“隨機信號分析實驗”在線教學設計

付衛紅 劉乃安 韋 娟 黑永強

(西安電子科技大學 通信工程學院,西安 710071)

2019年12月,“新冠”病毒悄然肆虐,很多學校無法正常開學。突如其來的新冠肺炎疫情迫使高校開啟了線上教學模式,推進了高校在線教學的大規模開展[1-3]。截至2020 年5月8日,全國1454所高校開展了在線教學,103 萬名高校教師開出107萬門在線課程,參加在線學習的大學生達到1775萬人。在新冠疫情爆發的特殊時期,網絡科技教學平臺為線上教學的實施提供了優質的服務,教師和學生可以通過手機、電腦等完成相應的教與學任務[4-5]。一般的理論課程只需要選擇合適的軟件平臺就可以實施教學任務,比如超星學習通、QQ班級群、雨課堂、騰訊課堂、釘釘會議等,教師提前將上課所需PPT以及相關資料上傳到選擇的軟件平臺,以供學生們進行課前預習和課后復習。上課過程中教師還可以通過平臺發送問題或試卷與學生進行互動,從而實時掌握學生的學習效果。通過這種在線教學方式就能夠在不聚集的情況下較好地完成理論課程的教學任務。然而,高等教育中,對人才的培養,不僅僅是理論知識的學習,更重要的是實踐能力的培養,因此高等教育中實驗教學任務的順利完成對人才的培養至關重要[6-7]。實驗課程與理論課程的特點有所不同,實驗課程強調的是培養學生的實踐能力,以及運用所學的理論知識解決實際工程問題的能力。單純的通過在線軟件平臺給學生講解理論知識的教學模式顯然無法滿足實驗教學的要求?！半S機信號分析實驗”是西安電子科技大學通信工程、信息工程專業的一門必修實驗課,其內容包含隨機信號的分析、測量,以及通信系統的設計實現和仿真等內容。如何在“新冠”疫情背景下,通過合理的教學設計,在師生無法聚集到實驗室進行面對面教與學的條件下,完成該實驗課程的任務,同時又能達到培養學生動手實踐能力的目的是一個值得思考的問題。

1 “隨機信號分析實驗”教學內容

傳統的“隨機信號分析實驗”課程通過課堂講授、學生課上課后動手實踐以及課上答疑的授課方式,利用專門研制的實驗箱和專門設計的實驗項目,對各個分系統的工作原理、組成、性能進行分析、測試,使學生們認知各種通信系統中隨機信號的特性。通過實驗,掌握通信工程中常規測量儀器的使用方法;配合典型實驗系統學習系統主要性能指標的測試要領,豐富和拓寬學生對系統定性、定量分析方面的知識,使學生接受工程訓練。

“隨機信號分析實驗”是開放性、綜合性、設計性實驗。實驗內容分為三大部分:濾波器的設計及測量分析實驗、基于Matlab信號產生及分析實驗、基于FPGA的通信系統綜合性設計實驗。該實驗課程實施過程中,將學生以 3人為一組進行分組,每一組需要完成三部分的實驗內容。以分組的形式進行實驗的目的是培養學生團隊協作的能力。不同組之間需要完成的三部分的實驗具體內容不完全相同,這樣可以避免不同組之間相互抄襲。下面簡單介紹三部分實驗的具體內容。

第一部分是濾波器的設計及測量分析實驗,該實驗要求學生設計一個滿足一定指標要求的濾波器,用Matlab仿真軟件仿真該濾波器的輸入、輸出信號時域、頻域特性以及系統傳遞函數,然后在面包板上搭建該濾波器,并利用信號源和示波器等設備對濾波器的輸入、輸出信號的時域波形、頻域波形以及濾波器的幅頻特性進行測試,最后對測試的結果以及理論分析的結果進行對比,如果二者存在偏差,需要分析可能存在的原因。設置該實驗的目的是培養學生利用理論課上學到的知識進行分析問題、解決問題的能力,同時鍛煉學生動手操作的能力以及常用儀器設備的使用能力。

第二部分是基于Matlab的信號產生及分析實驗,要求學生利用Matlab軟件,產生不同的隨機信號,并對信號特性進行分析和仿真。由于隨機信號分析數學公式推導較多,學生知識有限,難以將抽象的數學表達式與實際信號聯系起來,利用Matlab工具可實現學生理論知識驗證和程序設計能力的提高,加深學生對“隨機信號分析實驗”這門課程的感性認識,包括白噪聲時域和頻域的表現、隨機信號的統計特性、隨機信號通過線性和非線性系統后的特性、窄帶隨機信號特性等的認識。

第三部分是基于FPGA[8]的數字調制信號產生及測量分析實驗要求學生利用學到的通信原理相關的知識,在FPGA開發板上實現一個數字調制系統,也就是以硬件的方式產生通信信號,并用示波器觀測信號波形和頻譜特性。該實驗目的是培養學生將所學的理論應用到實際的實踐能力,以及系統設計、實現、測量、分析的能力。該實驗是一個綜合性、設計性的實驗,綜合性表現為學生需要綜合運用學習的“通信原理”“信號與系統”“數字電路”等相關課程內容,設計性表現為學生可以在備選題目范圍內自由選題,自行設計實現方案并實現。

2 “隨機信號分析實驗”在線教學設計

2.1 實驗理論知識以及具體要求

“隨機信號分析實驗”課程相關的理論知識大部分都在相關的理論課程中學習過,比如“通信原理”[9]、“數字信號處理”[10]、“隨機信號分析”[11]、“信號與系統”、“電路基礎”等。此外,本實驗課程屬于綜合性設計性的實驗,它與驗證性實驗有所不同,驗證性實驗需要學生嚴格按照實驗要求和步驟進行實驗操作,最后得到預期的實驗結果,并對結果進行分析。本實驗安排給學生的實驗任務有很高的自由度,學生根據實驗要求,可以設計自己個性化的實驗方案,得到不同的實驗結果。因此該實驗課,需要教師講解的內容并不是很多,只需在開始實驗之前,利用軟件平臺,比如騰訊課堂給學生在線講解實驗內容的具體要求以及關鍵的知識點,然后通過平臺將實驗所需的資料發送給學生。在該環節,如果部分學生不清楚具體的實驗要求,可以通過騰訊課堂互動聊天框進行提問咨詢,教師會針對學生們的問題進行解答。

實驗任務包括三部分實驗內容,學生根據三部分實驗內容的具體要求,在課下進行實驗內容的預習,制定實驗方案,撰寫預習報告。在第二次線上實驗課時,教師會分組檢查學生們的預習報告,查看實驗方案是否合理,然后給每組學生以在線視頻的方式進行反饋,指出實驗方案中存在的問題,給出合理的建議。教師在對某一組學生進行實驗方案反饋的時候,其他組的學生可以根據設計的實驗方案開始自己的實驗,過程中有任何問題都可以通過騰訊課堂提問。該實驗課程總體實施方案如圖1所示,下面分別介紹三部分實驗內容在線教學的實施過程。

圖1 “隨機信號分析實驗”在線教學實施方案

2.2 濾波器的設計及測量分析

在線教學模式下,該實驗要求學生根據指標(如濾波器類型、截止頻率)要求給出設計的實驗方案,由于限制的條件不多,學生在設計方案時有很高的自由度,可以設計出個性化的實驗方案,比如對于低通濾波器的設計,學生可以自由選擇無源濾波器或有源濾波器,還可以自己決定采用一階濾波器或二階濾波器,具體參數的選取也可以根據具體情況自行決定。如圖2、圖3所示分別是RC無源低通濾波器和二階有源低通濾波器設計方案。

圖2 RC-π型低通濾波器電路圖

圖3 二階有源低通濾波器的電路

設計好濾波器的具體電路之后,第二階段學生就用Matlab仿真軟件仿真該濾波器的輸入、輸出信號時域、頻域特性以及系統傳遞函數。這一過程學生可以在自己的PC機上完成,這過程中有任何問題都可以通過在線互動的方式跟教師溝通交流,教師會全程在線隨時解答學生遇到的問題。

在傳統的線下實驗的過程中,該實驗的第三個階段是要求學生在面包板上根據自己的設計方案搭建一個真實的濾波器,并利用信號源和示波器等設備對濾波器的輸入、輸出信號的時域波形、頻域波形以及濾波器的幅頻特性進行測試,最后對測試的結果以及理論計算的結果進行對比分析。在在線教學模式下,學生無法使用這些真實的儀器設備,我們讓學生采用Multisim電路仿真軟件,根據設計方案搭建一個濾波器電路,然后利用虛擬的儀器比如信號源、示波器進行測量,Multisim中虛擬的儀器跟真實儀器的操作是一樣的,所以這種在線的實驗方式對學生動手實踐能力的培養是等同的。在這過程中,學生有任何問題也是可以通過在線語音、視頻的方式進行溝通,教師會全程在線關注學生實驗過程中的問題,隨時解答。

2.3 基于Matlab的隨機信號產生及分析

該實驗的具體內容有多個不同的實驗題目,由于學時的限制,要求所有的學生做完所有的實驗是不現實的?？紤]到不同的題目之間有一些共同的特點,都是利用Matlab仿真軟件,對各種不同的信號或者系統進行特性分析和測量。因此本實驗根據分組情況,不同的組指定1～2個必做的內容,其他內容可以根據自身情況選做。由于這部分實驗主要是利用Matlab軟件編程的方式來完成,因此學生可以利用自己的PC機,安裝Matlab仿真軟件就可以在線完成,在這過程中,有任何問題都可以在線溝通交流,教師會全程在線,關注學生的問題,隨時解答學生的疑問。

這部分實驗內容的開設主要是培養學生理論聯系實際的能力,對在“高頻電子線路”“通信原理”“隨機信號分析”“數字信號處理”等課程中學習到的理論知識有一個更深入的理解。比如在“高頻電子線路”課程中,我們學習了幅度調制信號的時域分析、頻域分析知識,從中可以知道當調制度m≤1時,AM信號具有包絡形狀與調制信號時域波形形狀一樣的特點,當m>1時,包絡形狀與調制信號時域波形形狀不一樣。此外,AM信號的頻譜結構與調制信號頻譜結構一樣,只是在頻率軸上的位置進行了搬移。在本實驗中,有一個題目就是要求學生產生一個AM調制信號,然后利用Matlab軟件分析該信號的時域波形、頻譜結構,學生就可以觀察到上述特點。同時,學生可以調整不同的參數來觀察這些參數對信號特性的影響,將其與理論分析結果進行對照,如果實驗結果與理論分析結論不一致,要求學生分析查找原因。通過這部分實驗的開設,盡管學生沒有進入實驗室,但是一樣能夠培養學生的編程實踐能力、理論聯系實際的能力、分析問題和解決問題的能力。

2.4 基于FPGA的信號產生與測量

該部分實驗要求學生根據通信原理中學習的數字調制技術,以FPGA的方式產生一個真實的數字調制信號(如ASK信號、PSK信號、FSK信號),并對信號特性進行測量和分析。這部分實驗不同組的學生任務不完全相同,比如有的學生做ASK信號的產生及測量,有的學生則做FSK信號的產生及測量,每個學生要求的具體參數(如載波頻率、碼元速率)要求也不同,這樣的好處是可以避免不同組之間相互抄襲。

該實驗的第一階段學生根據自己的任務要求,利用理論課上學習的數字調制原理,設計自己的數字調制系統方案,撰寫預習報告,教師會在第二次實驗課時檢查學生的設計方案,對存在的問題通過在線溝通的方式一一反饋。如圖4所示是2ASK調制的系統框圖。

圖4 2ASK調制的系統框圖

第二階段,學生利用自己的電腦,安裝一個Quartus II FPGA開發軟件,在該軟件下可利用原理圖、結構框圖、Verilog、AHDL和VHDL等方式完成電路的描述,然后利用modelsim工具進行仿真,觀察設計的系統輸出信號波形。在這個過程中,學生有任何問題都可以隨時通過騰訊課堂平臺跟教師進行溝通交流,教師會全程在線,關注學生的實驗情況,及時解答學生的疑問。

在傳統的線下教學模式下,第三階段學生可以將設計的工程文件下載到FPGA開發板上,就可以輸出真實的數字調制信號波形,然后利用示波器就可以對信號時域、頻域特性進行觀測。在在線教學模式下,學生無法將設計好的工程文件下載到FPGA開發板上,也無法使用真實的示波器進行觀測,我們這里采用的替代方案是將Quartus II 通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結合,將Quartus II中輸出的信號送入到Matlab平臺中,然后利用Matlab軟件對產生的數字調制(ASK/FSK/PSK)信號特性進行分析。

學生通過完成該實驗內容,就能知道一個最基本的數字通信系統是如何實現的,為以后設計其他復雜的通信系統積累了豐富的實踐經驗。該實驗內容的開設培養了學生的系統設計能力、工程實現能力、編程能力、分析問題解決問題的能力,此外,該實驗分組討論的實施方式,培養了學生的團隊協作能力。

3 “隨機信號分析實驗”在線實驗考核方式

“隨機信號分析實驗”考核方式采用多維度的考核方式,通過學生提交預習報告、實驗總結報告,程序代碼以及在線驗收答辯的方式考核學生多方面的能力。預習報告要求學生在了解本實驗課程的相關實驗內容和要求之后,通過團隊成員的分工、討論,制定自己的實驗計劃和實驗方案,要求在設計方案時,寫清楚電路或系統相關的參數選取過程和選取的結果,預習報告考核學生的分析計算能力以及方案設計能力。

學生在根據預習報告中設計的方案完成實驗后,教師會組織學生進行在線的實驗驗收,學生以組為單位,通過騰訊在線課堂向教師匯報實驗結果,匯報過程中要求學生在線演示實驗程序、展示實驗結果以及對結果的分析,同時說明團隊成員的分工合作情況,通過在線驗收,考核學生的溝通交流能力、團隊協作能力。

驗收結束后,學生根據前期的實驗情況,整理實驗總結報告,并在規定的時間內提交報告,該報告要求學生寫清楚實驗方案、實驗步驟、實驗結果以及結果的分析,同時寫清楚實驗過程中遇到的問題以及嘗試解決的方案。實驗總結報告考核的是學生的實驗數據的分析、歸納能力,科技報告的寫作能力以及工程實踐能力。最后,要求學生提供實驗過程中產生的程序、代碼,通過查閱學生的程序代碼來考核學生的編程實踐能力。具體考核內容、考核方式、考核標準如表1所示。

表1 “隨機信號分析實驗”在線教學考核方式表

4 結語

“隨機信號分析實驗”是西安電子科技大學通信工程、信息工程專業的必修實驗課,該課程的目的是通過實驗使學生們對所學課程理論內容有更深刻的理解,一方面能夠掌握隨機信號的基本分析方法和基本測量方法,另一方面能夠鍛煉基本通信系統的開發、調試、測量、分析能力。該課程既培養了學生的實踐能力、創新能力,也培養了學生團隊協作的工程師素質。在“新冠”疫情的大環境下,如何保證在學生無法到實驗室進行面對面實驗教學的情況下,實驗課程的正常開設是我們必須考慮的實際問題。本文探索了“隨機信號分析實驗”課程在線教學模式,設計了“隨機信號分析實驗”在線教學方案,給出了該實驗課程的具體實驗內容以及詳細的在線實施過程,提出了多維度全方位的考核方式。本文提出的在線教學方案和考核方式能在不降低學生實踐能力、創新能力、編程能力、團隊協作能力等培養效果的前提下,無需到達實驗室進行面對面授課就可以正常完成該課程的實驗教學任務。