通信原理教学改革与HackRF的应用探索.pdf

Jun.20232023年6 月JOURNALOFDONGGUANUNIVERSTTYOFTECHNOLOGYVol.30No.3第30 卷第3期学院学报东莞理通信原理教学改革与HackRF的应用探索刘婵梓！周清峰1*吴健健？彭炳坤1（1.东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞523808;（2.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009)摘要：面对通信工程专业对新技术的需求和现有课程、教材覆盖的部分知识过时的矛盾以及如何提高学生理论知识和实际动手能力差的矛盾等问题，文章立足于专业课程体系设置，以“通信原理”课程的教学过程为例，秉承“抓5 G，强动手”的教学改革思路，建立以实践应用能力培养为目标的教学理念，构建从学生到通信工程师转变的知识体系，辅以HackRF作为实训手段进行新型“项目式”教学方式和思维导图等可视化工具帮助学生理解通信系统各部分的概念及各知识点之间的逻辑关系，加深其对通信过程的理解，有助于提升通信类课程的教学质量和学生的自主学习能力和实践能力。关键词：课程体系；HackRF；思维导图；教学实践中图分类号：G642.1文献标志码：A文章编号：10 0 9-0 312（2 0 2 3）0 3-0 131-0 62021年11月，工信部发布“十四五”信息通信行业发展规划，力争“十四五”时期建成全球规模最大的5 G独立组网网络，5 G用户普及率从2 0 2 0 年的15%提高到5 6%。该规划描绘了信息通信行业发展蓝图，但是面对当下中美“芯片大战”升级、5 G商业价值还需兑现，市场格局有待优化等的现状，都对通信和信息处理专业复合型人才的培养提出了更高要求-2。现时高校讲授的通信原理课程内容是最基础的理论，多以2G和3G时代的知识为主，课程理论性强、知识点多、数学模型抽象、对先修课程要求高；而通信知识更新换代快，以5 G/6G为首的下一代无线通信技术蓬勃发展，不断有大量的前沿技术进入实际应用，校园知识更新速度跟不上产业和时代的发展。如笔者所在高校通信专业为例，基础实验多采用硬件电路实验箱的方式，如电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术等课程的实验，所用元器件均已经封装进实验台，需要学生到固定的实验室进行实验，或要求掌握EDA软件（如Multisim），对典型模拟电子电路进行基础的仿真分析和调试。课程设计和综合实践类课程多采用仿真设计的方式，如通信原理综合实践主要依靠电脑、matlab软件和示波器；通信系统综合课程设计主要包括示波器、直流稳压电源、信号发生器、电烙铁、万用表和电脑，其中电脑主要用来安装串口通信、电路仿真、单片机编程软件等。教学灵活性较差，缺少编程经验的学生很难去独立开发，编程基础较好的同学也缺少发挥的空间。表1不同高校完成HackRF实训人数对比学校学年/学期班级人数参与人数完成人数合肥工业大学2014-2015/2100人1818东莞理工学院2018-2019/2156人20以合肥工业大学与东莞理工学院对比，通信原理课程的教学过程中，以基于HackRF的软件无线电平台为基础，鼓励学生参与相关实验任务。合肥工业大学上课人数10 0 人，最终18 人愿意参与，完成人数也是18 人；东莞理工学院上课人数15 6 人，最终2 人愿意参与，完成人数0人，见表1。经和学生的交流、与学院专任教师讨论发现，课程设置和开课学期不够合理，学生的动手能力没有得到充分锻炼，故无法完成任务。可见，优秀通信工程师的培养，离不开合理的人才培养体系。因此，通信工程专业如何因材施教，收稿日期：2 0 2 2-10-10基金项目：东莞理工学院2 0 2 0 年校级质量工程项目“通信工程系AINet教学团队”（2 0 2 0 0 12）。作者简介：刘婵梓（198 7 一），女，湖南常德人，讲师，博士，主要从事信号传输与检测、电路分析研究，Email：l i u c z d g u t.e d u.c n。*通讯作者：周清峰（197 8 一），男，江西上饶人，教授，博土，主要从事数字图像处理、无线调制技术、分布式能源控制技术、压缩感知物联网技术、机器学习无线传输技术等研究，Email：e n z h o u q i n g f e n g g m a i l.c o m。2023年132工学院学报东莞理结合学生水平和业余时间，进行专业综合课程设计是一个呕待解决的问题本文探索通信工程专业知识体系构建，研究通信原理课程开放式及创新式教学方法，寻求更加贴近实践的通信工程师培养模式，培养具有较强的实践动手能力、项目规划经验、较好的合作与沟通能力的通信技术人才，为东莞理工学院通信工程专业的学科建设夯实基础，为学校所在城市下一代移动通信技术的开发及产业化提供高素质应用型人才，以应对未来信息技术及产业布局国际竞争的挑战。具体来说，通过企业、兄弟院校和专任教师的讨论以形成通信工程专业人才培养方案，以基于HackRF的软件无线电平台为基础3】，通过项目化的方式让学生参与到通信实验中来，同时结合思维导图，总结各个知识点及每个知识点与新技术之间的区别和联系，帮助学生成长为通信工程师。通信工程师知识体系构建东莞理工学院通信工程系为更好地培养卓越通信工程师，走访相关企业（如VIVO、华为等）进行深入调研，邀请行业专家、企业雇主和毕业生代表参与讨论，和专任教师共同确定了通信工程专业的课程体系，如图1所示（人文社会、英语、体育、政治、通识类课程没有在图中体现）。大一上大一下大二上大二下大三上大三下大四高等概率论与信号与系统通信原理模式识别数学下数理统计与人半智能高频电数据通信基础高等线性夏变丽数与线路开线设计基础华业数学上代数积分变换同电磁场与电磁波实习2数字信计算机网络普通普通号处理信息论与编码技术物理学1物理学2嵌入式系统EDA技设原理术基础物联网技术与大数据电路分模拟电数字电滤波器设计析基础子技术技术电路设计5G核心技术写置VBA编程基础射频通信电路设计模拟电子技数字电子技微机原理与高级语言术课程设计术课程设计单片机技术DSP系统设计Linux系统开发及应用程序设计MATLAB数字图像处理微机原理与与应用单片机技术微波技术基础毕业设计通信工程电工实习课程设计学科竞赛传感器与检测技术JAVA语言及通信系统开发应用通信工程综合设计A宽带无线数字通信专业基础认识实习通信系统实茂项目Python语言及综合设计C生产实习开发应通信系统金工实习毕业实习1综合设计B数学类课程专业必修课程实践教学专业选修课程图1通信工程专业课程体系构成1.1循序渐进的课程设置按照通信专业的课程特色，突出课程之间的基础和延伸的关系，构建了由“课内教学+实践拓展”组成的学习体系，形成了突出工程实践能力以及创新能力的课程架构体系。大一新生先学习电路分析基础课程，为后面的模拟电子技术和数字电子技术打下基础；高等数学、线性代数等数学课程的学习，为后续专业课课程的理解打下基础；通信工程科学竞赛让学生了解有通信特色的大学生竞赛以及需要掌握的知识，高级语言程序设计和通信工程专业基础实践项目既可以加深学生对编程语言的了解，尽早参加竞赛，又可以通过较为基础的实践项目，提高学生的兴趣和动手能力。在大三上通信原理的教学中，数电、模电、单片机原理以及高级编程语言都是先导课程，为软件无线电工具HackRF的实践教学打下理论和工程基础。1.2从第五学期开始，减少必修课程，增大选修课程的比例充分尊重学生的兴趣点和个体差异，给学生更多学习自主权。如5 G核心网技术，在通信技术飞速发展的情况下，加5 G通信中的关键133刘婵梓，等：通信原理教学改革与HackRF的应用探索第3期技术，对学生了解行业发展和找工作是极为有利的；如数字图像处理，通过通信工程中专业必修课的学习，对信号处理（如傅里叶变换）等知识已经有了一定的了解，将信号处理的相关技术与图像处理结合起来，对未来从事基于机器视觉的图像处理，图像压缩标准等工作非常有好处；如Python语言及应用开发、JAVA语言及应用开发、Linux系统开发及应用等编程类的课程可以让学生更多的了解产业界的需求，实现学生“找工作”和企业“招员工”的双向互赢。HackRF的实践综合了数字电子技术、通信原理、移动通信技术、高频电子线路、数据通信基础等课程的内容，通过设计综合性试验，为大四学生通信综合实训和毕业设计提供绝佳的实验平台。我国通信行业正处于蓬勃发展的时期，需要大量具有创新精神、良好工程素质的通信工程师，如图1所示的通信工程专业课程体系构成，既能够为学生提供行业技术前沿的课程，又能够以“强动手”为教学改革思路，将原本“枯燥”的课程变得“有趣”和“生动”。同样一个知识点，先从课堂教学讲解理论知识，再由课程设计给学生们掌握实际操作，最后由综合系统设计和竞赛保障学生能够灵活应用相关知识，实现毕业生和产业界的无缝衔接，保证学生毕业能就业。2基于HackRF的软件无线电平台及其在教学中的应用软件无线电（SoftwareDefined Radio，SD R）是一种基于软件定义的无线通信协议，具有可重新编程和可重构的能力，使设备可以使用于多种标准、多个频带和实现多种功能。它不用完全更换硬件，频带、空中接口协议和功能可以通过下载和更新来完成升级。笔者所在高校是一所应用型的普通本科院校，通信工程专业的本科人才培养方案中，将实践课程的比重提高到了30%以上，因此，结合软件无线电技术进行通信工程专业的实践教学，可以加深学生对理论知识的理解，又可以提高他们的实践能力和对项目分工与团队合作的理解4-5一个相对完整的SDR平台主要包括以软件为中心的SDR架构和SDR硬件结构两个方面。其中，以软件为中心的SDR最受欢迎的两类开源平台分别是开源软件定义无线电（GNURadio）和开源软件通信体系框架嵌人式解决方案。硬件结构SDR要求硬件系统具备支持多处理器系统，结构模块化、标准化、规范化等特点。现在主流SDR硬件平台结构包括GPP（G e n e r a l Pu r p o s eProcessor）、FPG A（Fi e l d-Pr o g r a m m a b l e G a t e A r-ray），以及它们的结合等。鉴于基于CPP的SDR结构灵活性大、易于开发、初学者容易上手，选择GPP搭配GNURadio，搭建基于HackRF的SDR系统模型，如图2 所示，便于学生能够快速尝试一系列算法，且方便直接接人学生的个人电脑进行开发与测试，简单快速地构建一个实时、高容量的无线通信系统。HackRF One 是由Great Scott Gadgets 创建和制造的SDR半双工收发器6 ，因其硬件和软件的开源，支持的操作范围涵盖了10 MHz至6 GHz频段范围。如图2 所示，本文采用的HackRFOne硬件主要由以下六部分组成：1）微控制器（Mi-croControlUnit，M CU）LP432 0/4330 2）复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）XC2 C6 4；3）数转换器（Analog-Digital Converter/Digital-Analog Converter,ADC/DAC）M A X5 8 6 4；4）无线变频收发器（WirelessFrequencyConverterTransceiver,WFCT)MAX2837；5）混频器（Mixer）RFFC5 0 7 2：提供80MHz到42 0 0 MHz的本振；6）可编程任意CMOS时钟生成器Si5351B：产生从2.5 kHz至200MHz的任意时钟输出。基于HackRF的软件无线电平台如图2 所示。在发射端，电脑作为无线通信系统的发射端，通VPAADC/USBMCUKCPLDKWFCTkMixerDACLNA时钟信号图2HackRFOne架构图2023年134东莞理工学院学报过USB接口与微控制器LP4320/4330通信。微处理器接收电信号，并发出电信号做出决策，传递至CPLD。CPLD 和FPGA都属于可编程逻辑器件，鉴于CPLD可在电路板上直接对芯片进行编程，可以选择XC2C64器件。模数转换器实现数字信号和模拟信号之间的转换，MAX2837可以实现变频，集成了实现射频收发器功能所需的全部电路。RFFC5072混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，将信号频率由一个量值变换为另一个合适的频率信号。射频前端采用一级功率放大器（PowerAmplifier，PA）放大功率，并最终通过射频开关与天线连接。在接收端，信号由天线进入后，先经过低噪声放大器（Lo w No i s e A mp l i f i e r，LNA），提高输出信号的信噪比。混频器位于LNA之后，直接处理LNA放大后的射频信号。接下来的过程是发送端的逆过程，时钟信号保证相关的电子组件得以同步运作。HackRFHackRFGNURadioGNU Radio编程环境编程环境图3系统模型框架图本文利用图3中的实验环境，为学生设计了相关实验任务，部分如表2 所示。表2通信原理一软件无线电实验主题表实验名称实验内容实验形式基于HackRF的FSK调利用FSK调制实现文本文小组合作制解调通信分析实验件的发送与接收基于HackRF的模拟调利用幅度和角度模拟调制小组合作制解调通信分析实验解调方法实现信号的收发基于HackRF的QAM调利用QAM调制解调方法小组合作制解调通信分析实验实现图片的发送与接收采用8 0 2.11a系统物理层基于HackRF的OFDM的参数，实现OFDM系统小组合作系统仿真的仿真基于HackRF的私网让手机可以在私网LTE基小组合作LTE基站站下拨通电话基于HackRF的GPS欺实现基于HackRFone伪造小组合作骗实验GPS信号的发送和接收基于HackRF解调TDD-实现TDD-LTE信号的发小组合作LTE信号送与接收虽然课堂上老师详细讲解了相关知识点，但学生在动手实践时，依然会遇到各种各样的困难【7 。因此，可以采用“提前预习一教师课堂讲授一线上线下互动一项目化实验”的四层逐级推进式教学思路。从线下到线上，先通过思维导图总结该章节内容和与实践知识点之间的联系，再基于HackRF完成相关实验任务。从理论一实践一团队合作，进行三维度多层次的知识融合，最后通过项目展示形成知识的闭环8 1。这种方式不仅可以让学生更好的梳理知识点之间的因果关系，更可以锻炼学生互帮互助的团队精神和动手能力，有助于培养能够在多学科背景下的通信工程项目团队中勇于承担团队成员和负责人角色的能力以基于HackRF的FSK调制解调通信分析实验为例，说明利用HackRF进行通信原理课程实验的过程。教学过程如下：学生提前预习，教师在课堂上讲解FSK（Fr e q u e n c y Sh i f t K e y i n g）相关原理，引导学生以思维导图的形式总结FSK技术的优缺点，最后以小组的形式完成基于HackRF的FSK调制解调通信分析实验。实验过程如下所示：1）利用计算机网络的相关知识，将要发送的文件封装成顿；2）利用通信原理的相关知识，通过FSK调制与解调实现文件的传输；3）综合单片机与微机原理、模拟电子技术和数据通信基础的相关知识恢复原始文件。如图4所示，首先将带发送的文件封装成顿，有助于学生加强对顿结构的了解；然后进人HackRF发送环节：数据转换能够将字节数据类型转化，方便后面的数据操作，将数据转化为多电平符号流有多种波形可以选择，有助于学生理解课堂内容；接着进人FM调制模块。如发现调制后的波形不太好，鼓励学生多种方法解决问题；最后通过HackRF发送出去。HackRF发送文件数据转换多电平符号流FM调制头数据大数据图4基于HackRF的FSK调制解调通信过程图接收端正好反过来，通过利用基于HackRF的软件无线电平台，实现了文件的发送与接收，有助于学生掌握无线通信系统的调制与解调、信道编译码原理等，更大程度上提炼了各门课程之间的循序渐进的学习关系，帮助学生更好的理解知识体系架构，也为下一步的实习、考研、工作打下基础。135刘婵梓，等：通信原理教学改革与HackRF的应用探索第3期3特色创新面向通信工程专业的学生，以通信原理课程为例，引人基于HackRF的“口袋实验室”由学生自愿组队，五人一组，配置一套HackRFOne开发板及工具箱，引导学生在已有知识的基础上，多观察、多动手、多分析和总结，自主地学习和掌握更多、更新的知识，鼓励团队合作，分工完成实验课程的学习。基于HackRF的软件无线电平台在实验课程体系中的创新体现在如下方面。3.1知识结构可视采用可视化工具比如思维导图将复杂的通信发展过程、原理知识和重难点可视化、图像化，呈现出各经典通信理论和关键技术原理之间的继承、发展与演进关系。如图5 所示，以5 G接人网的基站发展为例，最早的基站包括BBU（室内基带处理单元）、RRU（遥控射频单元）、馈线（连接RRU和天线）和天线组成。BBU和RRU是打包塞在一个柜子或一个机房里的。启发学生思考为什么把RRU和BBU拆分了；进一步理解RRU不再放在室内，而是和天线放在一起，这种分布式无线接人网的好处是什么。随后，BBU被集中放进了中心机房，所有的实体基站变成了虚拟基站。引导学生思考从实体基站，到虚拟基站的原因、优点及未来可能的发展方向。再如5 G核心网，2 G时代主要靠移动交换中心（MobileSwitchingCenter，M SC），只能打电话发短信，从2 G过渡到3G，开始有了PS（Pa c k e tSwitch）核心网，将用户面和控制面区分开来，虽然速度不快，但是用户可以发送语音数据和视频流数据了。PS核心网将网元设备的功能细化和IP化，可以分为SGSN（Se r v i n g G PRS Su p p o r tNode）和 GGSN（G a t e w a y G PRS Su p p o r t No d e）。到了4G时代，SGSN演变成了MME（M o b i l i t yManagement Entity），CCSN变成 SGW（Se r v i n gGateway）/PCW（PD NG a t e w a y），提供更强大的多媒体服务（语音、视频、视频电话等）且用户体验较好。随着虚拟化时代的到来，5 C核心网开始采用基于服务的架构，模块化、软件化。引导学生通过图5 所示的思维导图，描述和总结5 G接入网和核心网发展的交替更送，理解当前知识点的同时，思考下一步知识走向，帮助学生理解通信原理知识点之间的联系，重构和运用抽象理论知识，促进新知识的获取与现有知识结构的整合和融汇贯通BBU+RRU+馈线+天线2G:MSCIP化BBU和RRU拆分3G：PS交换SGGM+GGSN网元设备细化RRU和天线放在一起接人网5C核心技术核心网4G:MME+SCW/PGWBBU放在中心机房硬件：虚拟化平台5GCU+DU+AAU软件：基于服务的架构图55G接入网和核心网发展历程3.2理论联系实践教师精心总结相关知识点，提炼出涉及多学科多章节内容的实践课题，利用HackRF平台完成基础型、综合型和创新型的实验项目提高教学质量。基于HackRF的软件无线电平台体积较小，学生可以把“口袋实验室”带回宿舍，既方便上课内容没有十分掌握的同学课后复习，又便于学有余力的同学在此基础上开发新的项目，将学多少、学到什么程度的决定权从教师转移给学生，提高学生的积极性5 3.3改进效果明显采用开源GNURadio软件平台+HackRF硬件平台的方式，既可以实现通信原理课程基本理论的验证，还可以进行其他创新性实验，如无线电监听、信号处理、追踪轨迹、无线射频识别等。笔者2 0 19学年开始在通信原理教学中实施该教学思路和实验方法，实际教学情况以及学生的课后反馈意见表明，该平台和教学方法可以让学生更好的理解通信过程、信号传输与处理等内容，“口袋实验室”的方式还能激发和增强学生的学习热情、创新能力和团队合作能力，学2023年136东莞理学院学报生的实践创新能力和学习能力大幅提高。如后续指导的该班级学生的毕业论文，基于V-BLAST的通信系统设计与仿真、基于直接序列的扩频通信系统仿真等，均能够快速完成，反馈良好；其中一名学生申请并获批了新型实用专利一种模拟信号处理的汽车挡雨装置；多名学生参加了全国大学生电子设计竞赛、“大唐杯”全国大学生移动通信5 G技术大赛等并获奖。这种理论、实验加拓展实践的方式，极大的挖掘了学生的潜力，为学生参加学科竞赛和创新创业大赛打下了基础，改进效果明显，有助于东莞理工学院“卓越工程师”和创新性人才的培养。4结语探索通信原理课程的开放式及创新式教学方法，探索更加贴近工程实践的通信人才培养新模式，培养具有创新能力和项目规划经验的通信工程师。通过采用思维导图的方式，让学生总结知识点的“前世今生”，使得教学主题鲜明，古今通信发展史汇成一条“连续的”河流，将难点变得有趣；课程的实验项目采用开源GNURadio软件平台+HackRF硬件平台的方式，让学生既容易人手，又能理论联系实践做到融会贯通，提高动手能力，更好的衔接校园与产业界，为我校通信专业的学科建设发展夯实基础，为东莞市乃至广东省下一代移动通信技术的开发及产业化提供新生代高素质应用型人才，以应对未来信息技术及产业布局国际竞争的挑战参考文献1黄光亚，徐倩，邓小飞.本科“软件无线电技术”课程的教学设计与实践J.教育教学论坛，2 0 2 0，11（38）：2 15-2 17.2李登国.基于VPX架构的软件无线电通信平台设计J.电子技术，2 0 2 0，4（2）：112-113.3陈翔，曾祥健，邱继云，刘敏.基于软件无线电的RFID教学实验平台J.教育教学论坛，2 0 2 0，11（45）：37 3-37 6.4余亮亮，杨智明，俞洋，等.基于软件无线电的通信原理平台设计J.江苏通信，2 0 2 1，36（1）：46-495袁磊，庞苇.基于树莓派的软件无线电平台在无线通信实验教学中的应用J.实验技术与管理，2 0 2 1,38（5）：2 13-2 16.6彭丰.软件无线电技术特点及其应用J.电子测试，2 0 2 1,2 7（6)7 1-7 3.7陈洁，仲雪飞，杨兰兰，等.基于口袋实验室的实践教学模式改革探索J.电气电子教学学报，2 0 1941（2）：8 9-92.8江小敏，邓成良，王善进，胡耀华.卓越工程师培养探讨寸以通信工程专业为例J.东莞理工学院学报，2 0 18，2 5（1）：116-119.Teaching Reform of Communication Principlesand Application Exploration of HackRFLIUChanzi1ZHoUQingfeng1*wUJianjian?PENGBingkun(1.School of Electrical Engineering&Intelligentization,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China;2.School of Computer Scierce and Information Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract Facing with the contradiction between the demand for new technology in communication engineering major and theoutdated knowledge covered by existing courses and teaching materials,as well as the contradiction between how to improvestudents theoretical knowledge and poor practical skills,this article is based on the setting of the professional curriculum system,the teaching process of“Communication Principles course as an example,adhering to the teaching reform idea of“embracing 5Gand strengthening hands-on,establishing the teaching concept of practical application ability training,building the knowledge sys-tem from students to communication engineers.By supplementing with hackRF as a practical training tool,we develop a new“pro-ject-based teaching method.The visual tools such as mind map help students understand the concepts of each part of the communi-cation system and the logical relationship between each knowledge point,and deepen their understanding of the communicationprocess,which helps to improve the teaching quality of communication courses and studentsindependent learning ability and practi-cal ability.Key wordscurriculum system;HackRF;mind map;teaching practice