基于寬頻接收機(jī)大型共享設(shè)備的隨機(jī)信號分析教學(xué)

汪飛 徐文俊

摘要理論與實(shí)踐統(tǒng)一是教學(xué)模式發(fā)展的必然趨勢。將高價(jià)值大型共享設(shè)備引入課堂現(xiàn)場教學(xué)是提高大學(xué)生理論認(rèn)識，使大學(xué)生緊跟現(xiàn)代科技發(fā)展步伐的重要舉措。作為大學(xué)工科的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨機(jī)信號分析是大學(xué)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的關(guān)鍵紐帶。寬頻接收機(jī)具備掃描接收噪聲，2～5G移動通信信號，以及機(jī)場導(dǎo)航雷達(dá)信號與WIFI信號等各種無線信號的功能。在隨機(jī)信號分析教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)時觀測寬頻接收機(jī)的掃描數(shù)據(jù)，可以讓學(xué)生切身感受到隨機(jī)信號分析學(xué)習(xí)的意義，以及未來隨機(jī)信號領(lǐng)域面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞 共享設(shè)備；寬頻接收機(jī)；隨機(jī)信號

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.02.030

為貫徹落實(shí)《國務(wù)院關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的意見》（國發(fā)〔2014〕70號）精神，教育部發(fā)布了《教育部辦公廳關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校科研基礎(chǔ)設(shè)施和科研儀器開放共享的指導(dǎo)意見》（教技廳〔2015〕4號）。為進(jìn)一步推進(jìn)高等學(xué)?？蒲谢A(chǔ)設(shè)施和科研儀器的全面開放、充分共享，提高科研設(shè)施與儀器使用、配置的效率和效益。2017年12月，中央改革辦督察組聯(lián)合各部委對儀器開放共享工作開展了專題督察。目前各高等學(xué)?？蒲袃x器的利用率和共享度有大幅度提升，開放共享配套制度建設(shè)全面推進(jìn)，儀器共享平臺的覆蓋面不斷擴(kuò)大，有力促進(jìn)了儀器開放共享。

近年來，國內(nèi)高校不斷探索大型設(shè)備開放共享在“雙一流”建設(shè)中的積極作用。重慶大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校通過考核與獎勵政策鼓勵師生利用共享平臺。西南交通大學(xué)將大型設(shè)備開放共享作為教育教學(xué)研究的重點(diǎn)關(guān)注對象，提出只有以教師為共享平臺的“代言人”，才能為大型設(shè)備的使用者提供更好、更專業(yè)的服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生的培養(yǎng)。

南京航空航天大學(xué)于2020年6月響應(yīng)教育部文件，籌劃建立了校內(nèi)大型設(shè)備開放共享平臺，如圖1。南京航空航天大學(xué)的大型儀器設(shè)備共享管理平臺的主要功能有：（1）具備儀器查詢、預(yù)約、授權(quán)、監(jiān)控、計(jì)費(fèi)、考核、基金申報(bào)等功能，直觀掌握大型儀器設(shè)備開放共享管理工作實(shí)時狀態(tài)。（2）具備校-院-機(jī)組三級管理體系，實(shí)現(xiàn)對我校大型儀器設(shè)備開放流程、收費(fèi)流程以及培訓(xùn)流程的統(tǒng)一、規(guī)范化管理。（3）具備使用過程的身份信息采集，有效掌握使用人的身份信息、使用時長、使用過程等，實(shí)現(xiàn)對開放過程的智能化控制。（4）用戶只需簡單培訓(xùn)便能上手使用。

為了鼓勵本科生利用院內(nèi)大型設(shè)備，暫行辦法中對校內(nèi)本科生利用本院大型開放共享設(shè)備給予了免費(fèi)政策。大型開放共享設(shè)備對科學(xué)前沿研究具有不可替代的作用，代表了先進(jìn)生產(chǎn)力。本文利用大型共享設(shè)備“寬頻接收機(jī)”，針對本科生“隨機(jī)信號分析”課程的特點(diǎn)，探索適用于本科生的大型科研設(shè)備應(yīng)用案例，培養(yǎng)本科生參與科研的興趣及投身先進(jìn)科技事業(yè)的信心。

1隨機(jī)信號分析基礎(chǔ)

1.1典型隨機(jī)過程的數(shù)學(xué)模型

2大型共享設(shè)備教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1寬頻接收機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如果將大型共享設(shè)備應(yīng)用于本科生教學(xué)中，那么就必須針對性地設(shè)計(jì)大型共享設(shè)備的實(shí)驗(yàn)案例，才能將大型設(shè)備共享融為混合式教學(xué)環(huán)節(jié)的方式。

寬頻接收機(jī)是一款國產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集存儲分析儀。它由數(shù)據(jù)采集存儲分析儀與下變頻器構(gòu)成，如圖2。它具有較高的采樣率和信號原始數(shù)據(jù)存儲速率。該設(shè)備具有8TB的數(shù)據(jù)存儲空間，并能以最高6.8GB/s的速度進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)接收。此參數(shù)可滿足寬帶信號獲取的速率與存儲空間要求。下變頻器可將頻率由0.2GHz～12GHz轉(zhuǎn)換為750MHz，瞬時帶寬最大為1GHz。數(shù)據(jù)采集存儲分析儀的帶寬則設(shè)置為1.5GHz，采樣率為2.5GSa/s。

寬頻接收機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3。打開下變頻器對應(yīng)軟件，查看軟件界面“連接狀態(tài)”（正常顯示已連接）；“參考時鐘”選擇內(nèi)部時鐘；下變頻器“中心頻率”設(shè)置與上變頻器一致（設(shè)置時填入數(shù)字按回車鍵即可，單位會自動顯示可手動更改），“輸入功率”是根據(jù)上變頻器輸入功率自動讀取的不需要手動輸入。該下變頻器的變頻范圍為1.3～12GHz，會將輸出信號中心頻率固定到750MHz（即能將1.3～12GHz的信號變頻到750MHz），下變頻器輸入輸出帶寬為1GHz（即輸出信號頻率范圍為0.25GHz～1.25GHz）。

輸出信號頻率計(jì)算：設(shè)輸入信號頻率下界為FL，上界為FH，上變頻器中心頻率為f0，下變頻器中心頻率為750MHz。則輸出信號下界為f0+0.75-FH，上界為f0+0.75-FL。

2.2寬頻接收機(jī)數(shù)據(jù)獲取

寬頻接收機(jī)數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集存儲分析儀獲取。數(shù)據(jù)采集存儲分析儀開機(jī)后會自動進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，點(diǎn)擊help可以查看各個模塊的功能，該儀器不需要連接PC可直接使用，最高采樣頻率為5GHz，可在Channel菜單下切換采樣頻率?？稍趕torage菜單下對當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保存的數(shù)據(jù)文件可通過U盤拷出。

通過寬頻接收機(jī)獲取的數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證式（10）與式（11）。圖4（a）是寬頻接收機(jī)獲取的原始數(shù)據(jù)，圖4（b）式對應(yīng)于式（10）的數(shù)據(jù)，圖4（c）對應(yīng)于式（3）的M（t），圖4（d）對應(yīng)于式（9）。顯然，通過寬頻接收機(jī)能夠更直觀地看到隨機(jī)信號的變化，更有利于本科生通過實(shí)踐了解隨機(jī)信號的各種概念。

3結(jié)論

隨機(jī)信號分析課程作為大學(xué)本科電子信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)過程除了教材的理論以外，同時還要強(qiáng)調(diào)它在實(shí)踐中的應(yīng)用，以及它與實(shí)踐之間的差別。高校的大型共享設(shè)備雖然代表了科技先進(jìn)發(fā)展力，但是因?yàn)閮r(jià)格昂貴難以滿足本科生進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)的需求。為此，本文從大學(xué)本科隨機(jī)信號分析課程的特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了對應(yīng)于隨機(jī)信號分析課程的共享設(shè)備實(shí)驗(yàn)方法。使得本科生即使不能深入理解大型共享設(shè)備的工作原理，也能通過設(shè)計(jì)的簡單實(shí)驗(yàn)深入認(rèn)識課程中各種概念與現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)聯(lián)系。一方面有利于提高本科生對課程的理性認(rèn)識，另一方面有利于提高本科生對先進(jìn)科技的感性認(rèn)識，促進(jìn)本科生努力掌握基礎(chǔ)理論，開拓未來先進(jìn)科技的信念。

基金項(xiàng)目：南京航空航天大學(xué)2020年度教育科學(xué)與改革研究專項(xiàng)課題“基于大型設(shè)備開放共享平臺的自我實(shí)踐式混合教學(xué)初探”（項(xiàng)目編號：2020JYKX-15）。

參考文獻(xiàn)

[1]張麗梅，劉震.大型儀器設(shè)備共享平臺建設(shè)的探討與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009（03）：292-295.

[2]顧鳳岐，陳立君，秦凱倫.構(gòu)建開放共享大平臺提高大型儀器設(shè)備使用率[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（07）：340-342.

[3]花蕾，杜一平，唐靜，等.高校大型儀器開放共享平臺的建設(shè)和管理[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016.

[4]趙陽.淺談科研儀器使用率與效益的提高[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2017，36（003）：291-294.

[5]金仁東，柯紅巖，崔家瑞.高校大型儀器設(shè)備共享平臺建設(shè)與管理實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，v.35；No.257（01）：31-34.

[6]何亞群，王婕，吳祝武，等.大型儀器共享平臺建設(shè)在一流大學(xué)人才培養(yǎng)能力建設(shè)中的作用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（8）：9-13.

[7]衛(wèi)飛飛，鐘沖.基于“雙一流”視角的高校大型儀器共享平臺建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，036（003）：36-39.

[8]包郁明，顧今吾，李娟，等.淺談新時代背景下大型科研儀器與設(shè)施開放共享工作[J].農(nóng)業(yè)科技管理，2020.