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信号检测与估计课程绪论教学方法

 论文栏目:教学方法论文     更新时间:2018/10/10 16:03:42   

摘要:“信号检测与估计”课程因其完整的理论体系,很难短时间内让学生领会,因此造成事实上的学生课程学习困难。给课程“作绪”的质量高低,某种程度上会直接影响学生对本门课程的学习。本文首先分析本课程难以学习的原因,其次提出基于实例的给课程作绪论的教学方法,然后梳理它在通信、雷达以及卫星导航三个领域的知识点,最后给出具体的2学时绪论课的教学思路,并整理出一份实际的绪论课教案。

关键词:检测与估计;课程体系;通信;雷达;导航

一、引言

在日后的课题研究时,也没有意识应用所学到的科学的分析理论和方法,基本上失去了课程存在的意义。因此,众多的授课教师们已经认识到在有限的授课时间内,知识体系建立的重要性要远大于具体知识的传授,也在不同层次、不同角度开展教学方式和方法的改革。绪论课是该课程第一次与学生见面。绪论课是否成功,能否抓住学生的注意力,为日后的学习效果定了基调,因此显得尤为重要。事实上,信号检测与估计的理论在通信、雷达、卫星导航等领域有深入应用。针对该课程特点,本文提出以该课程在这三个领域的几个典型实例为主要内容的绪论课方式,旨在促进学生对课程内容的理解,提高学生的学习兴趣。对通信、雷达以及导航领域中相对应知识进行梳理,给出一堂绪论课的教案实例。

二、课程在三大领域的体现

信号检测与估计理论已成为现代信息科学的一个重要组成部分。随着生产实践和科学技术的发展,特别是随着电子计算机技术的发展和应用,显著地增加了实现各种最佳或者接近最佳的处理方案的可能性,也促进了理论本身的不断发展。目前,信号检测与估计的理论已经广泛应用于各个领域,如通信、雷达、卫星导航、自动控制、模式识别等领域。在课堂上,实时将所讲的知识点与不同应用领域加以联系,不但加深了学生对知识的理解,也提高了学习兴趣,事半功倍。通过完成这些建设,增强了学生对知识的理解掌握能力,全面提升了课程的教学效果。1.通信在通信原理经典教材中,有一章专门讨论数字信号的最佳接收机问题,也是定量分析误码率最重要的一章,其全部的理论基础来自于信号检测与估计课程。通信系统中的最佳接收是以错误概率最小为准则的,可分为确知信号、随相信号和起伏信号三类分别定量分析。实际通信接收机的误码率性能分析也是本课程中信号统计性能理论的进一步深入。在通信技术中,存在在干扰噪声中发现或者分辨微弱信号的问题。一般来说,信号通过系统所能获得的信噪比是系统有效性的一个度量,如二元通信系统的错误概率与信噪比有关,信噪比越大,错误概率越小。此外,通信中的匹配滤波和相关接收的重要概念也出自于本课程。因此有了信号检测与估计理论后,再去阅读通信原理就会容易得多。2.雷达雷达中的信号检测是一个综合性问题。雷达的主要功能是检测、跟踪和成像,检测是指判断雷达测量值到底是目标回波还是仅为干扰项。雷达回波信号中总是混杂着噪声和各类干扰,而噪声和各种干扰信号均具有随机持性,在这种条件下如何发现目标属于信号检测的范畴。只有在确定有目标存在时,才会进一步进行距离、角度和多普勒的精确估计。信号检测理论是判断信号是否存在的方法及其最佳处理方式。在雷达信号处理的著作中,都会有关于雷达信号的恒虚警概率检测(CFAR)的深入讨论,这是雷达普遍采用的信号检测方法。其理论基础就来自于本课程的统计检测,属于派生贝叶斯中的奈曼—皮尔逊准则。3.导航卫星导航接收机技术是以信号检测与估计为重要理论基础的。卫星导航信号的捕获也属于噪声中信号的检测,在工程上,技术人员往往采用和雷达中一样的恒虚警检测技术。位置的定位解算过程,采用了基于最小二乘法的迭代算法,是一种噪声背景下的信号估计方法,属于信号统计估计范畴。目标的航迹经常会采用卡尔曼滤波算法进行推测,属于波形估计的范畴。导航接收机接收到的数据可能掺杂着各种干扰,为保存导航信号,可采用以输出信噪比最大为最佳准则的线性滤波理论。匹配滤波的方法也常常用来处理导航信号。匹配滤波器是许多最佳检测系统的基本组成部分,在最佳信号参量估计、信号分辨、信号产生和信号压缩等方面起着重要作用。

三、绪论(2学时)的教案设计

根据课程的四个主要构成内容,每个构成内容安排一个实例。以下是笔者在教学实践中所采用的实例。统计检测:以雷达接收机中有无敌机目标的恒虚警检测问题为例,讲解雷达检测是一种基于噪声与杂波背景的统计检测,解释雷达为什么要采用奈曼—皮尔逊的恒虚警检测准则。在讲解时注意结合提问的形式,促使学生主动思考。波形检测:以二进制确知信号BPSK调制信号的最佳接收为例,讲解其调制方法,形象解释由于其相关系数为-1,故其误码率最低的原因,理解波形检测所要解决的问题。统计估计:以导航中定位解算的最小二乘法为例,讲解采用导航定位解算实质上就是四个(或以上)病态非线性方程的联立求解,解释其采用最小二乘的原因。波形估计:以导航中目标的运动航迹推测为例,讲解什么是航迹推测,以及卡尔曼滤波算法进行航迹推测的过程。基于上述思路,下表中给出2学时绪论课的一个教案设计实例:

四、结束语

绪论是一门课的开场,其质量好坏会直接影响本门课的教学效果。信号检测与估计的知识点在通信、雷达和导航中有广泛应用。为了能更好地引导学生,教师应秉承以实例为主要引导手段,从而尽快把握课程精髓之所在的教学主张。通过实例引导,有助于学生尽快地理解信号检测与信号估计的含义,引发学生的求知欲望。学习信号检测与估计理论,将为学生进一步学习研究随机信号统计处理打下扎实的理论基础;同时该课程的基本概念、基本理论和分析问题的方法也为解决实际问题提供了方向,从而让学生以更好的状态面对日后课程的学习。

参考文献:

[1]景小荣,李强,陈前斌,等.基于Matlab的《信号检测与估计》课程教学改革[J].实验科学与技术,2012

[2]曲长文,苏峰,周强,等.信号检测与估计课程教学中统计观念的培养[J].教育教学论坛,2017

[3]刘兆霆,吴端坡.信号检测与估计课程教学讨论之最小二乘估计问题[J].中国教育技术装备,2017

[4]樊昌信,曹丽娜.通信原理(第6版)[M].北京:国防工业出版社,2007

[5]理查兹.雷达信号处理基础[M].北京:电子工业出版社,2008

[6]谢钢.GPS原理与接收机设计:PrinciplesofGPSandreceiverdesign[M].北京:电子工业出版社,2009

作者:王晓君 倪永婧 张秀清 康娇 单位:河北科技大学信息科学与工程学院

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