野人，博士，講師，研究方向為信號分析與處理、復雜工業(yè)系統(tǒng)的分析與控制。

Tel.:0571-87952707； E-mail: jlzhang@zju.edu.cn

G 642.0

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：1006-7167(2017)07-0172-03