第一篇：《工程信號處理》課程教學(xué)探索

《工程信號處理》課程教學(xué)探索

【摘要】《工程信號處理》是機(jī)電類專業(yè)中的一門基礎(chǔ)課程。其在工程技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，它以培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)測試與信號分析理論技術(shù)、提高學(xué)生實踐能力為主，但是學(xué)習(xí)《工程信號處理》課程需要良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及對相關(guān)概念理論的深入理解。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程有較大難度?；诖耍疚膶Α豆こ绦盘柼幚怼氛n程進(jìn)行探索。

【關(guān)鍵詞】工程信號處理課程探索

【中圖分類號】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0244-01

以秦樹人所著的《工程信號處理》為例，該課程注重對基本原理介紹，如傅立葉變換、窗函數(shù)類型及性質(zhì)，以及傳感器的原理和類型等等，而且有的書籍專門介紹了利用實驗設(shè)備采集信號、處理信號的過程；通過這些內(nèi)容學(xué)習(xí)《工程信號處理》可以較好的彌補因?qū)嶒炘O(shè)備昂貴而無法讓學(xué)生參與實踐學(xué)習(xí)的問題。因此掌握《工程信號處理》課程將為以后我們的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；但是目前《工程信號處理》課程在教學(xué)過程中還面臨很多問題。在此背景下，我們將對《工程信號處理》課程進(jìn)行教學(xué)探索。

1.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

《工程信號處理》分為線性、平穩(wěn)信號處理和非線性、非平穩(wěn)信號處理兩部分，第一章至第四章為線性、平穩(wěn)信號處理，第五章至第九章為非線性、非平穩(wěn)信號處理，第一章主要介紹了信號分析的一些基礎(chǔ)知識，如卷積、離散傅立葉變換等。第二章介紹現(xiàn)代譜分析的方法。第三章主要介紹自適應(yīng)濾波器。第四章討論了高階統(tǒng)計分析在《工程信號處理》中的應(yīng)用。第五章介紹了獨立分量分析在《工程信號處理》中的應(yīng)用。第六章講解時域分析方法。第七章介紹了小波分析的理論知識及其在《工程信號處理》中的應(yīng)用。第八章重點講解Hilbert―Huang變換。最后，第九章介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和其在《工程信號處理》中的應(yīng)用。

2.教學(xué)中存在的問題

從目前工程信號處理課程中看，仍然存在諸多問題：1）目前《工程信號處理》課程主要是以理論學(xué)習(xí)為主，學(xué)生對工程信號處理實驗涉及較少；2）沒有清晰完整的實踐教學(xué)體系，同時由于實驗設(shè)備成本較高，特別是帶有頻譜分析和測量功能的儀器價格更為昂貴，使得《工程信號處理》課程的實驗無法普遍實施；3）實驗設(shè)備無法滿足教學(xué)要求，學(xué)生不能通過實驗去直觀的學(xué)習(xí)工程信號知識；4）學(xué)生在學(xué)習(xí)《工程信號處理》課程之前，需掌握《高等數(shù)學(xué)》、《復(fù)變函數(shù)》和《電路分析》等課程。在學(xué)習(xí)過程中，大多數(shù)學(xué)生只是孤立的學(xué)習(xí)《工程信號處理》，一般很難將之前學(xué)過的課程與本門課程聯(lián)系起來。5）學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的工程信號處理知識，還要不斷的吸收理解最新的信號處理技術(shù)與知識。因此，目前的教學(xué)問題導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象難懂。

3.考學(xué)方法的改革

為了提高教學(xué)效果，我們需要對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改革。利用仿真軟件Matlab進(jìn)行同步仿真可以很好的提高教學(xué)效果。Matlab是信號處理領(lǐng)域最為強大的軟件之一，其編程語言規(guī)則簡單，程序編制簡單易學(xué)；老師可以在課堂教學(xué)中，簡單介紹一下Matlab的應(yīng)用，給出相關(guān)的習(xí)題，讓學(xué)生利用Matlab進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，不僅能夠讓學(xué)生很好的理解課本內(nèi)容，而且還可以讓學(xué)生了解到信號采集、生成的過程?！豆こ绦盘柼幚怼氛n程第一章介紹工程信號分析的一些基礎(chǔ)知識，基礎(chǔ)知識非常重要但是抽象難懂，因此可以結(jié)合Matlab布置一些作業(yè)（如利用Matlab實現(xiàn)卷積等）。第二章介紹現(xiàn)代譜分析的方法，可以結(jié)合理論內(nèi)容利用Matlab編程理解其公式方法。第三章介紹了各種自適應(yīng)濾波器，學(xué)生理解各自適應(yīng)濾波器的功能、優(yōu)劣即可。第四章講解高階統(tǒng)計分析，可以結(jié)合Matlab實現(xiàn)相關(guān)算法，從而加深對算法的理解。第五章介紹了獨立分量分析在《工程信號處理》中的應(yīng)用，利用Matlab編程實現(xiàn)FastICA算法，充分理解其實現(xiàn)過程。第六章和第七章分別講述了視頻分析方法和小波分析，老師可以結(jié)合課本內(nèi)容讓學(xué)生利用Matlab編寫程序理解兩種分析方法。第八章重點介紹Hilbert―Huang變換，同樣采用Matlab編寫程序?qū)W習(xí)其相關(guān)內(nèi)容（如利用Matlab編寫程序?qū)崿F(xiàn)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的算法步驟）。第九章介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生熟悉了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可。

4.結(jié)束語

《工程信號處理》是一門應(yīng)用性很強的課程，結(jié)合Matlab仿真軟件學(xué)習(xí)《工程信號處理》，不僅提高了學(xué)生的動手實踐能力，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，而且使抽象難懂的知識更加具體化，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)工程信號處理課程。但是，對于更好的提高教學(xué)效果，我們還需要從教學(xué)方法上繼續(xù)探索改革。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦樹人.工程信號處理[M].高等教育出版社，2008.[2]李杰，曹昕燕，張猛.《信號與系統(tǒng)》與《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革探索[J].長春大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，17（10）：35-37.作者簡介：

羅久飛（1987.02-），男，漢族，四川綿陽人，重慶郵電大學(xué)機(jī)械工程系講師，博士，主要從事信號處理研究。

第二篇：隨機(jī)信號處理教學(xué)文本

隨機(jī)信號處理教學(xué)大綱

課程名稱：隨機(jī)信號處理

學(xué) 時：45學(xué)時 開課學(xué)期：第六學(xué)期

適用專業(yè)：電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù) 課程類別：選修 課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課

先修課程：數(shù)字信號處理、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字電路、計算機(jī)原理

教 材：《隨機(jī)信號處理》 張玲華，鄭寶玉著

清華大學(xué)出版社2003年9月第一版(一)本課程的地位、性質(zhì)和任務(wù)

隨機(jī)信號是客觀世界中普遍存在的一類信號，對其特性的深入理解以及掌握相應(yīng)的分析與處理方法，對電子信息工程專業(yè)的學(xué)生是非常重要的。本課程是電子信息工程、信息對抗技術(shù)專業(yè)的本科生掌握現(xiàn)代電子技術(shù)必備的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。學(xué)習(xí)本課程的目的在于掌握信號統(tǒng)計分析與處理的理論和方法，通過學(xué)習(xí)，具備一定的隨機(jī)信號分析和處理的能力，為以后專業(yè)課學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。(二)課程教學(xué)的基本要求：

通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解隨機(jī)信號的基本概念，掌握隨機(jī)信號的基本理論和分析處理方法，為學(xué)習(xí)“統(tǒng)計信號處理”或“信號檢測與估值”等后續(xù)課程以及將來的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

(三)課程主要內(nèi)容及學(xué)時分配：

第1章 緒論(2學(xué)時)要求了解數(shù)字信號處理的基本概念，學(xué)科概貌，DSP的基本組成、特點等。主要包括下面幾部分內(nèi)容：

1.1 數(shù)字信號處理的基本概念

1.2 數(shù)字信號處理的學(xué)科概貌（研究內(nèi)容）1.3 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成 1.4 數(shù)字信號處理的特點 1.5 本課程的特點

第1章 數(shù)字信號處理基礎(chǔ)（10學(xué)時）

要求掌握離散時間信號系統(tǒng)相關(guān)概念、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。主要包括下面幾部分內(nèi)容：

1.1 離散時間信號系統(tǒng) 1.2 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)

2、《隨機(jī)過程理論及應(yīng)用》，陸大鑫等，高等教育出版社，1987。

3、《Probability RandomVariable Radom process》帕布里斯（美）

4、《統(tǒng)計信號處理》 沈鳳麟，葉中付，錢玉美著 中國科技大學(xué)出版2001年3月(五)教學(xué)方法的原則性建議： 重點難點

1、隨機(jī)信號基本理論和概念的建立

2、基本隨機(jī)信號處理方法的掌握

3、現(xiàn)代譜估計理論和自適應(yīng)信號處理技術(shù)

方法提示

授課、小結(jié)、習(xí)作討論、輔導(dǎo)與答疑相結(jié)合。

第三篇：語音信號處理及加密課程總結(jié)

《語音信號處理及加密》課程總結(jié)

本學(xué)期，我選修了《語音信號處理及加密》這門課。在本門課程的學(xué)習(xí)中，我系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了現(xiàn)代語音編碼技術(shù)的基本概念和基本知識，如什么是語音編碼、對語音編碼的要求、現(xiàn)代語音編碼技術(shù)的作用和意義、現(xiàn)代語音編碼系統(tǒng)的構(gòu)成、分類以及主要性能指標(biāo)等等，使我對現(xiàn)代語音編碼有了初步的概要的了解。最近的二十幾年來，隨著數(shù)字通信、計算機(jī)、信號處理、微電子等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，語音編碼技術(shù)發(fā)展非常迅速，取得了一系列突破性的成果，極大地促進(jìn)了數(shù)字通信的發(fā)展和普及，是現(xiàn)代通信以及信息技術(shù)的一個亮點。所謂的現(xiàn)代語音編碼技術(shù)，主要就是指最近二十幾年發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的語音編碼技術(shù)。

一、為什么要學(xué)習(xí)語音編碼技術(shù)？

由于PCM的編碼速率過高，不適應(yīng)通信和信息技術(shù)發(fā)展的需要，為了壓縮編碼速率，減少傳輸占用的帶寬，人們一直在致力于研究開發(fā)新的語音編碼技術(shù)。這種強烈的客觀需求是推動語音編碼技術(shù)發(fā)展的巨大動力。另一方面，最近二十幾年來，隨著計算機(jī)、微電子、信號處理等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是隨著數(shù)字信號處理算法和器件（DSP芯片）的飛速發(fā)展和應(yīng)用，為中、低速率語音編碼器的發(fā)展和應(yīng)用準(zhǔn)備了必要條件。正是在這種情況下，從20世紀(jì)80年代以來的二十幾年間，語音編碼技術(shù)進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的時期。

現(xiàn)代語音編碼技術(shù)就是指20世紀(jì)80年代以來發(fā)展起來的新的語音編碼技術(shù)，這些新的語音編碼技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動了通信和信息技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代通信發(fā)展史中的一個閃光點。

學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代語音編碼技術(shù)的基礎(chǔ)知識、分析方法、關(guān)鍵技術(shù)和算法十分重要，只有了解和掌握這些已經(jīng)成熟或基本成熟的方法和技術(shù)，才能很好地適應(yīng)現(xiàn)代通信和信息技術(shù)發(fā)展的需要，才能研究開發(fā)新的方案和算法，提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)方案。

二、我學(xué)到了什么？

語音編碼為信源編碼，就是對模擬的語音信號進(jìn)行編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，從而降低傳輸碼率并使之可以在數(shù)字信道中傳輸。語音編碼的目的是在保持一定得算法復(fù)雜程度和通信時延的前提下，占用盡可能少的通信容量，傳送盡肯能高質(zhì)量的語音。

語音編碼按照傳統(tǒng)的分類方法通常分為三類：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。(一)波形編碼

波形編碼是將時間域或頻率域或變換域信號直接編碼為數(shù)字信號，力求使重建語音波形保持原始語音信號的波形形狀。波形編碼具有語音質(zhì)量好、抗噪聲性能強等優(yōu)點。其缺點是所需用的編碼速率高，一般在64~16Kb/s之間。波形編碼是應(yīng)用最早、人們最熟悉的語音編碼技術(shù)。波形編碼通常包括時域波形編碼、頻域波形編碼和變換域波形編碼三種類型。在課程學(xué)習(xí)中，我對這三種編碼技術(shù)有了初步的了解。1)時域波形編碼

課程中介紹了幾種常用的時域波形編碼，即脈沖編碼調(diào)制（PCM）、增量調(diào)制（DM或?M）、差分脈沖調(diào)制（DPCM）和自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制（ADPCM）。PCM是應(yīng)用最早和最廣泛的語音編碼技術(shù)，在很長一段時間內(nèi)，它一直在語音編碼中占據(jù)統(tǒng)治地位，對于通信的數(shù)字化起到過極為重要的推動作用。近年來語音編碼技術(shù)取得一系列突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了許多嶄新的編碼算法和技術(shù)，已經(jīng)動搖了PCM的統(tǒng)治地位，但在通信和信息系統(tǒng)中，PCM的應(yīng)用依然相當(dāng)普遍。其工作原理是：在譯碼端，輸入模擬信號經(jīng)過取樣、量化和編碼，實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變換成為數(shù)字信號；到了譯碼端，再將接收到的數(shù)字信號通過譯碼、低通平滑濾波實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)為模擬信號。

DPCM是對相鄰樣值之間的差值進(jìn)行編碼，而不是對取樣值本身進(jìn)行編碼，這樣就能夠降低編碼速率。由于它是對預(yù)測誤差信號進(jìn)行編碼，而預(yù)測誤差信號的能量比輸入信號的能量小得多，因此量化限幅電平也可以小得多。這樣，在量化電平數(shù)不變的條件下，量化器的量化間隔就比輸入信號的量化間隔小得多，使得量化噪聲減少。而在保持信噪比不變的情況下，DPCM就可以通過減少量化比特數(shù)，降低編碼速率。

ADPCM是采用自適應(yīng)量化及高階自適應(yīng)預(yù)測技術(shù)的DPCM。自適應(yīng)線性預(yù)測以幀為單位進(jìn)行，根據(jù)本幀語音波形的時間相關(guān)性確定預(yù)測系數(shù)，使得預(yù)測誤差信號的方差最小。

DM是DPCM的一種特殊形式。當(dāng)系統(tǒng)的取樣品率大于Nyquist頻率許多倍時，相鄰取樣值之間的相關(guān)性很強，差分信號的幅度值會在一個很小的范圍內(nèi)變化，于是就可以用正負(fù)兩個固定的電平來表示差分信號。因此，在DM中僅用1bit即可對差分信號進(jìn)行量化，也就是只需指示出極性即可。2)子帶編碼

子帶編碼是一種應(yīng)用比較廣泛的語音編碼技術(shù)，也是一種典型的頻域波形編碼技術(shù)。它利用帶通濾波器（BPF）組首先將輸入信號分割成若干個不同的小的頻帶（稱為子帶），通過等效于單邊帶調(diào)幅的調(diào)制過程，將各子帶搬移到零頻率附近，形成低通信號后，再以Nyquist速率對各子帶輸出取樣，并對這些取樣值分別進(jìn)行通常的數(shù)字編碼。在接收端，將各子帶編碼信號進(jìn)行譯碼，并重新調(diào)制回原始位置，再將所有子帶輸出相加，恢復(fù)出原始信號。把語音信號分成若干子帶進(jìn)行編碼主要有三個優(yōu)點。首先，如果對不同的子帶合理的分配比特數(shù)，就可能分別控制各子帶的量化電平數(shù)目以及相應(yīng)的重建信號的量化誤差方差值，使誤碼率更精確地與各子帶的信源統(tǒng)計特性相匹配。其次，通過調(diào)整不同子帶的比特分配數(shù)值，可以控制總的重建誤差頻譜形狀，使誤差譜的形狀適應(yīng)人耳聽覺特性，獲得更好的主觀聽音質(zhì)量。第三，子帶編碼的另一個優(yōu)點是各子帶內(nèi)的量化噪聲相互獨立，被束縛在自己的子帶內(nèi)，這樣就能避免輸入電平較低的子帶信號被其他子帶的量化噪聲所淹沒。這種情況在非子帶編碼中就會發(fā)生，除非專門采用噪聲譜形形成等技術(shù)來控制。3)變換域編碼。

變換域編碼又稱為變換域波形編碼，是語音編碼中經(jīng)常使用的編碼方式之一，尤其是在寬頻帶高音質(zhì)聲頻編碼中，變換編碼應(yīng)用更為廣泛。

變換域編碼是將通常在時域描寫的語音信號變換到另外一些變換域中描寫(這些變換通常采用正交變換)，然后再對變換后的信號進(jìn)行量化和編碼。在接收端，首先對通過信道傳輸?shù)慕邮招盘栠M(jìn)行譯碼，然后進(jìn)行反變換以恢復(fù)出原始輸入的語音信號。在文獻(xiàn)資料中經(jīng)常介紹并在實際中獲得廣泛應(yīng)用的集中主要正交變換是：K-L變換（K-LT或KLT）、W-H變換（W-HT或WHT）、Haar變換（HT）、斜變換（ST）、離散余弦變換（DCT）和離散傅里葉變換（DFT）。(二)參數(shù)編碼

參數(shù)編碼又稱為聲源編碼或聲碼器，有時又成為分析-綜合編碼，它是將信源信號在頻域或其他變換與提取特征參數(shù)，然后對這些特征參數(shù)進(jìn)行編碼或傳輸；在譯碼端再將收到的數(shù)字信號譯成特征參數(shù)，根據(jù)這些特征參數(shù)重建語音信號。參數(shù)編碼是通過對語音信號特征參數(shù)的提取和編碼，力求使重建語音信號具有盡可能高的可懂度，即保持原語音信號的語意，但重建語音信號的波形語言語音信號波形卻相差甚遠(yuǎn)。參數(shù)編碼的有點是可實現(xiàn)低速率語音編碼，其編碼速率可低至2.4kb/s以下。其缺點是語音質(zhì)量差，自然度較低，即使是熟人一般也定不出來講話的人是誰。此外，參數(shù)編碼的堅韌性也不夠好。

參數(shù)編碼的基礎(chǔ)是語音的產(chǎn)生模型。根據(jù)這一模型對語音信號進(jìn)行分析，就可以得到語音的譜包絡(luò)、基音周期以及清濁音判決等參數(shù)。然后就可以對這些參數(shù)進(jìn)行編碼和傳輸。譯碼中所使用的聲道濾波器的形式，與編碼器中的譜包絡(luò)分析器的形式必須相對應(yīng)，才能夠在同樣的語音產(chǎn)生模型基礎(chǔ)上合成出發(fā)送端的語音信號。(三)混合編碼

語音混合編碼是在采用線性預(yù)測編碼（LPC）技術(shù)的語音參數(shù)編碼的基礎(chǔ)上，通過采用許多改進(jìn)措施，使用合成分析法而形成的一種新的編碼技術(shù)，是最近二十幾年來在語音編碼技術(shù)上的一種突破性進(jìn)展，收到人們的普遍重視，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。它克服了波形編碼和參數(shù)編碼的缺點，吸收了它們的長處，在16~4kb/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。多脈沖激勵線性預(yù)測（MPE-LP）編碼、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測（RPE-LP）編碼和碼激勵線性預(yù)測（CELP）編碼等都屬于混合編碼。

多脈沖激勵線性預(yù)測（MPE-LP）編碼是一種高音質(zhì)語音編碼算法，是第一個實用、有效的ABS-LPC類型的算法。在MPELPC中，不論是清音還是濁音，都用一幀中的有限多個脈沖經(jīng)過最優(yōu)化估值后作為激勵信號。

規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測（RPE-LP）編碼是在MPELPC的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)而得到的。RPE-LTP編碼方案的特點是算法簡單，語音質(zhì)量好，MOS分為4.0分。它是利用預(yù)測殘差、感覺加權(quán)濾波器的單位沖擊響應(yīng)、位置脈沖模式等信息通過解線性方程組求得激勵脈沖序列的，因此其算法較簡單。

碼激勵線性預(yù)測（CELP）編碼是目前應(yīng)用最多的混合編碼技術(shù)。CELPC采用分幀技術(shù)進(jìn)行編碼，幀長一般為20~30ms。CELPC基于合成分析（ABS）法的搜索過程、感覺加權(quán)、矢量量化（VQ）和線性預(yù)測（LP）技術(shù)。它用從碼書中搜索出來的最佳碼矢量，乘以最佳增益，代替線性預(yù)測的殘差信號（余量信號）作為激勵信號源。CELPC通常將每一語音幀分為2~5個子幀，在每個子幀內(nèi)搜索最佳的碼矢量最為激勵信號。

三．學(xué)習(xí)體會

在現(xiàn)代通信中，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像、數(shù)據(jù)等非話音信息在通信信息中所占的比例大大提高，而且這種提高的趨勢仍然會繼續(xù)下去。但是，到目前為止，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，傳輸醉倒的信息仍然是語音信號。在可以預(yù)見的未來的通信中，盡管語音信號在通信信息總量中所占的比例會有所下降，但仍然會是傳輸最多的信息。

語音編碼技術(shù)在數(shù)字通信中的作用至關(guān)重要，現(xiàn)代語音編碼技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中一個相當(dāng)重要的學(xué)科，在各種通信網(wǎng)絡(luò)中都得到廣泛應(yīng)用。在學(xué)習(xí)了這門課程之后，我對語音編碼技術(shù)有了粗略的概念性的了解，并通過實驗深入理解了語音編碼及處理的基本原理，更加深刻地認(rèn)識到語音編碼的作用與意義。只有學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代語音編碼技術(shù)，我們才能更好地向著“降低編碼速率，減少傳輸占用的帶寬”的目標(biāo)前進(jìn)，推動語音編碼技術(shù)的發(fā)展。

第四篇：通信信號處理課程報告

MIMO技術(shù)及其在下一代移動通信中的應(yīng)用

一、前言：

MIMO技術(shù)是無限移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。MIMO技術(shù)能在不增加寬帶的情況下，成倍的提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。隨著世界各國對該技術(shù)的不斷研究完善，我們有理由相信MIMO技術(shù)將成為新一代移動通信系統(tǒng)所必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

MIMO技術(shù)源于無限通信天線分集技術(shù)與智能天線技術(shù)，它是多入單出（MISO）與單入多出（SIMO）技術(shù)的結(jié)合，具有兩者的優(yōu)勢和特征。MIMO系統(tǒng)在發(fā)端和收端均采用多天線單元，運用先進(jìn)的無線傳輸與信號處理技術(shù)，利用無限信道的多徑傳播，因勢利導(dǎo)，開發(fā)空間資源，建立空間并行傳輸通道，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，成倍地提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，堪稱現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要技術(shù)突破。

MIMO技術(shù)已不是傳統(tǒng)的無線通信智能天線，其優(yōu)勢已非常規(guī)智能天線所及。

二、MIMO技術(shù)：

1、MIMO信道模型：

MIMO系統(tǒng)在基站和移動端都采用了天線陣列，可為移動通信系統(tǒng)帶來更大的系統(tǒng)容量，更好地保障了通信質(zhì)量以及提供更高的頻譜利用率。MIMO系統(tǒng)能夠在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下，提供未來移動通信系統(tǒng)所需要的大容量高速率傳輸。當(dāng)發(fā)射功率和傳輸帶寬固定時，MIMO系統(tǒng)的最大容量或容量上限將隨天線數(shù)目的增加而增加，可以提高無線信道的容量。

以基站和移動臺作為發(fā)射端和接收端來分析。上圖1所示的兩個線性天線陣列，假定基站有NT根天線、移動臺有NR根天線。在基站的天線陣列上的信號表示為：

xj(t)=[x1（t），x2（t），…xt（t）]T

式中，符號[.]T為矢量或矩陣的轉(zhuǎn)置，xj(t)為移動臺的第i根天線端口的信號。

同理，yj(t)= [y1（t），y2（t），…yR（t）]T 式中，yj(t)為移動臺得第j根天線端口的信號。

2、MIMO系統(tǒng)的容量：

系統(tǒng)的容量是表征通信系統(tǒng)性能最重要的標(biāo)志之一，即表示了通信系統(tǒng)的最大傳輸率。MIMO系統(tǒng)自身具有的一個最大的優(yōu)勢是，它能夠提供其他任何系統(tǒng)所不能達(dá)到的容量優(yōu)勢。

對于P個發(fā)射天線和Q個接收天線的MIMO系統(tǒng)，信道容量的公式為：

C=log2[det（IQ+SNR/P*H*H）]b/s/Hz 其中，IQ 表示單位矩陣，SNR表示接收天線的平均信噪比，“*”表示共軛轉(zhuǎn)置，H是P×Q的信道響應(yīng)矩陣。上式是在假設(shè)P個相等功率的不相關(guān)的天線條件下成立的。那么，在MIMO系統(tǒng)傳輸信號過程中，每個字?jǐn)?shù)據(jù)流的傳輸過程是相互獨立的，每個接收天線接收到的信號也是相互獨立的，沒有任何的干擾，這樣可以提高接收信號質(zhì)量。一般地，對于發(fā)射天線為P，接收天線為Q的MIMO系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，則信道容量為：

*C=[min(P,Q)B log2(SNR/2)] b/s/Hz 其中，B為信道帶寬，SNR為接收平均信噪比。上式表明：當(dāng)發(fā)射功率和傳輸帶寬固定時，MIMO系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨較小天線數(shù)目的增加而線性增加。

信道信噪比SNR與信道容量C的關(guān)系：

1、仿真結(jié)果：

圖為：信噪比為-5, 0, 5, 100 分析：在實驗仿真時，可以得出以下結(jié)果：

當(dāng)天線數(shù)目一定時,隨著信噪比的增大信道容量也增大，信道容量的增加速度越來越慢；當(dāng)信噪比一定時,隨著天線數(shù)目的增加信道容量也增大，信道容量的增加速度越來越慢；當(dāng)天線達(dá)到一定數(shù)目時，信道容量趨于一個穩(wěn)定值，不再隨天線數(shù)目增加而增加。MIMO信道容量的大小與信噪比以及天線數(shù)目有關(guān)。當(dāng)天線數(shù)目較少時，信道容量與天線數(shù)目成正比，當(dāng)天線數(shù)目大到一定值時，信道容量達(dá)到飽和狀態(tài)，不再隨天線數(shù)目的增加而改變。

3、MIMO信道估計： 在MIMO系統(tǒng)中，常用的信道估計的方法包括最小二乘估計、最大似然估計、最大后驗概率估計以及最小均方誤差估計：

下面以最小二乘估計、最大似然估計為例進(jìn)行分析：（1）最小二乘信道估計算法：

一個MT*MR 系統(tǒng)，接收的向量由下式給出

式1 其中，維數(shù)為，是由MT 個發(fā)射天線上的訓(xùn)練序列組，成的訓(xùn)練矩陣。Mp為訓(xùn)練期間接收天線所收到的接收信號矩陣，維數(shù)為H是訓(xùn)練期間的信道系數(shù)矩陣，與前面定義相同，維數(shù)為Mr×Lt，其中每個元素服從Ryaelihg分布，Vp 為0均值、方差為的高斯白噪聲矩陣。

采用LS方法進(jìn)行信道估計的代價函數(shù)為: 式2 使 式2所示的代價函數(shù)達(dá)到最小的就是H的LS估計，也即:

進(jìn)一步將公式2中的代價函數(shù)對求H偏導(dǎo)且令其等于O，可以求得H的LS估計 值

其中。

將式1代入上式，可得:

其中，為估計的誤差矩陣。由此可以看出信道系數(shù)矩陣的估計值真實值H受到一個同維數(shù)的高斯矩陣擾動的結(jié)果。

(2)最大似然信道估計算法

ML估計在估計理論中占有非常重要的地位，ML估計適用于非隨機(jī)參數(shù)或者未知 先驗分布的參數(shù)估計。

實際上是其若要對H進(jìn)行最大似然估計，可以先得到最大似然估計的性能函數(shù)者達(dá)為:，通常采用后一種對數(shù)似然函數(shù)，則H的ML估計解

或可以表

當(dāng)噪聲為復(fù)高斯噪聲

可以轉(zhuǎn)化為:

式3

其中，為Rv噪聲的協(xié)方差矩陣。將式3所示的代價函數(shù)對待估量H求偏導(dǎo)等于零，就可以估計出相應(yīng)的化簡求

式4 在噪聲為O均值的加性復(fù)高斯白噪聲的情況下，對于MIMO平坦衰落信道的估計而言，信道系數(shù)矩陣H的最大似然估計值

和最小二乘估計值

是相等的，由于噪聲為0均值的復(fù)高斯白噪聲，因此可以它們有相同的表達(dá)形式。

4、MIMO信道的均衡：

以球形譯碼為例分析MIMO信道的均衡：

球形譯碼的基本思想是在以一個矢量為中心的半徑為的多維球內(nèi)搜索格點。通過限制或者減少搜索半徑從而減少搜索的點數(shù),進(jìn)而縮短計算時間。與ML 檢測相比,球譯碼算法的優(yōu)點在于它不需要對整個格內(nèi)的所有格點進(jìn)行搜索,而只需要在一個事先設(shè)定的有限球形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索, 如果該區(qū)域所包含的點數(shù)相對于整個格內(nèi)的總點數(shù)是相當(dāng)小的, 那么搜索時間就會大大減少。多符號判決反饋球譯碼算法

由于MIIMO 頻率選擇性衰落信道的均衡無法直接應(yīng)用SDA,因此本文提出了多符號判決反饋球譯碼算法。即:對于接收信號,有

（1）

其中, H是信道傳輸系數(shù)矩陣, 是0 均值的高斯白噪聲矩陣, 為各對天線間最大可分辨多徑數(shù)。若要檢測符號矢量,假定及其以后的符號矢量已知, 在研究中采用軟判決譯碼方式, 即假設(shè)已知的符號矢量取值均為線性均方誤差均衡后未進(jìn)行硬判決的值,對(1)式處理后得:

(2)其中。

通過上述變換可對表達(dá)式直接應(yīng)用SDA,求出后,代入表達(dá)式,對表達(dá)式應(yīng) 用SDA,可以檢測出,以此類推,我們可以對其它符號矢量進(jìn)行逐個檢測。仿真與結(jié)果分析：

圖1 在2 徑衰落信道下MIMO 系統(tǒng)的線性均衡和判決反饋均衡的性能

圖2 在2 徑衰落信道下MIMO 系統(tǒng)

MIMO 系統(tǒng)采用BPSK 調(diào)制,信道為2 徑的頻率選擇性衰落信道,線性均衡濾波器的長度是5,判決反饋濾波器的前饋抽頭系數(shù)為3,反饋抽頭系數(shù)是1,不同信噪比(SNR)下的誤比特率BER)曲線如圖1?；贛MSE 準(zhǔn)則的線性均衡和判決反饋均衡不能完全消除符號間干擾(ISI);隨著接收端天線數(shù)目增加,MIMO 系統(tǒng)獲得分級增益提高,誤碼率性能隨之得到改善。如:判決反饋均衡器在誤碼率為時,接收端天線數(shù)每增加2,誤碼率性能就得到3~5dB 的改善。相同天線配置情況下,非線性的判決反饋均衡效果優(yōu)于線性均衡的效果。為了研究系統(tǒng)在不同的均衡檢測方式下的性能, 對一個2 發(fā)3 收的MIMO 系統(tǒng)在BPSK 調(diào)制下進(jìn)行仿真,BER 曲線如圖2。

三、MIMO技術(shù)在下一代通信的應(yīng)用：

MIMO技術(shù)是無限移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。MIMO技術(shù)能在不增加寬帶的情況下，成倍的提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。隨著世界各國對該技術(shù)的不斷研究完善，我們有理由相信MIMO技術(shù)將成為新一代即4G移動通信系統(tǒng)所必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。這與MIMO技術(shù)優(yōu)點有著不可分割的因素： MIMI技術(shù)的主要優(yōu)點可以包括以下幾點：

（1）頻譜效率高。MIMO技術(shù)能夠在不增加額外功率或者帶寬的前提下增加容量，即提供空分復(fù)用增益。通過在不同的發(fā)射天線上傳輸不同的數(shù)據(jù)流，在特定信道條件下，使系統(tǒng)容量與min{成線性增長}。

（2）覆蓋范圍廣。對所有天線陣元上的接收信號進(jìn)行相干合并，可以獲得天線陣列或者波束成型增益，它正比于接收天線的數(shù)目。通過增加接收端的信噪比，MIMO技術(shù)可以擴(kuò)大WLAN的覆蓋范圍。

（3）功耗低。采用發(fā)射波束成型等方法可以獲得較低的功率消耗。

（4）鏈路可靠性高。采用多天線可以增加空間分集對抗多徑衰落。發(fā)射分集技術(shù)，如空時編碼技術(shù)、發(fā)射波束成型等時對抗信道衰落和提高系統(tǒng)容量及鏈路可靠性的新技術(shù)之一。

MIMO多天線系統(tǒng)是指發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng)，它可有效地利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。其核心技術(shù)是空時信號處理，即利用在空間中分布的多個時間域和空間域結(jié)合進(jìn)行信號處理。因此，可以被看作是常規(guī)智能天線的擴(kuò)展。

4G系統(tǒng)應(yīng)用智能天線的優(yōu)勢是可以去除更多的干擾，提供更高的信道和系統(tǒng)容量，增加小區(qū)吞吐量，降低系統(tǒng)對功率的要求，增強通信的抗干擾特性以及降低比特費率等。而4G系統(tǒng)應(yīng)用智能天線的缺點是增加了收發(fā)信機(jī)以及無線資源管理的復(fù)雜性，同時需要高層的支持。

智能天線是建立在自適應(yīng)天線基礎(chǔ)之上的新一代天線系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過抑制干擾和對抗衰落來增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而提高頻譜利用率，這不僅涉及智能化接收，還包括智能化發(fā)射。

4G系統(tǒng)的接入層會允許用戶使用各種終端通過各種形式接入到4G通信系統(tǒng)中，這是移動通信革命性的演進(jìn)。對于這種演進(jìn)，如果仍采用常規(guī)的智能天線技術(shù)已不足以解決4G系統(tǒng)的大容量與高可靠性需求問題。此時，結(jié)合空時處理的多天線技術(shù)——MIMO天線技術(shù)，提供了解決問題的新途徑?？梢哉f，MIMO多天線系統(tǒng)是常規(guī)智能天線演進(jìn)的必然成果。

參考文獻(xiàn)：

1、《多用戶.多小區(qū)MIMO通信技術(shù)》 邱玲等編著 人民電郵出版社

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3、《MIMO通信系編碼》 Ali.Ghraryeb(加)Tolga M.Duman(美)著 艾渤 唐世剛 譯 電子工業(yè)出版社

4、《MIMO相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用》 黃韜 等著 機(jī)械工業(yè)出版社

5、《MIMO多天線無線通信系統(tǒng)》 肖揚 著 人民電郵出版社

第五篇：“管理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)探索

“管理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)探索

摘 要：“管理信息系統(tǒng)”旨在提高學(xué)生對信息系統(tǒng)的認(rèn)識、分析和設(shè)計能力，是計算機(jī)、電子商務(wù)、信息管理等專業(yè)的一門核心課程。因此，改革教學(xué)模式、拓展教學(xué)思維，更新教學(xué)方法，在提高教學(xué)效果上有重要意義。

關(guān)鍵詞：管理信息系統(tǒng)；教革；項目教學(xué)；案例教學(xué)

一、“管理信息系統(tǒng)”課程分析

《管理信息系統(tǒng)》是一門融計算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、管理信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)為一體的綜合性課程。是高職院校計算機(jī)信息管理、信息技術(shù)、電子商務(wù)等專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。由于該課程有很強的應(yīng)用實戰(zhàn)背景，深入的理論知識含量，具知識點多、綜合性強、實踐應(yīng)用等諸多特點于一身。因此，在實際教學(xué)過程中，學(xué)生往往感覺學(xué)習(xí)枯燥，課堂參與度低，教學(xué)效果并不顯著。

二、學(xué)生學(xué)情分析

高職高專教育下學(xué)生情況主要可以概括為：知識水平參差不齊，學(xué)習(xí)缺乏自主性、自覺性，學(xué)習(xí)情緒化嚴(yán)重；對專業(yè)性強的課程興趣高，實踐動手能力強。根據(jù)此情況對管理信息系統(tǒng)課程的理論和實踐安排應(yīng)盡量合理化，以保證學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

三、課程教學(xué)方法的探索

（一）案例教學(xué)法?！豆芾硇畔⑾到y(tǒng)》課程中大部分章節(jié)的理論性很強，操作性比較弱，內(nèi)容抽象。因此，為了使教學(xué)內(nèi)容易于理解，可以將理論內(nèi)容進(jìn)行比較、拓展、總結(jié)等，并通過舉例加深學(xué)生的印象，增強其認(rèn)識與記憶。例如在講解系統(tǒng)工程的概念及應(yīng)用時，除了介紹定義及思想外，還將系統(tǒng)工程在我國古代的經(jīng)典應(yīng)用的小故事如都江堰建造、田忌賽馬穿插在理論內(nèi)容中，運用視頻與圖片講故事內(nèi)容進(jìn)行展示，讓學(xué)生真正體會到系統(tǒng)工程的現(xiàn)實作用。

（二）項目教學(xué)法?！豆芾硇畔⑾到y(tǒng)》中除理論課程外還包含一部分實訓(xùn)課程。為了培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，可以在教學(xué)過程中為學(xué)生設(shè)置項目，通過項目的完成鞏固理論知識，增加實踐能力。教師要合理安排項目內(nèi)容，監(jiān)督項目進(jìn)度，使之與教學(xué)相適應(yīng)。學(xué)生能將課堂所學(xué)的理論知識很快與項目實踐相結(jié)合，做到學(xué)有所用，從而極大地提升自己的學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力。

例如在課程實訓(xùn)時，教師可以給學(xué)生布置項目，如：開發(fā)學(xué)生管理系統(tǒng)“選課系統(tǒng)”等。學(xué)生以3人為一小組，從可行性研究->需求分析->模塊設(shè)計->詳細(xì)設(shè)計，體驗一個項目從無到有的創(chuàng)建過程。整個項目的完成貫穿著整門課程重點知識，緊扣理論教學(xué)主題，加深了學(xué)生對理論知識的理解，又豐富了學(xué)生的實踐知識和認(rèn)知能力，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲。同時，通過團(tuán)隊合作，既增進(jìn)了學(xué)生間的友誼，又提高了彼此的協(xié)作能力。圖1對課程各個部分典型的案例與項目應(yīng)用進(jìn)行了舉例說明：

（三）改進(jìn)考核方式。成績的評定是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，作為高職院校，我校非常注重學(xué)生多方面技能培養(yǎng)。管理信息系統(tǒng)的學(xué)期總成績不再以期末的理論考試為主。成績的組成分散在整個學(xué)期的教學(xué)過程中，由平時成績、項目實訓(xùn)成績和期末成績組成，比例為2：2：6。在平時與項目實訓(xùn)中學(xué)生參與活動的態(tài)度，團(tuán)隊的協(xié)作能力、解決問題的能力、綜合分析能力都在評定范圍內(nèi)，這樣使學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和認(rèn)真負(fù)責(zé)的學(xué)習(xí)態(tài)度，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

四、總結(jié)

實踐證明，以上教學(xué)方法已經(jīng)在管理信息系統(tǒng)課程教學(xué)中發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢。通過案例、項目教學(xué)法以現(xiàn)實生活中學(xué)生樂于接受的事例作為題材，將分散的知識點進(jìn)行綜合。使課程知識變得通俗易懂。而考核評定方式的改進(jìn)更加能準(zhǔn)確的評定學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇莉蔚.（大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)）理論課程改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2014（16）：37

[2]付長青.基于現(xiàn)代教育技術(shù)的高校教學(xué)改革研究[J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報，2009（7）