《擴頻通信》課程教學(xué)實踐初探

閆坤

【摘要】擴頻通信理論是當(dāng)代通信系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，也是通信工程專業(yè)的重要課程。作者結(jié)合多年的教學(xué)實踐，針對擴頻通信課程涉及知識面廣、理論性強、實驗設(shè)計難度較大等特點，探討了相關(guān)的理論與實驗教學(xué)方式方法，取得了一定效果。

【關(guān)鍵詞】擴頻通信教學(xué)實踐實驗教學(xué)Explore the Teaching Schemes of Direct Spreading Spectrum System Kun Yan

（Guangxi， Guilin， Guilin University of Electronic Technology）

Abstract： As the theoretical foundation of the most popular communication systems， Direct Spreading Spectrum System （DSSS） is one of the most important courses in Telecommunication. In this paper， we explore the novel ideas and the useful strategies for teaching based on the features of the DSSS. The development from traditional education to education through inspiration can be achieved thereupon.

Keywords： DSSS， Teaching Practice， Experiment Teaching

引言

擴頻通信在軍事和民用通信領(lǐng)域中占有重要地位，相關(guān)應(yīng)用越來越廣泛。作為通信原理的后續(xù)課程，通信與實際聯(lián)系緊密，深入認(rèn)識擴頻通信的相關(guān)知識能為今后的工作打下堅實的基礎(chǔ)，使學(xué)生更好的與社會接軌，提供其就業(yè)競爭力。作為一門多學(xué)科、專業(yè)交叉滲透的綜合性課程，如何有效開展相關(guān)理論與實驗教學(xué)，讓學(xué)生更深入、更形象地理解所講授的內(nèi)容，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，最大化課堂教育效果是探討的熱點與難點。經(jīng)過多年教學(xué)，作者總結(jié)了擴頻通信的教學(xué)難點，提出了相關(guān)教學(xué)方式方法。

一、主要問題

擴頻通信[1]的教學(xué)涵蓋了通信工程教學(xué)中的大部分知識。通過長期的教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)這門課的教學(xué)難點主要表現(xiàn)在以下方面：

1.1涉及其他課程知識較多

作為當(dāng)代通信系統(tǒng)設(shè)計的重要理論，擴頻通信系統(tǒng)的設(shè)計涉及了全部通信工程專業(yè)的主要課程。其中通信原理被應(yīng)用于擴頻通信的誤碼率分析中、信號與系統(tǒng)被應(yīng)用于擴頻信號的頻譜分析中、編碼與信息論被應(yīng)用于擴頻碼的設(shè)計中。這種現(xiàn)狀為教學(xué)工作帶來了較大難度。

一般而言，擴頻通信被安排在通信系統(tǒng)本科專業(yè)教學(xué)后段，學(xué)生已經(jīng)完成了大多數(shù)課程學(xué)習(xí)。但是由于遺忘和僵化教學(xué)等原因，很難要求學(xué)生隨時靈活運用各種知識。教師在課堂上常常要為學(xué)生復(fù)習(xí)各種課程的相關(guān)理論。但由于涉及面廣、知識量大，復(fù)習(xí)的效果并不如人意。甚至?xí)眯霓k壞事，將學(xué)生本就混亂的知識體系攪亂。

1.2實驗設(shè)計的創(chuàng)新難度大

擴頻通信系統(tǒng)實驗一般在Matlab仿真平臺上完成。由于系統(tǒng)理論已經(jīng)成熟，現(xiàn)有實例程序較多，很難對其進行創(chuàng)新。曾有人探索用system view或simulink進行擴頻通信系統(tǒng)仿真[2，3]，但受限于時間與設(shè)備等因素，如何跳出現(xiàn)有的框架，從新的角度更有效地教授學(xué)生仍沒有一個完美的答案。

由于實驗設(shè)計的老舊，很難調(diào)動學(xué)生的積極性。即使將程序設(shè)計作為考核內(nèi)容，學(xué)生們也常常從網(wǎng)絡(luò)或其他途徑找到相關(guān)程序應(yīng)付了事。這種現(xiàn)狀更加大了教學(xué)的難度。

1.3擴頻碼設(shè)計教學(xué)難度高

擴頻編碼屬于編碼理論的一個分支。作為通信理論中的最抽象部分，編碼理論的教學(xué)是整個通信工程專業(yè)教學(xué)中的“硬骨頭”。雖然有信息理論與編碼理論的基礎(chǔ)，但由于大多數(shù)的學(xué)生并不能理解編碼設(shè)計的原理，擴頻編碼的設(shè)計教學(xué)難度仍然很大。大多數(shù)的教師只能停留在教授學(xué)生幾個移位寄存器的設(shè)計方法，更深層的編碼理論無法引入教學(xué)過程中。清華大學(xué)的擴頻通信教材試圖將編碼的基礎(chǔ)知識（有限域）引入擴頻碼的教學(xué)中，但只是隔靴搔癢，并不能解決根本問題。

二、改進措施

多年來，我們不斷探索擴頻通信的教學(xué)方法，總結(jié)出一套行之有效的教學(xué)方案。實踐證明這些方法能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。

2.1打好基礎(chǔ)

針對擴頻通信涉及知識面廣的學(xué)科特點，我們采取先復(fù)習(xí)，后講課的方式進行教學(xué)。在課程開始的前三次課依次為學(xué)生復(fù)習(xí)通信原理中誤碼率分析、信號與系統(tǒng)中頻率分析、信息論中信息量計算等內(nèi)容。重點是向?qū)W生介紹有限域的基礎(chǔ)概念[4]，并將現(xiàn)有的編碼設(shè)計方法向?qū)W生進行簡單說明。雖然花費了教學(xué)時間，但這種教學(xué)方法能夠在教學(xué)初期為學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)知識，為之后的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

由于涉及的相關(guān)知識較多，學(xué)生之間的基礎(chǔ)也存在差異，我們不可能也沒有必要在課程上復(fù)習(xí)所有相關(guān)知識。為此，我們總結(jié)了擴頻通信涉及的知識框架（如圖1所示）。借助于該框架，可以讓學(xué)生清楚的認(rèn)識到相關(guān)知識之間的聯(lián)系，讓學(xué)生較容易明白相關(guān)知識復(fù)習(xí)的必要性，認(rèn)識擴頻通信系統(tǒng)設(shè)計的重要性。同時，也能幫助學(xué)生進行自我對照，找出薄弱環(huán)節(jié)有針對的學(xué)習(xí)，以彌補教師在課程復(fù)習(xí)中的不足。并且能夠為學(xué)生建立較好的學(xué)科體系。經(jīng)過多年總結(jié)，我們總結(jié)出以下擴頻通信相關(guān)的知識結(jié)構(gòu)框圖應(yīng)用于教學(xué)中：

2.2實驗教學(xué)

在擴頻通信的授課過程中，完成相關(guān)的基礎(chǔ)實驗內(nèi)容。這種將實驗引入教學(xué)的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工科院校的各種課程中，其效果是顯著而且良好的。學(xué)生的積極性被調(diào)動起來，抽象的理論被具象化。在我們的應(yīng)用中主要強化以下兩點：一是將課堂上的實驗與課后的作業(yè)相結(jié)合。比如，我們將常見的簡單擴頻通信系統(tǒng)設(shè)計放在課堂上介紹，在課后作業(yè)中要求學(xué)生解釋由教師提供的程序的物理意義。這種方法能夠較好的訓(xùn)練和檢測學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的了解。二是將擴頻通信的原理與實際的系統(tǒng)結(jié)合，考核學(xué)生設(shè)計滿足某種條件的擴頻系統(tǒng)能力。常見的CDMA系統(tǒng)設(shè)計就是基于擴頻通信系統(tǒng)的，我們?yōu)閷W(xué)生指定某種國際標(biāo)準(zhǔn)下的信道模型，設(shè)定合理的通信系統(tǒng)參數(shù)，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計滿足各項要求的擴頻通信系統(tǒng)。這種教學(xué)和考核方法能夠加強理論課程的實踐性，并且將老舊的程序設(shè)計具體化、特殊化，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，滿足工業(yè)界對通信專業(yè)畢業(yè)生的需要。

2.3寓教于樂

興趣是最好的老師，所以如何在將教學(xué)變得有趣是教師的重大課題。擴頻通信作為一門理論專業(yè)課，內(nèi)容比較抽象枯燥，寓教于樂的難度較大。我們希望用下面的方法來達到這樣的效果。

首先，在教學(xué)中引入課程的背景知識。作為二戰(zhàn)時期發(fā)展出來的通信理論，擴頻通信的發(fā)展歷史具有一定傳奇色彩，對這段歷史的介紹能夠激發(fā)學(xué)生對學(xué)科的興趣。特別是擴頻通信的發(fā)明人，海蒂·拉瑪女士，作為好萊塢知名演員和通信專家，其人生經(jīng)歷就能夠編成一部優(yōu)秀的電影。無獨有偶，編碼理論的奠基人，伽羅華的人生經(jīng)歷更具特色，這些歷史的引入很好地豐富了學(xué)科背景，調(diào)劑了緊張的教學(xué)過程，并將具體的人物投射在抽象的理論中，能夠很有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

其次，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科最先進的科研成果，為學(xué)生梳理理論發(fā)展的脈絡(luò)。擴頻通信的研究發(fā)展一直沒有停止。雖然相關(guān)基礎(chǔ)通信理論已有較好發(fā)展，但更優(yōu)的編解碼方法和擴頻抗干擾的研究從來沒有停止過。我們希望在教學(xué)中引入一兩篇最新的擴頻通信方面論文，指導(dǎo)學(xué)生閱讀。加強課程與當(dāng)下科研發(fā)展的聯(lián)系。

總之，我們希望能將教學(xué)從課本的知識延伸開去，追溯學(xué)科歷史，展望發(fā)展前景。這種談古論今式的教學(xué)方法常出現(xiàn)在文科類的教學(xué)中，工科教學(xué)中使用較少。相信會給學(xué)生帶來新鮮感。事實上，國外相關(guān)領(lǐng)域的授課常常采用這種方式，比如，數(shù)學(xué)課教授常常從數(shù)學(xué)史的發(fā)展入手，用時間線連起看似無關(guān)的各種學(xué)科知識，進而介紹本課程的內(nèi)容，這樣的教學(xué)能夠較好的將知識趣味化，也能避免只見樹葉不見樹的教學(xué)盲區(qū)，為學(xué)生打開興趣之門。

2.4編碼教學(xué)

編碼教學(xué)是擴頻通信教學(xué)過程中的重點難點，為了將這一個部分與其他通信知識融會貫通，這里的教學(xué)重點應(yīng)該放在擴頻碼的使用與效果上。但是這并不意味著編碼設(shè)計不需要考慮。相反，編碼設(shè)計才是能夠引起學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)熱情的部分?，F(xiàn)有教材上的編碼設(shè)計方法著重在查表法，常常有學(xué)生提出疑問：我們所用的編碼表從何而來？為了解決學(xué)生的問題，我們在課上點出編碼設(shè)計的幾種方法，如，搜索法，橢圓曲線相關(guān)理論。由于這些知識本身的復(fù)雜性，這部分介紹的重點放在知識背景和理論框架的建立，目的在于為學(xué)生指出方向，是其未來能夠通過學(xué)習(xí)按圖索驥，如果有興趣，也能繼續(xù)在這個方面進行探索。

三、結(jié)語

以上的教學(xué)方法已經(jīng)被初步應(yīng)用于我們的教學(xué)過程中，教學(xué)成果有明顯改善。學(xué)生對擴頻通信的興趣大大提高，課堂氣氛更為輕松活潑，實踐經(jīng)驗增加較多，這樣的教學(xué)成果能夠較好地服務(wù)于學(xué)生未來的工作。如何進一步改善教學(xué)手段，提高教學(xué)效率是我們未來的工作重點。

參考文獻

[1]朱近康.擴展頻譜通信及其應(yīng)用[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 1993.

[2]李穎，朱伯立，張威. Simulink動態(tài)系統(tǒng)建模預(yù)防針基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2004.

[3]張競秋. Matlab/Simulink仿真實驗在擴頻通信課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技咨訊， 2009.

[4]邢偉.近世代數(shù)[M].科學(xué)出版社， 2009.