“隨機(jī)信號(hào)分析與處理”課程設(shè)計(jì)案例

張文明,羅鵬飛

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073)

“隨機(jī)信號(hào)分析與處理”課程是我校電子工程、通信工程和信息工程等專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程。該課程系統(tǒng)地介紹隨機(jī)信號(hào)的基本概念、隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)描述和隨機(jī)信號(hào)變換的基本理論及應(yīng)用,介紹信號(hào)檢測(cè)、估計(jì)和濾波等信號(hào)處理理論的基本原理和信息提取方法。

研究型教學(xué)模式是強(qiáng)調(diào)以探索為基礎(chǔ)的教學(xué)模式[1,2]。我們按照基礎(chǔ)性與創(chuàng)新性兼顧,課內(nèi)實(shí)踐與課外實(shí)踐活動(dòng)緊密結(jié)合的建設(shè)思路,從實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評(píng)價(jià)入手,創(chuàng)新構(gòu)建了該課程實(shí)踐教學(xué)體系。本文主要介紹該體系實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的課程設(shè)計(jì),部分課程設(shè)計(jì)已編入筆者編寫的教材中[3]。

1 課程設(shè)計(jì)的實(shí)施

“隨機(jī)信號(hào)分析與處理”課程實(shí)踐教學(xué)目前共安排13個(gè)實(shí)驗(yàn)和6個(gè)課程設(shè)計(jì)題目。在8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)完成其中的5個(gè)實(shí)驗(yàn)和2個(gè)課程設(shè)計(jì),其余為選做。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三個(gè)層次:①驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)著眼基本技能的培養(yǎng);②綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)芫C合運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí);③課程設(shè)計(jì)由課程興趣小組選擇題目完成。每個(gè)興趣小組由3～5人組成,課程設(shè)計(jì)內(nèi)容從科研項(xiàng)目、期刊學(xué)術(shù)論文和最新教材中選擇。根據(jù)我院的定位,課程內(nèi)容以雷達(dá)信號(hào)處理和通信信號(hào)處理為主要對(duì)象,突出軍事應(yīng)用特色。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容通常在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布,并提供參考文獻(xiàn)、課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式和交流園地。

下文具體介紹三個(gè)課程設(shè)計(jì)的案例。

2 雷達(dá)雜波序列的模擬

本設(shè)計(jì)是“隨機(jī)信號(hào)模擬及其特征估計(jì)”部分教學(xué)對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。在雜波背景下進(jìn)行信號(hào)處理是雷達(dá)的基本任務(wù)之一,因此,雷達(dá)雜波序列的模擬對(duì)于雷達(dá)信號(hào)處理的研究十分重要。模擬雷達(dá)雜波的最主要的屬性就是統(tǒng)計(jì)起伏性及頻譜特性,產(chǎn)生特定概率分布和任意功率譜函數(shù)的雜波序列的方法有很多,其中較為經(jīng)典的是零記憶非線性變換法ZMNL,如圖1所示。

圖1 零記憶非線性變換法ZMNL原理圖

(1)課程設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)目的是掌握任意指定概率密度噪聲序列模擬的反變換法,掌握指定均值和協(xié)方差陣相關(guān)正態(tài)隨機(jī)序列模擬的分解法,了解并初步掌握同時(shí)具有特定的概率密度和功率譜密度(或者相關(guān)函數(shù))的隨機(jī)序列的零記憶非線性變換法。

(2)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

采用反變換法生成幅度服從瑞利分布的隨機(jī)數(shù)序列,通過概率密度特征估計(jì)方法對(duì)比理論概率和仿真概率;采用協(xié)方差矩陣三角分解法生成指定均值和協(xié)方差矩陣的相關(guān)正態(tài)隨機(jī)序列,通過相關(guān)函數(shù)特征估計(jì)對(duì)比理論相關(guān)函數(shù)和仿真特征函數(shù);采用ZMNL方法生成相關(guān)對(duì)數(shù)正態(tài)分布雜波序列(參數(shù)可調(diào)),通過概率密度和相關(guān)函數(shù)特征估計(jì)對(duì)比理論特征值曲線和仿真特征值曲線。

3 語音信號(hào)通過系統(tǒng)分析

本設(shè)計(jì)是語音隨機(jī)信號(hào)通過線性系統(tǒng)及非線性系統(tǒng)分析所對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。通信系統(tǒng)中的語音調(diào)制信號(hào)是典型的窄帶隨機(jī)過程,通常在發(fā)送端需要進(jìn)行調(diào)制,在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào),常用的解調(diào)方式包括相干解調(diào)和非相干解調(diào)。由于語音信號(hào)在信道中傳輸時(shí)會(huì)疊加噪聲,因而在一定信噪比條件下不同解調(diào)器的解調(diào)性能有所差異。

(1)課程設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)目的是針對(duì)一段語音文件,采用Simulink實(shí)現(xiàn)語音通信的調(diào)制解調(diào)功能,掌握通信信號(hào)調(diào)制解調(diào)過程,掌握同步解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)原理及實(shí)現(xiàn),了解門限效應(yīng)。

(2)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

信源信號(hào)為采樣頻率44.1kHz的語音信號(hào),其單邊帶寬限制為2.5kHz;調(diào)制模型采用幅度調(diào)制,載波頻率為8.82kHz;已調(diào)信號(hào)加入可調(diào)的窄帶高斯噪聲;解調(diào)器采用兩種解調(diào)方式:同步檢波(相干解調(diào))和線性包絡(luò)檢波(非相干解調(diào)),仿真模型如圖2所示。比較兩種解調(diào)信號(hào)的語音質(zhì)量可知,在小信噪比時(shí),相干解調(diào)信號(hào)質(zhì)量較好,這主要是因?yàn)榉窍喔山庹{(diào)器的門限效應(yīng)。當(dāng)噪聲強(qiáng)度較大時(shí),非相干解調(diào)信號(hào)含有較多的直流分量,考慮到音頻信號(hào)約為30-1000Hz,采用高通濾波器實(shí)現(xiàn)隔直流。

圖2 語音調(diào)制解調(diào)Simulink仿真模塊

4 通信測(cè)頻接收機(jī)檢測(cè)性能

本設(shè)計(jì)是信號(hào)檢測(cè)部分教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。通信信號(hào)的載波頻率是頻率檢測(cè)的重要參數(shù),對(duì)通信信號(hào)載頻的測(cè)量是通信偵察的重要環(huán)節(jié)。搜索式超外差接收體制是短波全景接收機(jī)經(jīng)常采用的一種接收機(jī)體制,圖3是搜索式測(cè)頻接收機(jī)的仿真原理框圖。

圖3 搜索式測(cè)頻接收機(jī)仿真

(1)課程設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)目的是采用Simulink模塊對(duì)通信測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻過程進(jìn)行模擬和分析,了解隨機(jī)信號(hào)中心及非中心χ2分布,掌握信號(hào)檢測(cè)基本方法和性能分析,了解恒虛警原理及實(shí)現(xiàn)等。

(2)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)測(cè)頻接收機(jī)原理框圖,提出仿真框圖。通信信號(hào)采用雙邊帶幅度調(diào)制方式,解調(diào)方式采用平方律檢波。要求分析已知和未知信噪比條件下不同積累數(shù)目時(shí)的檢測(cè)門限,測(cè)頻性能給出虛警概率和漏報(bào)概率,并與理論虛警概率和漏報(bào)概率比較。仿真采用等效低通信號(hào)簡(jiǎn)化處理,根據(jù)通信信號(hào)的有效帶寬來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣率,等效低通信號(hào)附加頻率信息即可復(fù)現(xiàn)窄帶信號(hào),可在不損失有用信息的情況下降低系統(tǒng)的采樣率。

5 結(jié)語

除了上述三個(gè)課程設(shè)計(jì)外,尚有“參數(shù)估計(jì)方法在目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用”、“匹配濾波器分析”和“雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)性能分析”等項(xiàng)目。對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容是信號(hào)估計(jì)部分、最佳線性濾波器部分和信號(hào)檢測(cè)部分。我們通過幾年課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐,取得了較好的效果,成為課程實(shí)踐教學(xué)體系中重要組成部分。課程建設(shè)也取得了明顯成效,該課程獲評(píng)軍隊(duì)優(yōu)質(zhì)課程和全國(guó)精品課程,網(wǎng)絡(luò)課程也先后獲得國(guó)防科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程一等獎(jiǎng)和2008年全國(guó)高教組網(wǎng)絡(luò)課程一等獎(jiǎng)。

[1] 盧德鑫.研究型教學(xué)20年—理念、實(shí)踐、物理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008

[2] 盧德馨.關(guān)于研究型教學(xué)的進(jìn)一步探討[J].北京:中國(guó)高等教育,2004,vol(21):24-25

[3] 羅鵬飛,張文明.隨機(jī)信號(hào)分析與處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006