時間：2023-03-20 16:12:35
導(dǎo)語：在數(shù)字信號處理論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理 DSP Builder 教學(xué)實踐環(huán)節(jié)
【基金項目】論文由“上海理工大學(xué)‘精品本科’系列研究項目”專項資助。
【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）35-0231-01
數(shù)字信號處理是一門的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，由于理論性很強(qiáng)、比較抽象，對于聽課的學(xué)生和授課的教師均是一個難點。為了能讓學(xué)生深入的體會和學(xué)好數(shù)字信號處理的理論知識，教學(xué)實踐環(huán)節(jié)是必不可少的。
1.數(shù)字信號處理教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀
目前在數(shù)字信號處理課程的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中，較為普遍的是采用MathWorks公司的數(shù)學(xué)分析軟件Matlab，學(xué)生通過Matlab軟件編程對數(shù)字信號處理的理論知識進(jìn)行仿真和驗證，這種通過純粹軟件編程進(jìn)行仿真驗證的實踐方法仍然是比較抽象的，不利于學(xué)生對所學(xué)知識的深入理解，也不利于理論聯(lián)系實踐。
國內(nèi)一些高校開始采用Matlab編程與可編程邏輯器件相結(jié)合的方法來進(jìn)行該課程的實踐教學(xué)，這種將軟、硬件平臺相結(jié)合的方法是一個很好的嘗試，但它需要學(xué)生在熟悉可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上，熟練進(jìn)行硬件描述語言（HDL，hardware description language）的編程，這樣就容易使學(xué)生在掌握軟件使用和熟悉硬件平臺等方面花費過多的時間，從而忽視了對數(shù)字信號處理課程本身一些重要理論和概念的理解與掌握，達(dá)不到教學(xué)實踐目的。因此，需要對本課程教學(xué)實踐的方法進(jìn)行探索和改革。
2.教學(xué)實踐方法的改革
2.1教學(xué)實踐方法的思路探索
需要找到一種簡單易行的方法，使得數(shù)字信號處理的理論算法可以在硬件上得以實現(xiàn)，并且可以通過嵌入式測量軟件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）對信號的處理結(jié)果進(jìn)行實時在線觀測，那么學(xué)生必然會對所學(xué)的理論知識能有更生動的體會和更深刻的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力。
鑒于學(xué)生在前期課程中已學(xué)習(xí)過可編程邏輯器件FPGA的相關(guān)知識，而FPGA是一種實現(xiàn)數(shù)字信號處理的通用硬件器件，如果能夠通過一種簡單的操作將數(shù)字信號處理的理論算法在FPGA器件中得以直接實現(xiàn)，那么就能起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。
2.2 DSP Builder工具軟件的特點
在數(shù)字信號處理中Matlab是用作算法開發(fā)和仿真的軟件，而DSP Builder通過Matlab中的Simulink模塊將Matlab的算法開發(fā)和仿真與硬件描述語言（HDL）的綜合、仿真和Altera開發(fā)工具整合在一起，實現(xiàn)了這些工具軟件的集成，從而使學(xué)生在進(jìn)行系統(tǒng)級設(shè)計、算法設(shè)計和硬件設(shè)計時共享同一個開發(fā)平臺，并且不需要過多關(guān)注硬件設(shè)計方面的知識和硬件描述語言的編程，同時，DSP Builder是作為Matlab中Simulink模塊的一個工具箱出現(xiàn)[1]，使得學(xué)生可以通過Simulink圖形界面調(diào)用DSP Builder工具箱中的提供Altera知識產(chǎn)權(quán)核（IP core， intellectual propert core）MegaCore進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計，因此學(xué)生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花過多的精力熟悉DSP Builder的使用。
2.3 DSP Builder應(yīng)用于教學(xué)實踐
應(yīng)用DSP Builder在教學(xué)實踐中進(jìn)行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開發(fā)，整個設(shè)計流程是基于Matlab的Simulink模塊，DSP Builder和QuartusII的，包括從系統(tǒng)描述到硬件實現(xiàn)都可以在一個完整的設(shè)計環(huán)境中完成，構(gòu)成了一個自頂向下的設(shè)計流程。它主要分為以下幾步[2， 3]：
（1）利用Simulink模塊、DSP Builder模塊以及IP核模塊Matlab的Simulink模塊中對DSP系統(tǒng)進(jìn)行建模，只需雙擊系統(tǒng)中的模塊就可以對該模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時可以基于Simulink平臺仿真驗證所搭建DSP系統(tǒng)的功能。
（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模塊，將Simulink模塊文件（.mdl）轉(zhuǎn)換成RTL級的VHDL硬件描述語言代碼描述以及用于綜合、仿真、編譯的TCL腳本。
（3）在得到VHDL文件后，設(shè)計者仍然可以通過Signal Com？鄄piler自動調(diào)用綜合工具和編譯工具。目前DSP Builder自動流程中支持的綜合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。綜合后產(chǎn)生的網(wǎng)表文件送到QuartusII中進(jìn)行編譯優(yōu)化，最后生成編程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件對目標(biāo)器件進(jìn)行編程配置和硬件實現(xiàn)，同時生成可分別用于QuartusII的門級仿真文件和Modelsim的VHDL時序仿真文件以及配套的VHDL仿真激勵文件，可用于實時測試DSP系統(tǒng)的工作性能。另外，設(shè)計者也可以在Simulink外手動調(diào)用其他C合工具和編譯工具。
（4）針對第二步中生成的VHDL，利用自動生成的Modelsim的TCL腳本和仿真激勵文件所做的仿真為功能仿真，而當(dāng)由QuartusII編譯后生成的VHDL仿真激勵文件和Modelsim的TCL腳本進(jìn)行的仿真為時序仿真。
（5）最后將QuartusII生成的配置文件下載到目標(biāo)器件中，形成DSP硬件系統(tǒng)。
2.4教學(xué)實踐的實施步驟
（1）教授學(xué)生使用DSP Builder進(jìn)行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開發(fā)的過程。
（2）設(shè)計出利用DSP Builder進(jìn)行數(shù)字信號處理教學(xué)實踐的典型題目。
（3）讓學(xué)生將Matlab中編寫的數(shù)字信號處理算法，直接在FPGA器件中得以實現(xiàn)。
（4）對信號的處理結(jié)果進(jìn)行實時測試，解決數(shù)字信號處理中的實際問題，切實做到理論聯(lián)系實踐。
3.教學(xué)實踐的效果
在數(shù)字信號處理的教學(xué)實踐中，應(yīng)用DSP Builder在FPGA器件上實現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法，使學(xué)生在設(shè)計過程中擺脫了繁瑣的具體硬件設(shè)計，將更多的精力關(guān)注在數(shù)字信號處理算法設(shè)計的實現(xiàn)上，對所學(xué)數(shù)字信號處理的理論知識能有一個更生動的體會和更深刻的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力，取得了良好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]楊守良. Matlab/simulink在FPGA設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 微計算機(jī)信息，2005（8）：[98].
【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理;課程改革
數(shù)字信號處理，是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，是用數(shù)值計算的方式對信號進(jìn)行加工的理論和技術(shù)，它成為通信、自動控制、電子等專業(yè)的必修課程十分重要。該課程具有極度抽象化的特點，在實際的教學(xué)中，需要對課程內(nèi)容、師資力量、教學(xué)手段等方面進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此來保障學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和知識掌握深度。讓他們在認(rèn)識理論的前提下，將抽象問題具體化，能夠用所學(xué)的知識解決生活工作中遇到的實際問題。
一、課程改革方案
1.優(yōu)化課程內(nèi)容。在實際的課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信號處理課程在有限的學(xué)時內(nèi)存在部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容重復(fù)現(xiàn)象，而有的則是忽略了讓學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)其他知識的前期重點知識的重點把握，導(dǎo)致他們無法對后續(xù)學(xué)習(xí)的重點知識得到完全理解，影響了他們的知識學(xué)習(xí)效率。因此，可以在課程中挑出重點部分的章節(jié)知識，在這一部分著重教授學(xué)生，讓他們完全理解這些知識的本質(zhì)；對于前面提到的課程重復(fù)部分，可以先讓學(xué)生自主預(yù)習(xí)，做到對知識的心中有數(shù)，再進(jìn)行知識講授，這樣起到的效果是事半功倍的。2.理論與實踐相結(jié)合。在數(shù)字信號處理授課過程中，不僅要注重對理論知識的學(xué)習(xí)，還要將理論知識應(yīng)用于實踐中。通過日常學(xué)習(xí)可以知道，數(shù)字信號處理課程是將生活實例轉(zhuǎn)化成抽象的數(shù)學(xué)語言，進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，并把得出的結(jié)論反向應(yīng)用于實踐中，因此對學(xué)習(xí)者數(shù)學(xué)的掌握程度要求很高，需要他們有一定的理論基礎(chǔ)，同時也需要他們具有分析運用將其所學(xué)知識轉(zhuǎn)化到實踐中的能力。在實際授課過程中，教師可以加入自己的實踐經(jīng)驗，啟發(fā)和鍛煉學(xué)生的思考問題和運用知識的能力，同時，學(xué)校也可以和相應(yīng)的社會企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合，為學(xué)生提供一個可以將所學(xué)理論知識運用到實踐中的平臺，對他們?nèi)蘸蟮木蜆I(yè)也有一定的好處。3.教學(xué)手段現(xiàn)代化。由于數(shù)字信號處理課程的內(nèi)容較為復(fù)雜，且多數(shù)是由繁復(fù)的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá)的，因此會給學(xué)生帶來理解的困難?？梢詫⒅攸c的數(shù)學(xué)理論公式羅列出來，對于一些實踐性強(qiáng)的內(nèi)容可以通過多媒體的方式進(jìn)行展示,這樣可以給學(xué)生提供更為完美的教育體制。學(xué)生還可以在課堂教學(xué)過程中和教師進(jìn)行互動，及時提出自己不懂的問題，也可以和同學(xué)進(jìn)行探討研究，對知識的吸收有很好的促進(jìn)作用。有時教師也可以提出一兩個小問題供學(xué)生在課下或者課上討論，應(yīng)用所學(xué)知識對問題進(jìn)行分析，必要時可以借助其他知識進(jìn)行研究，這不僅促進(jìn)了同學(xué)之間的交流，也鍛煉了學(xué)生的獨立思考能力。
二、改革考試方式
由于數(shù)字信號處理這門課程理論性強(qiáng)、復(fù)雜性的原因，使得它的考試多數(shù)由枯燥的公式理論占據(jù)，因此可以通過對考試方式的改革來激發(fā)學(xué)生的熱請?？梢苑只荚噷τ趯W(xué)生總體成績的比重，將日常生活中的實踐活動和隨堂測驗也加入到最后的成績比重中，可以更加客觀的反映學(xué)生對知識的掌握處理程度，避免因為一些不穩(wěn)定因素而造成的對學(xué)生整體知識掌握能力的不正確判斷。還可以用靈活的方法降低學(xué)生對公式的機(jī)械依賴而忽略通過公式計算對實際應(yīng)用的情況，可以允許學(xué)生帶公式進(jìn)入考場進(jìn)行考試，這就把考核的重點轉(zhuǎn)移到了考生對與公式在實際生活中的應(yīng)用，而不是一味的使用理論解題，不懂變通，如果能夠熟練掌握數(shù)字信號處理課程的內(nèi)容，對實際工作的幫助是很大的。還可以把實踐工作也作為對學(xué)生成績考核的一個標(biāo)準(zhǔn)，這樣學(xué)生就會認(rèn)真思考理論知識如何更加完美的應(yīng)用于實踐工作中，也避免了傳統(tǒng)枯燥的理論教學(xué)，幫助學(xué)生更好的理解吸收知識。
三、小結(jié)
通過以上的分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)信號處理課程在實際教學(xué)中面臨著理論性強(qiáng)、復(fù)雜度高、不易于理解的特性，因此可以在實際中對他的教學(xué)內(nèi)容、師資團(tuán)隊力量、考試測驗方法、理論的應(yīng)用度等等方面進(jìn)行改革，調(diào)整課程在特性方面的不足，培養(yǎng)學(xué)生在實際的工作中對理論知識的應(yīng)用度，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和熱情度，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)科以及其實際應(yīng)用的準(zhǔn)確度，以此來促進(jìn)數(shù)字信號處理課程更加適應(yīng)實際工作。
作者:王芳 鄭宏興 單位:1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞： “數(shù)字信號處理”課程 教學(xué)模式 合作性探究學(xué)習(xí)
1.引言
“數(shù)字信號處理”課程是信息、電子、信號處理等專業(yè)的必修課，是在學(xué)生學(xué)完了“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”等課程后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)信號處理專業(yè)知識的核心課程?！皵?shù)字信號處理”課程不但是學(xué)生未來從事工程設(shè)計非常必要的理論基礎(chǔ)課，而且對學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有著重要影響，歷來受到人們的普遍關(guān)注[1]。然而，無論是從課程特點還是教學(xué)對象來說，傳統(tǒng)以“教”為主、“課堂知識灌輸+習(xí)題”的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢下學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求。
從課程特點看，“數(shù)字信號處理”課程具有理論性強(qiáng)、概念抽象、涉及數(shù)學(xué)知識多等特點，以教師板書或PPT進(jìn)行公式推導(dǎo)為主的教學(xué)形式，易使學(xué)生感覺內(nèi)容抽象枯燥，難以理解，喪失學(xué)習(xí)興趣。其次，“課堂知識灌輸+習(xí)題”的教學(xué)模式往往忽視概念和公式所代表的物理意義，不能理論聯(lián)系實際，導(dǎo)致學(xué)生不知道所學(xué)知識有什么用、怎么用，學(xué)習(xí)主動性、積極性不足。
從授課對象看，對于“數(shù)字信號處理”這類理論性強(qiáng)、公式較多的課程，學(xué)生普遍存在畏難情緒。其次，傳統(tǒng)應(yīng)試教育的影響使學(xué)生習(xí)慣于死記硬背、應(yīng)付考試，以教師為主的課堂知識點灌輸加上大量課后習(xí)題，可以滿足學(xué)生從書本到試卷的“知識”搬移。然而，這種被動的“接受性學(xué)習(xí)”和機(jī)械訓(xùn)練既扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又限制了學(xué)生主動獵取知識、發(fā)現(xiàn)問題、分析并解決問題的創(chuàng)新能力的發(fā)展。
那么就“數(shù)字信號處理”這門課程而言，如何激發(fā)學(xué)生的求知與求學(xué)的欲望，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力呢？美國當(dāng)代教育理論家杜威認(rèn)為：“學(xué)生聽過的知識，會容易忘掉，看過的知識，能夠記住，而親自做過的，則能夠理解?！盵2]另外，建構(gòu)主義理論認(rèn)為：“單純的知識講授對于學(xué)生能力的建構(gòu)沒有任何好處，而應(yīng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)動機(jī)被激發(fā)的前提下，主動進(jìn)行的建構(gòu)?！盵3]因此，通過教師的教學(xué)方式從“灌輸型”向“啟發(fā)探究型”轉(zhuǎn)化，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從“接受性學(xué)習(xí)”向“研究性學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生主動參與知識的發(fā)現(xiàn)和獲取過程，真正成為知識探究的主角，提高學(xué)習(xí)興趣，提高分析問題和解決問題的能力，發(fā)展創(chuàng)新精神。
本文討論的合作性探究學(xué)習(xí)模式正是秉承了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教育理念，結(jié)合“數(shù)字信號處理”課程特點，優(yōu)化課堂教學(xué)模式，促使學(xué)生從“被動”學(xué)習(xí)向“自主探究、合作學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極探究的意識和能力。
2.對合作性探究學(xué)習(xí)模式的認(rèn)識
合作學(xué)習(xí)模式強(qiáng)調(diào)的是學(xué)習(xí)者的自主性，是指促進(jìn)學(xué)生在異質(zhì)小組中彼此互動、共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，并以小組總體表現(xiàn)作為評價依據(jù)的教學(xué)組織模式[2]。
探究式教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)自身先前認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)經(jīng)驗，通過體驗、發(fā)現(xiàn)、探索、協(xié)作等方式主動獲取知識、解決問題的一種教學(xué)模式[2]。
本文所討論的合作性探究學(xué)習(xí)模式是將自主探究和合作學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合的學(xué)習(xí)方式[3]，是在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生個體的能動作用和小組學(xué)習(xí)、全班學(xué)習(xí)的群體作用，在合作中學(xué)習(xí)，將課程所學(xué)知識與自然、社會和自身生活中實際應(yīng)用相結(jié)合進(jìn)行專題研究，并在研究過程中主動獵取知識，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神的目的。這種“自主探究、合作學(xué)習(xí)”模式能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供實踐的機(jī)會和探究的時間，體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師主導(dǎo)的教育理念。
合作性探究學(xué)習(xí)模式通過教學(xué)環(huán)節(jié)的合理設(shè)計，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、任務(wù)體驗、自主診斷評價，同時要求教師擺脫傳統(tǒng)的以“教”為中心的被動式教學(xué)模式的束縛，從課前教學(xué)決策，課上任務(wù)解釋、監(jiān)督和干預(yù)、課程總結(jié)和評價等諸多方面積極地引導(dǎo)學(xué)生“自主探究、合作學(xué)習(xí)”。因此，這種學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建是學(xué)生學(xué)習(xí)方式從“接受性學(xué)習(xí)”向“研究性學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)化，教師課堂教育思想和觀念從“灌輸型”向“啟發(fā)探究型”轉(zhuǎn)化的一種有益嘗試。
3.合作性探究學(xué)習(xí)模式的實踐
數(shù)字信號處理本質(zhì)上是利用數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的處理[4]，授課內(nèi)容緊密圍繞“兩個定理、三個變換、兩個系統(tǒng)”展開，即“時域抽樣定理和頻域抽樣定理，Z變換（ZT）、離散時間傅里葉變換（DTFT）、離散傅里葉變換（DFT），有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器”。課程知識結(jié)構(gòu)清楚，前后知識點之間聯(lián)系緊密，這就為學(xué)生利用已學(xué)知識探究發(fā)現(xiàn)新知識，從分析問題、解決問題的過程中獵取知識創(chuàng)造了條件。其次，數(shù)字信號處理廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、聲吶、工業(yè)控制與自動化、醫(yī)療監(jiān)控與健康檢查、消費類電子、儀器儀表、音視頻壓縮等許多領(lǐng)域，與學(xué)生日常生活密切相關(guān)，完全可以根據(jù)學(xué)生專業(yè)或感興趣的領(lǐng)域設(shè)計許多問題和任務(wù)。這為學(xué)生以小組為單位，通過團(tuán)隊合作，在回答問題和完成任務(wù)中探究知識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，奠定堅實的基礎(chǔ)。
結(jié)合“數(shù)字信號處理”課程本身和學(xué)員的基本特點，筆者以教師的視角，構(gòu)建一種涉及學(xué)習(xí)小組分配、學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計、啟發(fā)式問題設(shè)計、拓展提高和交流討論五個環(huán)節(jié)的合作性探究式學(xué)習(xí)模式，并在近兩年所教授班次中初步實踐和探索，取得一定的教學(xué)效果。
（1）建立高績效的合作性學(xué)習(xí)小組是實施合作性探究學(xué)習(xí)模式的基礎(chǔ)，是教師教學(xué)前決策的重要內(nèi)容。我們在熟悉全班同學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的意愿并結(jié)合學(xué)生的先修課程成績，如“通信原理”、“電路分析”等，將全班30名學(xué)生分成3～5人的學(xué)習(xí)小組，使每個小組中學(xué)生在學(xué)習(xí)成績、個性需求、興趣愛好等方面差異最大化。不同類型的學(xué)生歸入一組，有利于在以后的學(xué)習(xí)中互相幫助，共同進(jìn)步。
（2）良好的任務(wù)場景設(shè)計不但能營造真實體驗的氛圍，而且有助于學(xué)生完成新舊知識的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索的興趣。結(jié)合課程內(nèi)容和授課進(jìn)度，設(shè)計多個密切聯(lián)系學(xué)生日常生活、所學(xué)專業(yè)或感興趣領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。通過層層遞進(jìn)的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計，將基本理論、基本原理、基本技能與工程實際應(yīng)用緊密聯(lián)系起來。比如，在緊密聯(lián)系教材內(nèi)容的基礎(chǔ)任務(wù)“對比總結(jié)ZT、DTFT和DFT的性質(zhì)”之后，針對信息與通信工程專業(yè)的學(xué)生設(shè)計實際通信應(yīng)用類任務(wù)“深入研究線性卷積和DFT的循環(huán)卷積性質(zhì)，探討OFDM、單載波頻域均衡等最新傳輸技術(shù)為什么要用‘分塊+循環(huán)前綴’的傳輸結(jié)構(gòu)”。布置學(xué)習(xí)研究任務(wù)后，組織學(xué)生進(jìn)行共同學(xué)習(xí)。通過運用課程所學(xué)的基本知識解決日常生活中、工作實踐中的實際問題，既打消學(xué)生“為什么學(xué)，學(xué)了有什么用”的顧慮，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)和享受學(xué)習(xí)成就感，促進(jìn)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。
（4）在合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行拓展提高，培養(yǎng)學(xué)員自主探究的興趣與能力。通過課前和課上的合作學(xué)習(xí)，針對數(shù)字信號處理的實際應(yīng)用場景，在掌握基礎(chǔ)理論的前提下，設(shè)計一些拓展提高性任務(wù)，給出相關(guān)參考資料和文獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)員課后自主探索。比如，在學(xué)習(xí)了利用DFT進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了“高速公路上雷達(dá)測速的基本工作原理”這一任務(wù)。這種任務(wù)密切聯(lián)系實際生活，又是教學(xué)內(nèi)容的典型應(yīng)用，在相關(guān)提示和文獻(xiàn)的幫助下通過合作學(xué)習(xí)和小組討論完成。
（5）為了促進(jìn)有效交流，要求學(xué)員針對任務(wù)的完成情況制作Word或PPT課件，在課上或課外輔導(dǎo)時間進(jìn)行全班交流。為了避免出現(xiàn)學(xué)習(xí)小組內(nèi)個別學(xué)員不愿參與學(xué)習(xí)和討論，進(jìn)行Word或PPT匯報時，事先不指定匯報人，而是在匯報時隨機(jī)抽取，匯報人的成績代表全組學(xué)員的成績，促使基礎(chǔ)較好的學(xué)員在自己學(xué)懂的基礎(chǔ)上幫助后進(jìn)學(xué)員。此外，對于一些取得創(chuàng)新性成果的研究結(jié)果，鼓勵學(xué)員撰寫論文，在教員的幫助下修改完善，嘗試投稿發(fā)表。
近兩年的教學(xué)實踐表明，這種教學(xué)模式能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生充分參與自主學(xué)習(xí)、討論和思考，活躍課堂氣氛，促使學(xué)生在探索、交互、發(fā)現(xiàn)過程中主動構(gòu)建知識，獲得思考、交流、自我認(rèn)同的樂趣，取得良好的授課效果。
4.進(jìn)一步的思考
合作性探究學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建和實施，提高了學(xué)員的“數(shù)字信號處理”課程興趣，尤其是課堂上的參與度更強(qiáng)，在興趣的驅(qū)動下，求知欲更旺盛，強(qiáng)化教學(xué)效果。但任何一種教學(xué)模式都不是一成不變的，在教學(xué)實施過程中，筆者發(fā)現(xiàn)了一些問題。合作性探究學(xué)習(xí)并不是形式上簡單地讓學(xué)生湊在一起漫無目的地自學(xué)與討論，否則就失去“自主探究、合作學(xué)習(xí)”的意義，流于形式。因此，對教師來說，構(gòu)建注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的合作性學(xué)習(xí)模式的重難點在于：針對轉(zhuǎn)型下的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象進(jìn)行學(xué)習(xí)小組合理分組和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，避免合作目的不明確、合作問題過于簡單或過難。教師要在認(rèn)真?zhèn)湔n的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，精心設(shè)計教學(xué)步驟，啟發(fā)學(xué)生思維，避免不注重學(xué)習(xí)過程一味放手讓學(xué)生合作，不注重教師的“導(dǎo)”與“控”。這就需要教師根據(jù)學(xué)生的已學(xué)知識引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考，形成完成任務(wù)的思路，得出需要學(xué)習(xí)哪些新知識才能完成任務(wù)，引出教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而有目的、有針對性地學(xué)習(xí)；學(xué)生掌握新知識后完成任務(wù)，通過完成任務(wù)既復(fù)習(xí)舊知識，又練習(xí)并鞏固新知識。
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Abstract: This paper is concerned with how to build a "virtual lab" for Real-Time DSP course based on campus network. The lab supplies separate power to every laboratory equipment by the remote control device,and connects the laboratory equipment through the switch matrix flexible combination. Operation shows that the virtual laboratory structure is simple and accurate,which can provide a convenient open laboratory to students.
關(guān)鍵詞: 數(shù)字信號處理;虛擬實驗室
Key words: digital signal processing;virtual lab
中圖分類號:TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)19-0153-02
1建設(shè)背景
數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)在近30年來得到飛速發(fā)展,它在語音、雷達(dá)、聲納、圖像、通信、遙感遙測、航空航天等眾多領(lǐng)域都獲得極其廣泛的應(yīng)用。為適應(yīng)這一發(fā)展對人才的需求,許多高校都開設(shè)了數(shù)字信號處理課程,并且已由過去的面向電子信息類專業(yè)逐漸擴(kuò)展到面向電氣工程、儀器儀表、機(jī)械制造及生物醫(yī)學(xué)等更多的專業(yè)領(lǐng)域。數(shù)字信號處理是一門涉及眾多學(xué)科又應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的學(xué)科,它既有較為完整的理論體系,又具有實際的應(yīng)用價值,因此要建設(shè)好數(shù)字信號處理課程,不僅要有完善的課堂教學(xué),還要強(qiáng)調(diào)課外的實驗支持。
在我們開設(shè)的數(shù)字信號處理課程中,除了包含信號與系統(tǒng)的基本知識、DSP構(gòu)建、計算機(jī)算法、有限字長和定點處理器、快速傅里葉變換的應(yīng)用以及實時多媒體和通訊應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容,還建立了一個有力的硬件實驗支撐。在課程的最后,學(xué)生們需要利用DSP開發(fā)平臺實現(xiàn)對語音信號的采樣、濾波、頻譜分析及D/A轉(zhuǎn)換,通過對語音信號進(jìn)行較為完整的處理來加深對課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容的理解。此外,通過使用DSP內(nèi)部并行的執(zhí)行單元、硬件循環(huán)、以尋址為模,多重DMA和片內(nèi)存儲器,學(xué)生將對DSP處理器有深刻的認(rèn)識,加深對DSP算法的理解,探索DSP處理器相比通用處理器在構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)上的優(yōu)勢。
數(shù)字信號處理實驗包括八套實驗設(shè)備,每套實驗設(shè)備包含兩種不同的TI公司DSP開發(fā)系統(tǒng)、信號發(fā)生器及示波器。DSP開發(fā)系統(tǒng)不僅包含DSP處理器,還包括A/D、D/A、SDRAM、FLASH、揚聲器等設(shè)備,可以開展數(shù)據(jù)采集、濾波、頻譜分析等實驗。學(xué)生以小組的方式開展工作,每個小組三名成員,要在兩周內(nèi)完成每一個實驗所要求完成的任務(wù)。為了使學(xué)生靈活安排實驗時間、充分利用實驗資源,我們構(gòu)建了一個小型的“虛擬實驗室”,使學(xué)生能夠通過網(wǎng)絡(luò)直接使用硬件設(shè)備和軟件,方便地學(xué)習(xí)研究DSP的應(yīng)用。我們采取開放的實驗室使用政策,學(xué)生們可以24小時以他們方便的途徑隨意使用實驗室,對于在線的學(xué)生,采用了類似的“提問-回答”的會議方式,在這個會議上助教回答學(xué)生的提問,提供實驗指導(dǎo)。此外所有的講稿筆記、家庭作業(yè)和其他分配任務(wù),包括實驗室考試都會在網(wǎng)上發(fā)送而且也可以在網(wǎng)上上交和批改。
2虛擬實驗室構(gòu)建
實驗室共有12套實驗設(shè)備,每套設(shè)備包括一臺Tektronix AFG310函數(shù)發(fā)生器,一臺Tektronix TDS3012B示波器,一個TI的DSK5510的工具包和一個DSK6713工具包。此外,軟件工具包括由項目管理人,用戶圖形界面,編譯器,連接器,調(diào)試器,源編碼瀏覽器和編輯工具(如TI的Codecomposer)組成的IDE。NI Labview是一個用模塊代替代碼行來創(chuàng)造應(yīng)用的圖形語言。它用于遠(yuǎn)程訪問來同時和AFG310函數(shù)發(fā)生器和TDS3012數(shù)字濾波器進(jìn)行通信。此外,執(zhí)行實驗還需要一些附件如揚聲器,耳機(jī)和網(wǎng)絡(luò)攝影。虛擬實驗室的目標(biāo)是創(chuàng)造一個和實物實驗室盡可能接近的環(huán)境,它必須能遠(yuǎn)程控制,所有的軟件硬件工具都能夠?qū)崟r使用,這樣在線的學(xué)生就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接到實驗室并且方便地使用工具和設(shè)備。圖1(a)展示了虛擬實驗室的安裝連接。在實驗室內(nèi),主控計算機(jī)通過各種接口和協(xié)議與硬件設(shè)備的控制端口相連,實現(xiàn)對各種設(shè)備的操作,如通過HTTP接口控制TDS3012B示波器,通過GPIB接口控制AFG310函數(shù)發(fā)生器,通過USB接口控制DSK5510及DSK6713開發(fā)平臺。這些設(shè)備的輸入或輸出通道通過一個稱作“開關(guān)矩陣”的設(shè)備連接在一起,開關(guān)矩陣由主控計算機(jī)控制,可以靈活組合成不同的實驗平臺,其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。學(xué)生終端經(jīng)校園網(wǎng)連接到實驗室主控計算機(jī),通過LabviewTM圖形用戶語言來實現(xiàn)對實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。
實驗設(shè)備及開關(guān)矩陣的電源都由可遠(yuǎn)程控制的電源管理單元來供電,在線用戶能夠獨立啟動函數(shù)發(fā)生器、示波器、主控計算機(jī)、TDSK5510工具包和DSK6713工具包。實驗室使用的是來自Synaccess的NP08,它擁有八個電源控制端口,一個獨立的電源控制單元就可以使用八個實驗設(shè)備。NP08提供三個用戶權(quán)限級別:
管理員級別:管理系統(tǒng)配置和無限制有權(quán)使用所有電源引口和所有串行端口。
用戶級別:允許每個用戶保留和管理他自己的端口,以及改變大多數(shù)系統(tǒng)配置。
匿名級別(客人):用戶可以觀看所有設(shè)置和操作沒有限制的電源引口和串行控制臺端口。
標(biāo)記不同級別的權(quán)限是非常有用的,例如實驗室助教會授予管理員權(quán)限以便于控制所有可用的實驗臺,在線學(xué)生會被授予一個用戶名/口令和指定的權(quán)限訪問他自己的實驗臺。用戶可以利用telnet命令發(fā)送指令到控制單元,用來重啟用戶設(shè)備、永久打開/關(guān)閉用戶電源等。此外,系統(tǒng)會周期性地利用Ping指令查詢用戶的設(shè)備,如果用戶設(shè)備停止應(yīng)答Ping的請求,該設(shè)備將會重啟。為了確保電源管理單元的正常工作,用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)攝影看見實驗臺來確保設(shè)備正常工作。要注意的是視頻只是作為反饋而不是展示工具。視頻不是用來讀儀器的顯示,用戶可以使用LabviewTM圖形用戶界面來顯示和控制儀器。
3在線實驗
數(shù)字信號處理課程虛擬實驗室目前開設(shè)了兩個實驗,一個是語音信號的采集與濾波,另一個是雙音多頻(DTMF)信號的生成。這兩個實驗分別基于DSK6713開發(fā)平臺與DSK5510開發(fā)平臺進(jìn)行,實驗設(shè)備連接如圖2所示。
在語音信號處理實驗中,主控計算機(jī)中保存的語音或音樂信號(已疊加噪聲)經(jīng)揚聲器輸出端(LINE OUT)進(jìn)入DSK6713開發(fā)板的A/D模塊,經(jīng)采集后得到的數(shù)字信號傳給TMS320C6713處理器,在那進(jìn)行低通濾波,之后經(jīng)DSK6713的D/A模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號,經(jīng)主控計算機(jī)的麥克風(fēng)輸入端(LINE IN)傳入主控計算機(jī)。學(xué)生可在遠(yuǎn)程終端上選擇源信號,并且可以在遠(yuǎn)程終端上播放源信號及處理后的結(jié)果以進(jìn)行對比。在第二個實驗中,由DSK5510開發(fā)板的TMS320C5510處理器根據(jù)主控計算機(jī)設(shè)定的參數(shù)生成DTMF信號(多個單頻信號的疊加),經(jīng)開發(fā)板的D/A模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號后送至TDS32012B示波器進(jìn)行信號時域波形顯示及FFT頻譜顯示。學(xué)生可以通過LabviewTM界面操控示波器并看到處理結(jié)果。這兩個實驗都使用TI公司的Code Compser軟件進(jìn)行開發(fā)。對虛擬實驗室進(jìn)行測評,結(jié)果表明實驗步驟簡潔清晰,實驗所得結(jié)果和在實驗室中實際進(jìn)行操作的結(jié)果相同。音頻流的聲音質(zhì)量也得到所有實驗者的滿意,遠(yuǎn)程軟件工具Code Composer Studio運行也十分流暢。
4結(jié)論
我們采用了一個簡單有效的方法來遠(yuǎn)程訪問硬件和軟件,并構(gòu)建了一個數(shù)字信號處理課程虛擬實驗室。在線的學(xué)生可以通過虛擬實驗室開展實時硬件實驗,并得到和在實際實驗室相同的準(zhǔn)確的結(jié)果。由此可以采取開放的實驗室管理與使用政策,方便學(xué)生學(xué)習(xí)研究DSP的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
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論文摘要：軟件無線電的基本思想是將數(shù)字化處理單元盡可能靠近天線，同時系統(tǒng)各種功能在一個開放性、模塊化的通用硬件平臺上盡可能由軟件定義。它是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。
本文首先深入討論了軟件無線電發(fā)射機(jī)的基本理論:采樣技術(shù)、多速率信號處理和調(diào)制解調(diào)算法。在此基礎(chǔ)上深入研究了多相濾波技術(shù)在信道化發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用，然后推導(dǎo)和建立了實信號信道化發(fā)射機(jī)的數(shù)學(xué)模型，給出了信道劃分方法和真實信道中心頻率的計算公式，最后完成了基于此模型的一個8信道信道化發(fā)射機(jī)的仿真，并驗證了其可行性和正確性。
第一章 緒論 1.1什么是軟件無線電 1.1.1軟件無線電的概念
顧名思義，軟件無線電就是軟件控制的無線電收發(fā)信機(jī)，它的所有工作處理過程和工作參數(shù)都應(yīng)該是由軟件定義和控制的，而不是像傳統(tǒng)無線電臺那樣是由硬件決定。從這個意義上說，軟件無線電臺就是要將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于天線端的射頻(RF)信號處理，亦即將寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線端使用，而且其功能及各種工作參數(shù)都可以通過軟件來定義。這種軟件無線電臺與人們通常所說的數(shù)字化接收機(jī)(電臺)存在一定的區(qū)別。在軟件無線電臺中，要適應(yīng)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)與不同體制的通信設(shè)備互通工作，只需選用或更改電臺的某些工作參數(shù)或處理程序即可實現(xiàn)，而這都是通過軟件來執(zhí)行的，而數(shù)字化接收機(jī)(電臺)一般都需要使用不同的硬件電路，有時甚至要使用與這些通信標(biāo)準(zhǔn)一一對應(yīng)的專用電路，軟件無線電臺的改進(jìn)或升級換代可以通過軟件的升級來實現(xiàn)，但數(shù)字化接收機(jī)(電臺)就不可能那么簡單，一般都要重新設(shè)計和更換新的硬件電路板。由此可見，軟件無線電臺不但具有操作極其方便靈活的特點，而且還能夠?qū)夹g(shù)的發(fā)展和工作環(huán)境的變化作出更為快捷的響應(yīng)。
1.1.2軟件無線電的特性
SDR(Software Defined Radio)是在天線和A/D/A之間放置模擬信號處理環(huán)節(jié)，以便于進(jìn)行濾波、模擬變頻等處理，而其它部分在通用硬件平臺上，由軟件進(jìn)行處理，是一種非理想的軟件無線電。使用SDR概念來設(shè)計和實現(xiàn)下一代的無線通信系統(tǒng)和設(shè)備，與傳統(tǒng)的產(chǎn)品和設(shè)備相比較，具有明顯的優(yōu)勢。它將使得從技術(shù)研究開發(fā)，到設(shè)備制造商、電信運營商，再到每個無線通信終端用戶都受益。具體如下：
1.為技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)提供一個新概念和通用無線通信平臺，大大降低了開發(fā)成本和周期。
傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)只對單一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，從標(biāo)準(zhǔn)相對穩(wěn)定到設(shè)計和開發(fā)專用芯片，再到產(chǎn)品設(shè)計和實現(xiàn)是一個以年為單位的過程，開發(fā)周期長、開發(fā)成本高。上述情況導(dǎo)致在標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程中，大多數(shù)新技術(shù)不能被應(yīng)用，限制了新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，導(dǎo)致商用產(chǎn)品和當(dāng)時技術(shù)水平的巨大差異。SDR將提供一個新概念和通用無線通信平臺，在此平臺上，可能基于軟件來實現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了開發(fā)成本和縮短了周期，使產(chǎn)品能跟上技術(shù)發(fā)展的水平。
2.為設(shè)備制造商降低投資風(fēng)險，提高經(jīng)濟(jì)效益。
目前無線通信產(chǎn)品的生命周期越來越短，因此針對單一產(chǎn)品線的投資風(fēng)險很大?；赟DR技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)將比傳統(tǒng)產(chǎn)品原材料成本低、且產(chǎn)品壽命長，這就意味著投資風(fēng)險低。同時，由于它簡單化及標(biāo)準(zhǔn)化硬件使得產(chǎn)品容易生產(chǎn)。因此，制造商生產(chǎn)基于SDR技術(shù)的產(chǎn)品，可得到遠(yuǎn)大于生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的效益。
3.為運營商降低投資風(fēng)險
移動通信網(wǎng)建設(shè)需要巨大投資，同時具有很大風(fēng)險性。我國現(xiàn)今一方面由于市場需求，GSM網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)容，增加GPRS設(shè)備；另一方面又面臨第三代移動通信到來的時期，制定一個成功的投資戰(zhàn)略極為困難。在現(xiàn)階段考慮在第三代移動通信的多種標(biāo)準(zhǔn)中如何選擇，也有很大的投資風(fēng)險。軟件無線電從某種程度上可降低這種風(fēng)險。
4.為最終用戶提供了一個通用的終端設(shè)備平臺
基于SDR技術(shù)用戶的設(shè)備，是為用戶提供了一個通用的終端設(shè)備平臺。它應(yīng)當(dāng)能支持多達(dá)5-8種國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)，而且可以通過空間加載軟件技術(shù)達(dá)到用戶設(shè)備升級的目的。這樣，用戶便不需要關(guān)心他所在的地區(qū)和運營商的問題，從而實現(xiàn)真正意義的全球漫游。用戶還可能獲得他們所希望得到的新業(yè)務(wù)。
1.1.3軟件無線電的關(guān)鍵性技術(shù)
軟件無線電技術(shù)是軟件化、計算密集型的操作形式。它與數(shù)字和模擬信號之間的轉(zhuǎn)換、計算速度、運算量、存儲量、數(shù)據(jù)處理方式等問題息息相關(guān)，這些技術(shù)決定著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展程度和進(jìn)展速度。寬帶/多頻段天線、A/D/A轉(zhuǎn)換器件、DSP(數(shù)字信號處理器)技術(shù)及實時操作系統(tǒng)是軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)。
1.寬帶/多頻段天線
理想的軟件無線電的天線部分應(yīng)該能覆蓋全部無線通信頻段，通常來說，由于內(nèi)部阻抗不匹配，不同頻段電臺的天線是不能混用的。而軟件無線電要在很寬的工作頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)無障礙通信，就必須有一種無論電臺在哪一個波段都能與之匹配的天線。因此，實現(xiàn)軟件無線電通信，必須有一副可通過各種頻率信號而且線性性能良好的寬帶天線.軟件無線電臺覆蓋的頻段為2MHz～2000MHz。就目前水平而言，研制一種全頻段天線是不可能的。一般情況下，大多數(shù)系統(tǒng)只要覆蓋不同頻段的幾個窗口，不必覆蓋全部頻段，故可采用組合式多頻段天線的方案。即把2MHz～2000MHz頻段分為2MHz～30MHz， 30MHz～500MHz， 5OOMHz～2000MHz三段。這不僅在技術(shù)上可行，而且基本不影響技術(shù)使用要求。
2. A/D/A轉(zhuǎn)換器件
在軟件無線電通信系統(tǒng)中，要達(dá)到盡可能多的以數(shù)字形式處理無線電信號，必須把A/D/A轉(zhuǎn)換盡可能向天線端推移，這樣就對A/D/A轉(zhuǎn)換器的性能提出了更高的要求。為保證抽樣后的信號保持原信號的信息，A/D/A轉(zhuǎn)換要滿足Nyquist抽樣準(zhǔn)則，而在實際應(yīng)用中，為保證系統(tǒng)更好的性能，通常抽樣率不小于帶寬的2.5倍。受器件工作頻率的限制，當(dāng)前軟件無線電通信系統(tǒng)采用A/D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率一般較低，由于其分辨率低，因此影響到信號處理的精度，故增加轉(zhuǎn)換器的精度成為一大熱點。對于更高的轉(zhuǎn)換帶寬要求，可以用并行A/D/A轉(zhuǎn)換的方法完成。
3. DSP(數(shù)字信號處理器)技術(shù)
它主要完成系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等工作。由于電臺內(nèi)部數(shù)據(jù)流量很大。進(jìn)行濾波、變頻等處理運算次數(shù)多，必須采用高速、實時、并行的數(shù)字信號處理器模塊或?qū)Ｓ眉呻娐凡拍苓_(dá)到要求。要完成這么艱巨的任務(wù)，必須要求硬件處理速度不斷增加，芯片容量擴(kuò)大。同時要求算法進(jìn)行針對處理器的優(yōu)化和改進(jìn)。這兩個方面的不斷提高將是數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的不懈動力。只有這樣，才能實現(xiàn)電臺內(nèi)部軟件的高速運行和多種功能的靈活切換和控制。在芯片速度條件限制下，對數(shù)字信號處理器的速度要求是非常高的，利用更高速度的DSP芯片組進(jìn)行并行處理。各個芯片廠商正在努力提高芯片的處理速度，利用多種并行處理、流水線、專用硬件結(jié)構(gòu)來提高芯片的數(shù)據(jù)處理能力。對于一些固定功能的模塊如濾波器、下變頻器等，可以用具有可編程能力的專用芯片來實現(xiàn)，而且這種芯片的速度要高于通用DSP芯片。例如用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)就可以同時滿足速度和靈活性兩方面的要求，支持軟件無線電中的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)置的功能。通常來說系統(tǒng)的分配方式是：計算密集型的部分在DSP內(nèi)部完成。功能相對固定的部分，就由FPGA來完成。
4.實時操作系統(tǒng)
軟件無線電實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)是處理器速度的提高，然而在一定的處理速度限制下，需要有效的實時應(yīng)用處理軟件和實時操作系統(tǒng)支持，才能充分發(fā)揮處理器的性能。與通用操作系統(tǒng)相比，實時操作系統(tǒng)對處理任務(wù)的時間調(diào)度控制更加明確，可以更有效地面向高速數(shù)字信號處理分配有限的處理資源。針對不同的通信體制的共同點，采用、開發(fā)高效而靈活的實時操作系統(tǒng)和實時應(yīng)用軟件。完成多種通信模式的軟件實現(xiàn)，并且隨著移動通信的繼續(xù)發(fā)展，增加具有新的功能的系統(tǒng)模塊，提供更先進(jìn)的服務(wù)。
1.2軟件無線電的現(xiàn)狀和發(fā)展
軟件無線電是一種新系統(tǒng)，近年來被提出應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域. 它是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線通信體系結(jié)構(gòu). 軟件無線電設(shè)計思想就是將數(shù)字化處理單元盡可能靠近天線，同時系統(tǒng)功能盡可能由軟件定義。
軟件無線電在70年代后期被首次提出，當(dāng)時模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)由8085處理器提供，電臺工作于低頻段(VLF)。載波頻率越低，中頻(IF) ADC技術(shù)的使用越切實可行，這的確是軟件無線電的一大特點。
有關(guān)軍事技術(shù)于1992年被首次提出，美國國防遠(yuǎn)景規(guī)劃局的易通話第一期發(fā)起者于1995年對軟件無線電的軍事應(yīng)用進(jìn)行更全面的介紹。易通話第二期項目促進(jìn)了創(chuàng)立于1996年3月的模塊化多功能信息傳輸系統(tǒng)(MMITS)論壇的發(fā)展。MMITS的全球參與者包括法國的阿爾卡特公司、瑞典的愛立信公司、日本的東京大學(xué)、英國的奧林奇?zhèn)€人通信公司、芬蘭的諾基亞公司、德國的羅德施瓦茨公司、韓國的三星電子公司和德國的西門子公司等。
經(jīng)歷一段時間后，MMITS論壇重新定義為SDR論壇，標(biāo)志著軟件無線電開放結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)從側(cè)重軍用向側(cè)重商用的轉(zhuǎn)變。
現(xiàn)階段，軟件無線電在通信系統(tǒng)中，特別是在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用成為研究的熱點。歐洲的先進(jìn)的通信技術(shù)與業(yè)務(wù)計劃中，有三項計劃是將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用在第三代移動通信系統(tǒng)中:FIRST(靈活的綜合無線電系統(tǒng)和技術(shù))計劃將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計多頻/多?？删幊淌謾C(jī)。這種手機(jī)可自動檢測接收信號以接入不同的網(wǎng)絡(luò)，且適應(yīng)不同接續(xù)時間的要求;FRAMES(未來的無線寬帶多址系統(tǒng))計劃的目標(biāo)是定義、研究與評估寬帶有效的多址接入方案來滿足UMTS要求，方法之一是采用軟件無線電技術(shù);SORT(軟件無線電技術(shù))計劃是演示靈活的有效的軟件可編程電臺，它具有無線自適應(yīng)接入功能，并符合UMTS的標(biāo)準(zhǔn)。
美國也正在研究基于軟件無線電的第三代移動通信系統(tǒng)的多頻帶多模式手機(jī)與基站，同時還注意到軟件無線電技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的融合，為第三代移動通信系統(tǒng)提供良好的用戶界面。
我國對軟件無線電技術(shù)也相當(dāng)重視，我國提出的SCDMA是一種同步的直接擴(kuò)頻CDMA(碼分多址)技術(shù)，它結(jié)合了智能天線、軟件無線電及全質(zhì)量話音壓縮編碼等通信技術(shù)。
第二章 軟件無線電中的采樣理論
軟件無線電的核心思想是對天線感應(yīng)的射頻模擬信號盡可能地直接進(jìn)行數(shù)字化，將其變換為適合于數(shù)字信號處理器(DSP)或計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)流，然后通過軟件(算法)來完成各種功能，使其具有更好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性。所以軟件無線電首先面臨的問題就是如何對工作頻帶內(nèi)的信號進(jìn)行數(shù)字化，也就是如何對所感興趣的模擬信號進(jìn)行采樣?采樣速率應(yīng)該取多大?軟件無線電中的采樣有些什么特殊性?
(2-8)
式中， = / = 。
由此可見，抽樣信號的頻譜為原信號頻譜之頻移后的多個疊加。采樣定理為模擬信號的數(shù)字化奠定了理論基礎(chǔ)。
2.2帶通信號采樣理論
Nyquist采樣定理只討論了其頻譜分布在(0， )上的基帶信號的采樣問題，如果信號的頻率分布在某一有限的頻帶( ， )上時，那么該如何對其采樣呢?當(dāng)然，根據(jù)Nyquist采樣定理，仍然可以按 2 的采樣速率來進(jìn)行采樣。但是當(dāng) B= -時，也就是當(dāng)信號的最高頻率八遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其信號帶寬B時，則其采樣頻率會很高，以致很難實現(xiàn)，或者后續(xù)處理的速度也滿足不了要求。帶通采樣理論可以很好的解決這個問題。
帶通采樣定理:設(shè)一個頻率帶限信號 ，其頻帶限制在( ， )內(nèi)，如果其采樣速率 滿足:
=
(2-9)
式中。取能滿足 2( - )的最大正整數(shù)(0，1，2， )。用 進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號采樣值 能準(zhǔn)確的確定原信號 。在實際的傳輸系統(tǒng)中，由于多普勒頻移會造成載波在一定范圍內(nèi)波動。帶通采樣雖然能極大地降低采樣速率，但它易受載波和采樣頻率變化的影響，為此，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮載波和采樣率不穩(wěn)定對系統(tǒng)的影響。本文中對這一內(nèi)容沒有深入討論，暫不考慮多普勒頻移和采樣率波動對系統(tǒng)的影響。
式(2-9)用帶通信號的中心頻率 和頻帶寬度B也可以表示為:
=
(2-10)
式中， =( + )/2， n取能滿足關(guān) 2B （B為頻帶寬度)的最大正整數(shù)。
當(dāng) = /2、B= 時，取n=0，式(2-10)就是Nyquist采樣定理，即滿足 =2 。由式(2-10)可見，當(dāng)頻帶寬度B一定時，為了能用最低采樣頻率即兩倍頻帶寬度速率( =2B)對帶通信號進(jìn)行采樣，帶通信號的中心頻率必須滿足:
= B
(2-11)
也即信號的最高(或最低)頻率是帶寬的整數(shù)倍，也就是說任何一個中心頻率為 =(n=0，1，2， )帶寬為B的帶通信號均可以用同樣的采樣頻率 =2B對信號進(jìn)行采樣，這些采樣均能準(zhǔn)確地表示位于不同頻段(中心頻率不同)的原始信號 ， ， ， 。
上述帶通采樣定理適用的前提條件是:只允許在其中的一個頻帶上存在信號(帶寬B不僅只限于某一信號的帶寬，單從對模擬信號的采樣數(shù)字化來講，這里的B應(yīng)理解為處理帶寬，也就是說在這一處理帶寬內(nèi)可以同時存在多個信號，而不只限于一個信號)，而不允許在不同的頻帶上同時存在信號，否則將會引起信號混疊。為滿足這個前提條件，可以采用跟蹤濾波器的辦法來解決，即在采樣前先進(jìn)行濾波，如圖2.1所示。也就是當(dāng)需要對某一個中心頻率的帶通信號進(jìn)行采樣時，就先把跟蹤濾波器調(diào)到與之對應(yīng)的中心頻率 上，濾出所感興趣的帶通信號 ，然后再進(jìn)行采樣。
SHAPE \* MERGEFORMAT 圖2.1帶通信號的采樣
帶通采樣的結(jié)果是把位于（nB，(n+1)B）(n=0，1，2， )不同頻帶上的信號都用位于(0， B)上相同的基帶信號頻譜來表示，但要注意的是這種表示在n為奇數(shù)時，其頻率對應(yīng)關(guān)系是相對中心頻率“反折”的，即奇數(shù)通帶上的高頻分量對應(yīng)基帶上的低頻分量，奇數(shù)通帶上的低頻分量對應(yīng)基帶上的高頻分量。而偶數(shù)頻帶與采樣后的數(shù)字基帶譜是高、低頻率分量一一對應(yīng)的。這種奇、偶頻帶有別的頻率對應(yīng)關(guān)系在帶通信號采樣定理實際應(yīng)用時是需要特別注意的。
2.3軟件無線電中的帶通采樣理論
由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1 MHz到3 GHz。作為軟件無線電，只有這樣寬的頻段才能具有廣泛的適應(yīng)性。但是如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣至少需要6GHz，這顯然是不現(xiàn)實的。所以，對于寬頻帶工作的軟件無線電電臺只有采用帶通采樣。
2.3.1窄帶中頻采樣數(shù)字化
采樣率為 的理想帶通采樣模型如圖2.2所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖2.2理想帶通采樣模型
上述理想帶通采樣模型在實際應(yīng)用中有一定限制的，例如當(dāng)采樣率 固定時，該模型所能處理(數(shù)字化)的信號的中心頻率只有有限幾個，即
=
n=0，1，2，
(2-12)
而處理帶寬為采樣速率的一半，即
B
(2-13)
此時為了能使該模型能夠處理整個頻帶上的所有信號，則其采樣率 必須取為信號帶寬的兩倍。但是這種方法實現(xiàn)起來是很困難的，主要表現(xiàn)在刃D前面的抗混疊濾波器無法實現(xiàn)，因為它要求該濾波器在整個頻帶都保持相同的濾波器帶寬和阻帶特性是不可能的。
為解決這個問題，可以采用所謂的超外差接收結(jié)構(gòu)，即先用一個本振信號與被數(shù)字化的輸入信號進(jìn)行混頻(可以經(jīng)過幾次混頻)，將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的中頻信號，然后進(jìn)行數(shù)字化，如圖2.3所示。圖中三個頻率之間的關(guān)系為:
=
(2-14)
通過改變本振頻率 ，就可以完成對不同頻率( )信號的數(shù)字化，而這時A/D前的信號中心頻率(中頻)是固定不變的 。如果 取得適當(dāng)，A/D前的抗混疊濾波器就會容易實現(xiàn)。但是，這種超外差中頻數(shù)字化體制的主要缺點是在天線和A/D間增加了很多模擬信號處理環(huán)節(jié)，如混頻、本振信號產(chǎn)生、各種濾波等。這些模擬電路不僅會造成信號失真(特別是混頻器和窄帶濾波器)，而且對縮小體積、降低成本和功耗也是極其不利的。另外，由于在天線與AID間的模擬電路過多，使得這種體制在對信號的適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性方面存在明顯的不足。例如，一旦模擬信道的中頻帶寬確定以后，要適應(yīng)不同的信號帶寬就存在一定的困難，另外，本振信號的頻率步進(jìn)一旦確定，對信道間隔的適應(yīng)能力也就變差了。所以圖2.3所示的結(jié)構(gòu)并不是軟件無線電概念上的一種理想的結(jié)構(gòu)形式，特別是由于過多的模擬信號處理環(huán)節(jié)而造成適應(yīng)性不強(qiáng)、可擴(kuò)展性差的弊端是顯而易見的。
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖2.3窄帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)
2.3.2寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化
為了改善上述中頻數(shù)字化體制對信號環(huán)境的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，可以通過適當(dāng)增加中頻帶寬的辦法來加以解決(只能說是部分解決)，也就是使圖2.3中的中頻帶寬B滿足:
B>>
(2-15)
此時在中頻帶寬B內(nèi)將包含有多個信道(信道數(shù)N=B/ )。至于對帶寬B內(nèi)位于某一特定信道上的信號所需進(jìn)行的解調(diào)、分析、識別等處理，將由后續(xù)的信號處理器及其軟件來完成，該軟件主要完成數(shù)字濾波(可變帶寬)、數(shù)字下變頻以及解調(diào)等信號處理任務(wù)，通過加載不同的信號處理軟件就可以實現(xiàn)對不同體制、不同帶寬以及不同種類信號的接收解調(diào)以及其他信號處理任務(wù)，這樣對信號環(huán)境的適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性就大大提高了。而且由于中頻帶寬加寬了，本振信號可以按照大步進(jìn)來設(shè)計，這樣可以大大簡化本振源的設(shè)計，有利于減小體積、改善性能、降低成本。
2.3.3射頻直接帶通采樣定理
射頻直接帶通采樣是建立在帶通信號采樣的基礎(chǔ)之上。一般的無線電信號(如通信信號、雷達(dá)信號、遙控遙測信號等)其瞬時信號帶寬都是比較窄的，例如一般的常規(guī)V/UHF戰(zhàn)術(shù)通信電臺信號帶寬(間隔)為:50kHz， 25kHz或12.5kHz等，而短波電臺的信號帶寬就更窄，即使象非常規(guī)的擴(kuò)頻信號，其帶寬也不過幾兆赫茲，超過百兆赫茲的信號是比較少的。所以，單獨對某一個信號進(jìn)行接收解調(diào)時就完全可以應(yīng)用帶通信號采樣定理對其進(jìn)行數(shù)字化，如圖2.4所示。
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圖2.4射頻直接帶通采樣軟件無線電接收體制
由前面的帶通信號采樣定理知道，當(dāng)以采樣速率 對 （0，f）頻帶內(nèi)的信號進(jìn)行數(shù)字化時，如果A/D前的抗混疊濾波器是理想的話(矩形系數(shù)為1，帶寬為 /2)，就可以實現(xiàn)整個頻帶的無“盲區(qū)”采樣。但是這種矩形系數(shù)為1的理想濾波器是實現(xiàn)不了的。在實際應(yīng)用中，濾波器的非理想化造成采樣“盲區(qū)”，解決的辦法是對這些“盲區(qū)”通過選擇合適的采樣頻率進(jìn)行“異頻”或“異速率”采樣。
第三章 多速率信號處理
在一個信號處理系統(tǒng)中有時需要不同的抽樣率。這樣做的目的有時是為了系統(tǒng)中各處需要不同的抽樣率，以利于信號的處理、編碼、傳輸和存儲，有時是為了節(jié)省計算工作量。使抽樣率降低的抽樣率轉(zhuǎn)換稱為抽取;使抽樣率升高的抽樣率轉(zhuǎn)換稱為內(nèi)插。抽取和內(nèi)插是多抽樣率信號處理的基本環(huán)節(jié)。
在軟件無線電系統(tǒng)中，我們的設(shè)計思路是ADC采樣頻率越大越好，這樣可獲得更高的信噪比，在一些寬帶中頻和射頻無線電方案中，ADC的采樣率高達(dá)幾十MHz。但是對通用接收機(jī)來說，在同一時間里一般只要求對一個信號進(jìn)行分析處理，而單一信號的帶寬最大也只有200kHz左右(擴(kuò)頻信號另論)，這樣采樣頻率最大也只需1 MHz左右，因此完全有可能降低采樣頻率而不丟失信號信息。另一方面，降低采樣率可以減輕信號處理負(fù)荷，節(jié)省寶貴的DSP系統(tǒng)運算資源。
3.1整數(shù)倍抽取
當(dāng)信號的抽樣數(shù)據(jù)量太大時，為了減少數(shù)據(jù)量以便于處理和計算，我們將抽樣數(shù)據(jù)每隔D-1個取一個，這里D為整數(shù)。這樣的抽取稱為整數(shù)倍抽取，D為抽取因子。如圖3.1所示，輸入的序列 的抽樣間隔為 ，相應(yīng)的抽樣率為 。進(jìn)行整數(shù)倍抽取后，所得新的序列 的抽樣周期為 ，抽樣率為 ，由于每隔D個 抽取一個數(shù)據(jù)，所以 =D ， = /D。
圖3.2完整的抽取器方框圖
這種方法雖然把 中的高頻部分損失掉了，但由于避免了混迭，所以在 中仍然完好地保存了 低頻部分。在信號恢復(fù)時可以從 恢復(fù) 的低頻部分。
3.2整數(shù)倍內(nèi)插
整數(shù)倍內(nèi)插是在已知抽樣序列 的相鄰兩抽樣點之間等間距插入I一1個0值點，然后進(jìn)行低通濾波，即可求得I倍內(nèi)插的結(jié)果，這里I為整數(shù)。這樣的內(nèi)插稱為整數(shù)倍內(nèi)插，I為內(nèi)插因子。圖3.3所示為一般情況下的整數(shù)倍內(nèi)插框圖。
3.3采樣頻率的分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)換
上兩節(jié)我們討論了通過整數(shù)倍抽取和內(nèi)插實現(xiàn)采樣頻率的整數(shù)倍縮小和增大，在一些特殊情況是我們需要采樣頻率分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)換，這種變換可以這樣來實現(xiàn):先通過I倍內(nèi)插，再進(jìn)行D倍抽取，如圖3.6所示。
圖3.6取樣率的分?jǐn)?shù)倍I/D變換
內(nèi)插器的低通濾波器 與抽取器的低通濾波器 ，總的濾波效果等于其中帶通截止頻率較低的那個濾波器，所以，只需用這一濾波器即可，因此，I/D倍采樣速率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可簡化為圖3.6(b)，這時的低通濾波器為:
3.4多抽樣率系統(tǒng)的多相結(jié)構(gòu)
在多抽樣率系統(tǒng)中我們總是設(shè)法把乘法運算安排在低抽樣率的一側(cè)以使單位時間內(nèi)的乘法次數(shù)(MPS)最少。但在抽取器和內(nèi)插器中濾波的卷積運算都是在抽樣率較高的一側(cè)，例如實現(xiàn)抽取器的運算，如果先做抗混迭濾波的卷積運算然后抽取，則必然有很多計算工作是徒勞的，而且一個卷積運算又必須在輸入信號的抽樣時間間隔內(nèi)完成，這樣就使得每秒鐘的乘法次數(shù)很高。在實現(xiàn)多抽樣率系統(tǒng)時，F(xiàn)IR結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)越性。一方面它是絕對穩(wěn)定的并具有很容易做成線性相位的優(yōu)點，另一方面也容易實現(xiàn)高效結(jié)構(gòu)。
在多抽樣率信號處理中，多相濾波技術(shù)是一種極其重要的方法，多相濾波技術(shù)可以極大地降低運算量，使原來不可能實現(xiàn)的實時處理成為可能，從而大大增強(qiáng)了信號處理能力。多相濾波技術(shù)在形式上是將數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H(z)分解成若干個相位不同的組，所以，也叫多相分解，其本質(zhì)上是避免不必要的運算，從而提高濾波運算的計算效率。
1. FIR濾波器的多相表示
在FIR濾波器中，轉(zhuǎn)移函數(shù)
=
(3-7)
式中，N為濾波器的長度。如果將沖激響應(yīng)h(n)按下列的排列分成D個組并設(shè)N為D的整數(shù)倍，即N/D=Q， Q為整數(shù)，則:
圖3.7 FIR濾波器多相分解的第一種形式
1.進(jìn)一步細(xì)化原有教學(xué)計劃，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，彰顯專業(yè)特色。
對原有教學(xué)大綱及計劃做了仔細(xì)的分析與討論，適時調(diào)整課程內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生所在專業(yè)的特點，精選教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步細(xì)化原有教學(xué)計劃。由于各專業(yè)知識體系不同，教師如何講授可以使學(xué)生在有限的時間內(nèi)獲取足夠的工程數(shù)學(xué)知識，為后繼的專業(yè)課程打下堅實的基礎(chǔ)，需要教師對學(xué)生專業(yè)課程的大致內(nèi)容要了解，從而對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，刪除一些不必要內(nèi)容，增加工程應(yīng)用實例，進(jìn)一步細(xì)化原有的授課計劃。我院信息工程系的通信專業(yè)、電氣自動化專業(yè)課程是與工程數(shù)學(xué)結(jié)合最緊密的專業(yè)，《微波技術(shù)基礎(chǔ)》、《天線技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)字信號處理》、《信號與系統(tǒng)》、《信息論》、《數(shù)字信號處理》、《電磁場理論》、《自動控制原理》等課程大量的問題都?xì)w結(jié)為工程數(shù)學(xué)和高等數(shù)學(xué)的知識。在微波傳輸中傳輸線的矩陣解、矩形波導(dǎo)、園波導(dǎo)等傳輸線方式分析，微波網(wǎng)絡(luò)分析中無耗互異網(wǎng)絡(luò)特性分析、密碼通信中的加密、解密，微波負(fù)載元件、微波連接元件、阻抗匹配元件、功率分配元件等特性分析等問題，都用到了線性方程組求解、求解特征值、特征向量、矩陣的求逆、將矩陣對角化等《線性代數(shù)》的知識。在《信息論》中，信號的輸入與輸出中信道的傳遞概率等問題就是利用《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》中離散隨機(jī)變量的條件概率、全概率公式、貝葉斯公式等知識。《線性代數(shù)》與《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》的矩陣?yán)碚撆c樣本均值與方差的結(jié)合用于《圖像處理》中的變換核分析。所以在講解工程數(shù)學(xué)這些知識點時要注重解題技巧及如何解決專業(yè)課程的相關(guān)問題，弱化一些工程數(shù)學(xué)本身的理論推導(dǎo)。
2.工程數(shù)學(xué)理論知識與實際應(yīng)用（數(shù)學(xué)建模）的有效結(jié)合。
在課程中增加數(shù)學(xué)實驗教學(xué)，像MatLab、Mathematics語言內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)背景，設(shè)計了幾個實際問題《密碼的設(shè)計、解碼與破譯》、《信息的度量與應(yīng)用》、《交通流問題》。通過實際工程問題建立數(shù)學(xué)建模，借助數(shù)學(xué)軟件對實際問題進(jìn)行研究分析，將線性代數(shù)的矩陣論、概率統(tǒng)計中的多元回歸分析及數(shù)據(jù)擬合、誤差分析等工程數(shù)學(xué)的知識完美結(jié)合，這樣可以直接將理論教學(xué)與數(shù)學(xué)實驗相連接，幫助學(xué)生及時從實踐中加強(qiáng)對理論的理解，取得了非常好的教學(xué)效果。
3.結(jié)合專業(yè)制定合理的考核方式，鼓勵學(xué)生進(jìn)行專業(yè)探索。
隨著教學(xué)改革的深入展開，教學(xué)內(nèi)容、方法和手段都發(fā)生了變化，因此考試內(nèi)容及方法也應(yīng)與之相適應(yīng)?？荚噧?nèi)容要能較為全面地反映教改的效果以及學(xué)生對課程知識的掌握情況，更主要的是要能夠有效地體現(xiàn)出學(xué)生的綜合素質(zhì)。課題組改變了傳統(tǒng)的“一張卷子是大頭”模式，改變了傳統(tǒng)只參考作業(yè)、課堂表現(xiàn)作為平時成績的方式，在現(xiàn)有考核方式中，顯現(xiàn)了學(xué)生在處理專業(yè)問題時運用工程數(shù)學(xué)知識的能力，從而更加綜合地測評了學(xué)生學(xué)習(xí)成果。具體如下：（1）在平時成績的評定中，除了常規(guī)的考試方式，任課老師還可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，聯(lián)系相關(guān)的專業(yè)問題設(shè)計幾個開放性題目，學(xué)生可以根據(jù)興趣選擇題目，查找相關(guān)資料，并對計算的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實際給出可行性建議，最后以論文的形式上交，教師給予評分，作為考核成績的一部分。（2）教師采取了綜述報告和科技演講兩個方式進(jìn)行測試作為學(xué)生期末成績的附加分，學(xué)生可以自由選擇。綜述報告中能夠深層次地檢測學(xué)生對該課程的理解及相關(guān)應(yīng)用?？萍颊撐难葜v可以很大程度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、專業(yè)探索能力、實踐能力。
二、結(jié)論
系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前電壓型可逆變流器控制策略的發(fā)展概況，并對其詳細(xì)分類研究。在比較各種控制方案優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上最終確定了以電流d-q變換結(jié)合滑?？刂谱鳛楸菊n題的控制策略。
詳細(xì)闡述了電壓型可逆變流器的數(shù)學(xué)模型，包括通用數(shù)學(xué)模型、d-q變換大信號數(shù)學(xué)模型、以及d-q變換小信號數(shù)學(xué)模型。根據(jù)d-q變換大信號數(shù)學(xué)模型建立了系統(tǒng)的電流環(huán)。結(jié)合d-q變換小信號數(shù)學(xué)模型設(shè)計了電壓環(huán)以及電壓環(huán)的滑模控制器。
確定了電壓空間矢量(SVPWM)作為開關(guān)控制策略。詳細(xì)闡述了其基本原理?；贛ATLAB對其進(jìn)行了仿真研究。針對可逆變流器使用常規(guī)的PID控制對系統(tǒng)參數(shù)變化的較為敏感性，電壓環(huán)采用了滑模變結(jié)構(gòu)控制以期得到改善?；贛ATLAB仿真軟件完成了系統(tǒng)的忽略高次諧波、不忽略高次諧波下的SPWM、SVPWM的閉環(huán)系統(tǒng)仿真。
針對單片機(jī)控制系統(tǒng)的計算速度慢，實時性控制較差，因此本課題采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F240來控制系統(tǒng)，以期提高計算速度。
根據(jù)本課題的控制方案，設(shè)計了系統(tǒng)軟件流程，編寫了系統(tǒng)的電流電壓雙閉環(huán)程序?；赥MS320F240發(fā)出開關(guān)頻率fs =900Hz的空間矢量波形。理論上的分析結(jié)合實踐過程完成了系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)實驗，驗證了控制方案的可行性。
本課題獲得河北省教委科技基金支持，是國家自然科學(xué)基金的后續(xù)課題，對解決電網(wǎng)諧波污染，提倡綠色用電有著重大的經(jīng)濟(jì)價值和理論上的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 功率因數(shù)校正；可逆變流器；滑模變結(jié)構(gòu)控制；空間矢量；數(shù)字信號處理器
Abstract
Development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. Control strategy is studied in detail. Direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.
Mathematics mode is set forth detailedly， including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. The system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. The voltage loop and its SMC are designed according to d-q change small signal mathematics model.
Space vector PWM is regarded as switch control strategy .Its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on MATLAB. Voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional PID control， which is sensitive to system parameter. Close loop system simulation of SPWM and SVPWM is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on MATLAB.
Because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly， digital signal processor TMS320F240 of TI Company is adopted to improve the calculation speed.
Flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. The double close loop program of current and voltage is complied. SVPWM wave of switch frequency (900Hz) is emitted based on TMS320F240.Open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process， validating feasibility of control strategy.
This paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province HeBei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.
Keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor
目 錄
摘要……………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論…………………………………………………………………1
1.1 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展概況………………………………………1
1.1.1 單個三相PFC電路………………………………………………2
1.1.2 電流斷續(xù)狀態(tài)下三相單開關(guān)變換器……………………………3
1.1.3 電流斷續(xù)狀態(tài)下的三相升壓變換器……………………………4
1.1.4 電流連續(xù)狀態(tài)下三相升壓變換器………………………………4
1.1.5 三相降壓整流器…………………………………………………5
1.2 電壓型可逆變流器的開關(guān)控制策略…………………………………5
1.3 電壓型可逆變流器的控制方案………………………………………6
1.3.1 間接電流控制……………………………………………………6
1.3.2 直接電流控制……………………………………………………7
1.4 可逆變流器控制策略的新發(fā)展………………………………………9
1.4.1 單周控制…………………………………………………………10
1.4.2 占空比控制………………………………………………………10
1.4.3 基于Lyapunov非線性大信號方法控制………………………10
1.4.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制………………………………………10
1.4.5 雙電流控制………………………………………………………11
1.4.6 輸出直流電壓的優(yōu)化前饋補(bǔ)償控制……………………………11
1.5 本課題工作…………………………………………………………11
第2章 可逆變流器控制方案及數(shù)學(xué)模型…………………………13
2.1 可逆變流器數(shù)學(xué)模型概述…………………………………………13
2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………………13
2.2.1 系統(tǒng)通用數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………14
2.2.2 系統(tǒng)d-q數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………16
2.2.3 系統(tǒng)小信號數(shù)學(xué)模型……………………………………………18
2.3 系統(tǒng)的控制方案……………………………………………………21
2.4 變流器電流環(huán)的設(shè)計………………………………………………22
2.5 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論………………………………………………25
2.5.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本問題……………………………………26
2.5.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本策略……………………………………26
2.5.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)………………………………27
2.6 滑?？刂破骷半妷涵h(huán)的設(shè)計………………………………………28
2.6.1 廣義控制對象的確定……………………………………………28
2.6.2 滑模控制器的改進(jìn)………………………………………………32
2.7 本章小結(jié)……………………………………………………………36
第3章 系統(tǒng)仿真研究……………………………………………………37
3.1 空間矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37
3.2 空間矢量的工作模式和時間的計算………………………………38
3.3 空間矢量調(diào)制比及其對系統(tǒng)的影響………………………………42
3.4 空間矢量的MATLAB仿真………………………………………43
3.5 控制系統(tǒng)仿真研究………………………………………………45
3.5.1 不忽略高次諧波下的總系統(tǒng)SPWM仿真……………………49
3.5.2 不忽略高次諧波下的總系統(tǒng)空間矢量仿真……………………50
3.6 本章小結(jié)……………………………………………………………52
第4章 基于DSP軟件實現(xiàn)……………………………………………53
4.1 TMS320F240的結(jié)構(gòu)與匯編原理……………………………………53
4.2 TMS320F240的中斷結(jié)構(gòu)……………………………………………54
4.3 TMS320F240的定點運算……………………………………………55
4.4 系統(tǒng)控制的硬件和軟件設(shè)計………………………………………56
4.4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計……………………………………………………57
4.4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計……………………………………………………58
4.5 本章小結(jié)……………………………………………………………60
第5章 系統(tǒng)實驗…………………………………………………………61
5.1 開環(huán)實驗……………………………………………………………62
5.2 閉環(huán)實驗……………………………………………………………64
5.2.1 電流閉環(huán)實驗……………………………………………………64
5.2.2 電壓閉環(huán)實驗……………………………………………………67
5.3 實驗注意事項………………………………………………………69
5.4 本章小結(jié)……………………………………………………………69
結(jié)論……………………………………………………………………………71
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………72
攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文……………………………………………77
致謝……………………………………………………………………………78
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[關(guān)鍵詞] 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院；通信工程專業(yè)；實踐教學(xué)改革；應(yīng)用型人才；培養(yǎng)模式；課程體系
[中圖分類號] G642.45 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-893X（2012）05?0048?03
湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院是一所以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為宗旨的教學(xué)應(yīng)用型民辦本科院校。作為學(xué)校工科類主要專業(yè)之一的通信工程專業(yè)，其培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)具有通信技術(shù)、通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)等方面的知識，有創(chuàng)新精神、工程能力強(qiáng)、基本素質(zhì)好、能在通信領(lǐng)域中從事開發(fā)、應(yīng)用通信技術(shù)與設(shè)備的高級應(yīng)用型技術(shù)人才。為了更好地實現(xiàn)這一目標(biāo)，并積極貫徹落實學(xué)校制定的“高水平教學(xué)應(yīng)用型本科院?！钡霓k學(xué)定位，走“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”的新型辦學(xué)之路，對通信工程本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式進(jìn)行探討顯得至關(guān)重要，其目的是立足于區(qū)域經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展需求，凸現(xiàn)民辦高校工科專業(yè)特色，謀求科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，并不斷完善教學(xué)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)體系。
一、實踐教學(xué)改革與應(yīng)用型人才培養(yǎng)
實踐教學(xué)是教學(xué)應(yīng)用型民辦本科院校內(nèi)涵建設(shè)的重要組成部分，它與理論教學(xué)不是主從關(guān)系而是辯證統(tǒng)一的關(guān)系，是兩個相互獨立、相互依存、相互促進(jìn)的教學(xué)體系，是體現(xiàn)學(xué)校辦學(xué)水平和應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志[1]。作為教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，實踐教學(xué)是培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合素質(zhì)、工程實踐能力以及實踐創(chuàng)新意識及能力的重要手段，是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的有效途徑和重要保證，有著理論教學(xué)不可替代的特殊作用。因此，必須轉(zhuǎn)變重理論輕實踐、重課堂理論知識傳授輕專業(yè)技能培養(yǎng)、重驗證性實驗輕綜合性設(shè)計性實驗的觀念，提高對實踐教學(xué)重要性的認(rèn)識，深化實踐教學(xué)改革。通過加強(qiáng)實踐教學(xué)建設(shè)與管理，進(jìn)一步提升實踐教學(xué)人員的素質(zhì)和能力，構(gòu)建實踐教學(xué)資源保障體系，建立并完善一套適應(yīng)實踐教學(xué)的運行機(jī)制[2-3]。
二、實踐教學(xué)改革總體思路及目標(biāo)
通信工程專業(yè)實踐教學(xué)改革的總體思路應(yīng)以市場需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力為根本，堅持“知識、技能、素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展，更新實踐教學(xué)理念，統(tǒng)籌規(guī)劃理論教學(xué)和實踐教學(xué)工作，加大實踐教學(xué)投入，提高實踐教學(xué)質(zhì)量及水平，培養(yǎng)“高素質(zhì)、應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型”的高級應(yīng)用型人才。通信工程專業(yè)實踐教學(xué)改革的總體目標(biāo)則是實踐教學(xué)理念符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，進(jìn)一步優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，不斷創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，適時整合實踐教學(xué)資源，優(yōu)化實踐教學(xué)隊伍，規(guī)范實踐教學(xué)管理，努力構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研一體化、以培養(yǎng)學(xué)生能力為根本、為區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才的實踐教學(xué)體系[4-5]。
三、實踐教學(xué)改革方案及應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式
（一）加強(qiáng)課程體系建設(shè)，提高教學(xué)效果
湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院通信工程專業(yè)以“專業(yè)能力培養(yǎng)”為核心，根據(jù)構(gòu)成學(xué)生能力各基本要素之間的相關(guān)性及教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，對形成學(xué)生能力要素相關(guān)的課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合，組成面向?qū)W生專業(yè)能力培養(yǎng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程和專業(yè)任選課程三大專業(yè)課程模塊。
1. 專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊
通信工程專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊主要由電路原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯與數(shù)字分析、信號與線性系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理、電磁場與電磁波、高頻電子線路等組成。
專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊以信號與線性系統(tǒng)和通信原理為核心，通過加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)等理論的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)能力；并以訓(xùn)練通信信號、系統(tǒng)的分析設(shè)計能力為中心，使學(xué)生全面掌握通信系統(tǒng)分析與設(shè)計的基本技能。
2. 專業(yè)課程模塊
通信工程專業(yè)課程主要包括光纖通信、移動通信、程控交換技術(shù)、通信網(wǎng)等。
通信工程專業(yè)課程模塊將以現(xiàn)代通信技術(shù)為核心，通過加強(qiáng)通信技術(shù)理論的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用技能。
3. 專業(yè)任選課程模塊
專業(yè)任選課程模塊則由電子線路EDA、MATLAB、自動控制原理、數(shù)字圖像處理、DSP原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用以及通信新技術(shù)系列講座等組成。
專業(yè)任選課程模塊以開闊學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為重點，通過一批反映通信技術(shù)發(fā)展前沿的課程和系列講座，讓學(xué)生逐步了解現(xiàn)代通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
三大課程模塊的建立強(qiáng)化了課程之間的理論體系，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果及教學(xué)質(zhì)量。
（二）加強(qiáng)實踐教學(xué)體系建設(shè)，構(gòu)建實踐教學(xué)體系新思路
教學(xué)應(yīng)用型本科教育培養(yǎng)的是“應(yīng)用性、工程性、創(chuàng)新性”的高級應(yīng)用型人才，這就必然要求進(jìn)一步加強(qiáng)實踐教學(xué)體系的建設(shè)。實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計要體現(xiàn)設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性，使學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)達(dá)到一個新的高度。根據(jù)專業(yè)能力培養(yǎng)要求，在實踐教學(xué)體系的構(gòu)建上應(yīng)注重學(xué)生能力培養(yǎng)的整體設(shè)計，改革現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式，把實驗教學(xué)的主導(dǎo)思想定位在注重基礎(chǔ)、加強(qiáng)應(yīng)用、追蹤前沿、培養(yǎng)學(xué)生分析與解決工程實際問題的能力以及提高學(xué)生就業(yè)競爭力上。不斷深化改革和完善實驗教學(xué)體系，提高實踐教學(xué)在整個教學(xué)活動中的地位，大量開設(shè)綜合性設(shè)計性實驗，在教學(xué)計劃中構(gòu)建完整合理的實驗教學(xué)體系，注重實驗教學(xué)與其它實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接。加強(qiáng)課程設(shè)計、實習(xí)（含認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)）和畢業(yè)設(shè)計（論文）等環(huán)節(jié)的實施與管理，把工程化教育和學(xué)生實踐能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)落到實處。
實驗教學(xué)內(nèi)容和體系的改革是實驗教學(xué)改革的重點和難點，創(chuàng)新實踐教學(xué)體系要緊緊圍繞創(chuàng)新教育對人才培養(yǎng)的要求，既要注重縱向知識體系的系統(tǒng)性，又要注重橫向知識體系的相互滲透；既要注意對學(xué)生的共性需求，又要注意學(xué)生的個性發(fā)展；既要注意教師的主導(dǎo)作用，更要注意學(xué)生主體作用的發(fā)揮。
【關(guān)鍵詞】通信工程 課程設(shè)置 實踐教學(xué)
【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）18-0009-02
通信作為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點，正在成為引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要力量，被明確寫進(jìn)“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。在未來幾年建設(shè)中，通信產(chǎn)業(yè)必將迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。通信產(chǎn)業(yè)的崛起促進(jìn)了高等教育通信工程專業(yè)的快速發(fā)展，1998年教育部頒布普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和規(guī)范，首次明確了通信工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)。2012年教育部高等教育司又新頒布《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012年）》和《普通高等學(xué)校本科專業(yè)設(shè)置管理規(guī)定》，新目錄中的通信工程專業(yè)內(nèi)涵清晰，結(jié)構(gòu)合理。
天津理工大學(xué)的通信工程專業(yè)，是在學(xué)校1978年設(shè)立的第一批本科專業(yè)（無線電專業(yè)）基礎(chǔ)上，在2000年根據(jù)教育部專業(yè)目錄以及學(xué)校調(diào)整合并而成。作為天津市地方高校中最早建立的通信工程本科專業(yè)，本專業(yè)貫徹學(xué)?！胺?wù)地方，面向基層”的辦學(xué)理念，秉承“重德重能，求實求新”的校訓(xùn)精神，堅持走“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合的辦學(xué)之路，在學(xué)科專業(yè)建設(shè)中形成了明顯優(yōu)勢，并獲得“天津市品牌專業(yè)”的稱號。
鑒于目前通信工程人才的供需和人才現(xiàn)狀，著眼于天津及濱海新區(qū)的信息化和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，本專業(yè)針對如何培養(yǎng)創(chuàng)新型通信工程人才，在通信工程品牌專業(yè)人才培養(yǎng)模式和教學(xué)改革方面開展了一系列的探索和實踐，修改后的培養(yǎng)方案充分體現(xiàn)了“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重素質(zhì)”的教育思想和21世紀(jì)培養(yǎng)人才的要求。
一 更新教育教學(xué)理念
根據(jù)通信行業(yè)和通信技術(shù)的發(fā)展及其對通信人才的需求，結(jié)合我校的學(xué)科特色和通信工程品牌專業(yè)的具體情況，更新教育教學(xué)理念，堅持“強(qiáng)化基礎(chǔ)、注重實踐、突出能力、提高素質(zhì)”的思想，側(cè)重分類培養(yǎng)，著眼于學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展，以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心，強(qiáng)化工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練，在重視基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識、基本能力、初步科學(xué)研究能力和實際工作能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，貼近社會需求，注重課程體系的整體優(yōu)化，培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強(qiáng)和素質(zhì)高、具有競爭力的高質(zhì)量通信人才。
二 強(qiáng)化以培養(yǎng)能力為主線的課程體系建設(shè)
通信工程是我校傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)，長期以來形成了基礎(chǔ)扎實、學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、踏實肯干的特色。本專業(yè)主要培養(yǎng)具備通信與信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，能從事通信理論、通信系統(tǒng)、通信設(shè)備以及信息系統(tǒng)的研究、設(shè)計、制造、運營、應(yīng)用和開發(fā)的高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才。構(gòu)建通信工程專業(yè)的課程體系時，分析社會用人單位的需要，結(jié)合學(xué)科特點，以“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重素質(zhì)”為培養(yǎng)目標(biāo)，建立以培養(yǎng)能力為主線的課程體系。
我校的通信工程專業(yè)分為兩個專業(yè)方向，分別是無線通信（方向一）和光纖通信（方向二）。方向一對專業(yè)基礎(chǔ)課程“現(xiàn)代通信原理”和“數(shù)字信號處理”有更高的要求，主修的內(nèi)容包括：CDMA擴(kuò)頻通信原理、移動通信等，學(xué)習(xí)移動通信中的各種接入技術(shù)。方向二強(qiáng)調(diào)光纖主干網(wǎng)絡(luò)的傳輸與交換技術(shù)。主修的內(nèi)容包括：光纖通信、現(xiàn)代交換技術(shù)等。
在充分論證、研究和分析專業(yè)知識銜接關(guān)系的基礎(chǔ)上，對培養(yǎng)方案中的課程設(shè)置進(jìn)行改革。首先，課程設(shè)置要圍繞素質(zhì)教育（思想品德、文化素養(yǎng)、科學(xué)精神、身心素質(zhì)）。其次，體現(xiàn)寬口徑原則，設(shè)置學(xué)科基礎(chǔ)模塊、專業(yè)必修模塊和專業(yè)選修模塊。學(xué)科基礎(chǔ)模塊中有電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、現(xiàn)代通信原理等課程，通過學(xué)習(xí)可使學(xué)生掌握電路以及通信系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，為培養(yǎng)核心能力打下基礎(chǔ)。專業(yè)必修模塊中有數(shù)字信號處理、通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和信息理論基礎(chǔ)等課程，既能鞏固基礎(chǔ)知識，又能為培養(yǎng)專業(yè)技能打下堅實的基礎(chǔ)。再次，面向就業(yè)需求，加大選修課的開設(shè)力度，并增加必要的前沿性專題講座。選修課的開設(shè)可大大緩解目前通信技術(shù)知識廣泛而學(xué)時數(shù)有限的矛盾，我校通信工程專業(yè)先后開設(shè)了多媒體通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字電視原理等課程。此外，信息科學(xué)前沿講座的特點是針對性強(qiáng)，涉及面廣，并具有一定的獨立性，信息量大，有利于及時傳授新知識，培養(yǎng)學(xué)生對各種學(xué)科信息的綜合處理與創(chuàng)新能力，對于提高學(xué)生的就業(yè)適應(yīng)能力具有很好的效果。
三 強(qiáng)化實踐教學(xué)
通信工程專業(yè)對學(xué)生的工程實踐能力、獨立工作能力以及創(chuàng)新能力的要求較高，因此在課程結(jié)構(gòu)設(shè)置方面應(yīng)適當(dāng)減少理論課的學(xué)時比例，增加綜合實驗、課程設(shè)計、工程實踐訓(xùn)練的比例，促進(jìn)理論與實踐的緊密結(jié)合。以發(fā)展個性、因材施教作為教學(xué)實踐的基本原則，把分類培養(yǎng)、啟發(fā)創(chuàng)新作為教學(xué)實施的關(guān)鍵。
綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或相關(guān)課程知識的實驗。開設(shè)綜合性實驗的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、實驗動手能力、數(shù)據(jù)處理能力及查閱中外文資料的能力。
然而，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，一些通信專業(yè)實驗的
* 本文得到了天津理工大學(xué)教學(xué)改革項目的資助（編號：YB11-34、YB11-06）
設(shè)備昂貴、投資巨大，制約了通信工程專業(yè)實驗室的建設(shè)。為了合理利用資源，在實驗教學(xué)過程中可以將一些不能或不便用實驗演示的基本概念、基本方法、理論結(jié)論用計算機(jī)來演示。如采用EDA、SPICE、MATLAB等軟件可以實現(xiàn)電子、通信、信號等系列課程實驗教學(xué)。MATLAB語言是一種面向科學(xué)與工程計算的高級語言，MATLAB除了在科研領(lǐng)域備受青睞，在高校也被廣泛使用。MATLAB不僅可以作為理論教學(xué)的示范性工具，還可以作為實驗教學(xué)的主要工具。利用MATLAB仿真技術(shù)進(jìn)行實驗項目的開發(fā)，能有效彌補(bǔ)某些傳統(tǒng)實驗所帶來的不便和不足，同時由于其不受場地環(huán)境和設(shè)備的限制，通信工程專業(yè)的信號與系統(tǒng)、現(xiàn)代通信原理、數(shù)字信號處理等很多課程都可以增加MATLAB的仿真設(shè)計實驗。
為了加強(qiáng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，提高學(xué)生實踐動手能力，我校在本科培養(yǎng)方案中鼓勵增設(shè)創(chuàng)新與研修類課程。該類課程由學(xué)生按要求自由選擇，該類課程的教師針對那些對本課程有濃厚興趣的學(xué)生，結(jié)合課程的教學(xué)內(nèi)容，提出一些項目的設(shè)想，讓學(xué)生可以根據(jù)自身的情況，選擇一定的機(jī)會來參加科研活動，撰寫科技論文，以此來提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)院鼓勵本專業(yè)的大學(xué)生參與各種科技立項和大賽等，其中科技立項的項目均來自老師的科研，并指派相關(guān)老師進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生通過以上一系列的鍛煉，理論和實踐能力都得到了大幅提升。
四 總結(jié)
根據(jù)質(zhì)量工程中對品牌專業(yè)建設(shè)的要求，為了進(jìn)一步提高本科生教學(xué)質(zhì)量和效果，我們應(yīng)更新教育教學(xué)理念，堅持“強(qiáng)化基礎(chǔ)、注重實踐、突出能力、提高素質(zhì)”的思想，著眼于學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展，以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心，強(qiáng)化工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練，建立分層分類培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化整合課程內(nèi)容，注重實踐教學(xué)，強(qiáng)化工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練，充分滿足“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重素質(zhì)”的教育思想和新世紀(jì)培養(yǎng)人才的要求。
參考文獻(xiàn)
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