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摘要：为了充分发挥实验在通信抗干扰教学过程中的效能，提出了层次化实验体系结构。结合通信抗干扰课程特点，在阐述了多层次实验设置原则的基础上，从演示验证、自主编程、创新设计等几个方面详细给出了层次化实验的构建和实施方法。实践表明，该方法能有效提高通信抗干扰课程的教学效果。
关键词：层次化实验；通信抗干扰；教学改革
本文引用格式：郭明喜,等.层次化实验体系在通信抗干扰教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(97):148-149,152.
一 简介
“通信抗干扰技术与应用”是陆军工程大学通信工程本科专业各方向学员的专业背景课程以及大专和任职培训学员的重要专业课程。该课程涉及知识面广，很多概念和原理比较抽象，学生学习起来普遍比较吃力[1,2]。而在教学过程中全方位引入实验模块，一方面可以变抽象为直观，增强学生学习兴趣，提高教学效果，另一方面也可以培养学生理论联系实际的能力。同时也与“国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)”提出的高等教育要“强化实践教学环节、提高人才培养质量”的要求相适应[3]。
本着“注重基础、强化实践、引导创新”的原则和“循序渐进、灵活多样”的实施方法，结合通信抗干扰技术教学内容我们设计了多层次的实验体系。所谓多层次包括两方面含义，一是在实验类别上有层次之分，包括演示验证、自主编程和创新设计等多个层次；二是在具体实验内容的设置上也有由简到繁、由易到难的层次之分。
二 层次化实验体系的构建和实施
为便于实施，我们重点构建了基于计算机模拟完成的通信抗干扰实验，其中的演示验证实验采用ELANIX公司的SystemView软件（被Agilent收购后改名为SystemVue）完成，该软件体积小，安装使用方便；自主编程实验则采用MathWorks公司的Matlab/Simulink软件，而创新设计型实验则是基于NI公司的USRP软件无线电平台展开，学生在计算机上通过GNU Radio、Labview、Matlab或者Python语言完成配置、编程和调试工作。自编的实验指导书既可指导学员一步一步完成演示验证实验，也可引导学生开拓思维、完成自主设计实验。
（一）基于SystemView的演示验证性实验
演示验证型实验属于最简单的一类实验，利用SystemView软件的模块库资源，结合抗干扰技术原理，搭建动态仿真系统，可以直观的观测系统波形[4]。以直接序列扩频通信系统为例，搭建系统如图1所示。
仿真中加入了干扰信号源，通过观察解扩后的信号波形和原输入信号波形，可以直观检测直扩系统的抗干扰性能。这里的干扰信号可以是单频窄带干扰，也可以是宽带扫频干扰，或宽带噪声干扰。通过不断加大干扰信号的幅度，直到不能准确恢复出原信号，由此可以直观理解干扰门限的概念。
通过SystemView搭建的动态仿真系统，参数调整方便，波形展示直观，可以快速验证所学理论，既便于学员课下自行体会，也可用于课堂教学演示。此类实验主要基于软件既有模块构建，操作简单，主要目的在于增加学生的直观感受，但缺点是学生参与度相对较低。
（二）基于Matlab/Simulink的自主编程型实验
Simulink是Matlab下的一个软件工具箱，主要用来对动态系统进行建模、仿真和分析，其最大的特点是模块库丰富，且简单易学，可扩展性强，可利用m文件编写自定义模块，使用相当灵活。该层次实验可以用来快速验证一些新的抗干扰通信技术，比如变速跳频通信系统作为一种新型抗干扰技术，它能够以现有的跳速和组网规模实现有效的抗跟踪干扰的目的[5]，为检验该新技术的抗干扰能力，可构建如图2所示的实验系统。
其中，变速跳频子模块和干扰子模块（图2中加黑模块），既可用Simulink模块库搭建，也可用m文件自行编写代码实现，灵活实现各种复杂的变速跳频系统和不同的干扰信号源。此类实验需要教师提前做好规划，根据教学内容设计“易、中、难”三个层次的实验。学生需在熟悉了相关技术理论及其实现方法后实施，教师根据不同层次提供基本模块、简单实例或者实现框架，循序渐进引导学生完成实验设计。学生则根据个人情况，选做不同层次的实验，充分调动其积极性，此类实验学生自主参与程度明显提高。
（三）基于软件无线电平台的创新设计型实验
软件仿真实验主要用于检验抗干扰技术或算法的有效性和可靠性，仿真时往往有很多理想化的假设条件，比如系统同步、干扰信号的产生和加载等，与实际抗干扰通信系统还有较大差距。为了更加贴近实际应用，我们构建了基于USRP的软件无线电抗干扰实验平台，如图3所示。
该实验平台的核心部件采用NI公司的USRP 2920，其工作频段为50 MHz-2.2 GHz，中心频率可调，基带I/Q带宽20 MHz，瞬时带宽最高40MHz。其中两台USRP分别充当发射机和接收机，另一台作为干扰机产生干扰信号。USRP作为计算机外设，由计算机的CPU完成所有跟波形相关的信号处理工作，比如调制解调、编码译码、干扰信号产生、抗干扰算法的实现等，而诸于数字上下变频、采样、内插和射频信号处理等都由USRP完成[6]。系统配有常用的通信信号处理模块以及干扰信号产生等基本演示程序，具体的抗干扰技术或算法需要学生利用GNU Radio、Labview、Matlab或者Python语言自行编程实现。该平台不仅可以用来检验经典的跳频、扩频等常规抗干扰技术的效果，也可以用来设计和检验各类新型抗干扰技术。实验过程中，也可借助示波器、频谱仪等设备观测通信信号和干扰信号的时域、频域波形。
此类实验难度大，不仅需要深刻理解具体抗干扰技术的原理和实现细节，还需要掌握USRP开发的基本方法，包括GNU Radio、Labview、Matlab或Python等开发软件的使用和调试，一般需由多人组成团队协作完成，可在课程后期或课程结束之后的通信抗干扰综合实验阶段实施，也可作为学生科技创新或毕业设计工作的一部分。
三教学效果
在通信抗干扰课程的教学过程中引入层次化实验体系，不仅有助于加深学生对抽象技术和原理的理解，更重要的是能加强对教学的过程管理，简单易用的基于Systemview的演示验证性实验可作为随堂作业布置，随学随练，贯穿教学全过程；自主编程以及创新设计实验可预先发布实验提纲，由学生根据个人实际情况或组队选择适当层次的实验内容，提前准备，完成实验的过程也基本贯穿整个学期。几年来的实践结果表明，该层次化实验体系的实施，能有效提高通信抗干扰课程的教学效果，同时也大大提高了学生的编程仿真和动手实践能力，为走上工作岗位或进一步深造奠定了基础。
参考文献
[1]王世练,库锡树,凌云翔.“抗干扰通信”一流课程建设的实践与思考[J].大学教育,2014,6:85-86.
[2]张邦宁,魏安全,郭道省.通信抗干扰技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[3]肖平,杨华,张莹.基于多层次人才培养的实验教学改革实践[J].实验室科学,2017,6(20):133-135.
[4]戴志平,梅进杰,罗菁,等.Systemview数字通信系统仿真设计[M].北京:北京邮电大学出版社,2011.
[5]那丹彤,赵维康.跳频通信干扰与抗干扰技术[M].北京:国防工业出版社,2013.
[6]顾朝志,李世宝,蔡丽萍,等.基于通用软件无线电的通信专业实验实践平台建设[J].教育现代化,2018,5(52):175-176.
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