電磁頻譜管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)思考

邵尉 孟凡秋 薛紅 錢祖平

摘 要 本文首先強(qiáng)調(diào)了開展電磁頻譜管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的現(xiàn)實(shí)意義，進(jìn)而圍繞實(shí)際的建設(shè)工作，從建設(shè)思路和實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行了思考并提出若干對(duì)策和建議。最后，以電磁頻譜監(jiān)測(cè)與特征識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，介紹了高性能儀器設(shè)備與軟件相結(jié)合的專業(yè)化、多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方案。

關(guān)鍵詞 電磁頻譜管理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Reflections on the Construction of Electromagnetic Spectrum

Management Experimental Teaching

SHAO Wei， MENG Fanqiu， XUE Hong， QIAN Zuping

（College of Communication Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210007）

Abstract In this paper emphasizes the significance of experimental teaching management to carry out the construction of the electromagnetic spectrum， and then around the actual construction work， were thinking in terms of ideas and methods， such as construction and proposed some countermeasures and suggestions. Finally， in order to identify the characteristics of the electromagnetic spectrum monitoring and simulation platform as an example， a high-performance equipment and software combines professional， versatile experimental platform to build solutions.

Key words electromagnetic spectrum management； experimental teaching construction； experimental platform

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)課程教學(xué)體系中居于重要地位，這已成為共識(shí)?？茖W(xué)而合理地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)可顯著增強(qiáng)理論教學(xué)的效果，提升學(xué)生的專業(yè)技能和綜合素質(zhì)，并與科研建設(shè)形成良性互動(dòng)。在開展電磁頻譜管理課程建設(shè)的過(guò)程中，重視并做好實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)建設(shè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 建設(shè)思路

1.1 融合理論教學(xué)

理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)同為課程內(nèi)容體系中不可或缺的組成部分。對(duì)于電磁頻譜管理技術(shù)課程來(lái)說(shuō)，理論和實(shí)踐兩部分應(yīng)緊密結(jié)合、相互印證，共同融合形成有機(jī)的整體。通過(guò)前期教學(xué)體會(huì)和專題調(diào)研，我們深切感受到頻管技術(shù)工作所要求的知識(shí)面寬泛，包括：系統(tǒng)架構(gòu)、收發(fā)信機(jī)原理、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理、電波傳播、測(cè)向定位等，但“勝任頻管工作、解決頻管問題”這一教學(xué)主線明確。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)緊貼教學(xué)主線，從而與理論教學(xué)形成合力、以便取得良好的教學(xué)效果。

1.2 筑牢知識(shí)基礎(chǔ)

在頻譜管理技術(shù)中，“急需型”和“前瞻型”這兩類知識(shí)并列存在，打好這兩類知識(shí)基礎(chǔ)尤為重要?！凹毙栊汀敝R(shí)指的是從事頻管工作必須具備的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，例如：系統(tǒng)間電磁兼容、頻率管理、頻譜監(jiān)測(cè)等；“前瞻型”知識(shí)指的是目前頻管技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，未來(lái)有望獲得持續(xù)發(fā)展甚至演進(jìn)至實(shí)用階段，例如：動(dòng)態(tài)頻譜管理、輻射源個(gè)體識(shí)別等。對(duì)這兩類知識(shí)基礎(chǔ)的構(gòu)筑除需要課堂理論教學(xué)的講授外，還需在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的層面進(jìn)行加固和拓展，從而有助于學(xué)生形成更加優(yōu)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)，更加勝任未來(lái)的頻管工作。

1.3 錘煉專業(yè)技能

未來(lái)的頻譜管理體系將具備感知、統(tǒng)籌、管控、服務(wù)等多種能力。其中，感知能力表現(xiàn)為復(fù)雜電磁環(huán)境下的主動(dòng)感知、多維頻譜信息的按需收集與實(shí)時(shí)上傳；統(tǒng)籌能力表現(xiàn)為頻譜資源的宏觀協(xié)調(diào)、頻譜知識(shí)的完整發(fā)現(xiàn)，頻譜態(tài)勢(shì)的直觀呈現(xiàn)和頻譜決策的快速生成；管控能力體現(xiàn)在頻譜管控既擁有高度自主性，同時(shí)又具備用頻規(guī)則、人工干預(yù)等多種約束下的可控性；服務(wù)能力則體現(xiàn)了未來(lái)頻譜管理體系的綜合能力與核心目標(biāo)。毫無(wú)疑問的是，對(duì)于頻管人才專業(yè)技能的錘煉應(yīng)植根于確保以上能力的實(shí)現(xiàn)。

1.4 實(shí)現(xiàn)教研互促

教學(xué)與科研之間存在著相互轉(zhuǎn)化、相互促進(jìn)的機(jī)制。一方面，為了提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，必須以科研作為催化劑和驅(qū)動(dòng)力，教師隊(duì)伍可以在科研工作中得到磨練，科研成果可以直接應(yīng)用于教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和更新；另一方面，教學(xué)成果又可服務(wù)于科研，為科研工作提供基礎(chǔ)支撐、智力支持和人才保證。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 通過(guò)仿真平臺(tái)來(lái)覆蓋重點(diǎn)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)、設(shè)備需求、成本和擬達(dá)到的效果等客觀因素進(jìn)行綜合考慮，我們認(rèn)為構(gòu)建仿真平臺(tái)并充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好途徑。例如，以任意波發(fā)生器和實(shí)時(shí)頻譜分析儀為核心，可構(gòu)建電磁頻譜監(jiān)測(cè)與特征識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用該平臺(tái)，可覆蓋信號(hào)設(shè)計(jì)、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬、頻譜監(jiān)測(cè)、信號(hào)特征分析與識(shí)別、干擾源查找等多項(xiàng)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生掌握多種專業(yè)技能提供了操作方便而直觀有效的實(shí)驗(yàn)工具。

2.2 通過(guò)案例體驗(yàn)來(lái)突破難點(diǎn)

通過(guò)選定頻管工作中真實(shí)存在的案例，讓學(xué)生借助于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)對(duì)案例進(jìn)行分析，在這種切身的體驗(yàn)當(dāng)中來(lái)尋求問題的求解。該方法非常適合于教學(xué)難點(diǎn)的突破。例如，臺(tái)站間用頻兼容分析方法容易讓人產(chǎn)生計(jì)算復(fù)雜、不易下手的感覺，如不采用合適的教學(xué)方法則容易使人望而卻步。在案例式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可借助仿真軟件親自編程，循序漸進(jìn)地將發(fā)射端、傳播路徑和接收端的全部計(jì)算公式逐一實(shí)現(xiàn)，在突破了該難點(diǎn)問題的同時(shí)也培養(yǎng)了自信心、體驗(yàn)到快樂。

2.3 通過(guò)全面互動(dòng)來(lái)提升效果

為提升和固化教學(xué)效果，應(yīng)采用多種形式的全面互動(dòng)。一方面，應(yīng)配備電子教室互動(dòng)式軟件，讓學(xué)生計(jì)算機(jī)的屏幕可顯示在教師計(jì)算機(jī)和投影儀大屏幕上，有利于教師的實(shí)時(shí)指導(dǎo)、師生間的互動(dòng)以及學(xué)生間的互動(dòng)；另一方面，應(yīng)充分利用校園網(wǎng)資源，由教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享學(xué)習(xí)資料、學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取資源和指導(dǎo)，建立一種不受空間和時(shí)間約束的互動(dòng)關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方案舉例

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括復(fù)雜電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)、電磁頻譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輻射源特征提取與識(shí)別系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 復(fù)雜電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)

構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)。由多臺(tái)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)與任意信號(hào)發(fā)生器相連接。通過(guò)Matlab、RFExpress等軟件完成信號(hào)設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)文件從實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)經(jīng)由局域網(wǎng)下載至任意信號(hào)發(fā)生器，模擬出逼真的復(fù)雜電磁環(huán)境。該系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)也為后級(jí)系統(tǒng)提供模擬復(fù)雜信號(hào)源。

3.2 電磁頻譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

構(gòu)建電磁頻譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由固定監(jiān)測(cè)站和單兵機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)站相互配合，對(duì)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者接收模擬產(chǎn)生的逼真復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)。固定監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)高速高分辨率頻譜掃描、高靈敏度接收、能量檢測(cè)、干擾告警、頻譜動(dòng)態(tài)回放等功能；單兵機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)站可通過(guò)GPS電子地圖來(lái)輔助定位干擾源。其中，固定監(jiān)測(cè)站以高性能實(shí)時(shí)頻譜分析儀為核心構(gòu)建，單兵機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)站基于便攜式無(wú)線信號(hào)偵測(cè)儀構(gòu)建。該系統(tǒng)可為戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線電通信等電子信息裝備的順利部署和運(yùn)用提供頻譜信息支持，為干擾源的查找提供參考手段。

圖1 電磁頻譜監(jiān)測(cè)與特征識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.3 輻射源特征提取與識(shí)別系統(tǒng)

構(gòu)建輻射源特征提取與識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)真實(shí)輻射源或?qū)嶒?yàn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的模擬輻射源進(jìn)行特征提取與識(shí)別。其中涵蓋頻率、功率、帶寬、眼圖、星座圖、調(diào)制方式等特征，并進(jìn)一步評(píng)估頻率占用度等指標(biāo)。具備時(shí)間和頻率快照以及數(shù)據(jù)記錄等功能，便于進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展。該系統(tǒng)以高性能實(shí)時(shí)頻譜分析儀為核心構(gòu)建?？蔀槿嬲莆针姶趴臻g輻射源屬性、有效實(shí)現(xiàn)電磁頻譜管控提供數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電磁頻譜管理技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)這一現(xiàn)實(shí)命題，從建設(shè)思路、實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建等方面進(jìn)行了思考，為電磁頻譜管理技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的建設(shè)提供了參考性的對(duì)策和建議。作為電子科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)的一門新興課程，教學(xué)建設(shè)之路還任重而道遠(yuǎn)。

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