基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革

趙翠芹+黃星壽+吳啟明

摘 要：針對“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的特性，深入解析“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”知識框架，以點帶面尋找規(guī)律，做到觸類旁通，采用問答式對話交流，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源對課程進行改革，提高實踐能力的探索，為培養(yǎng)出與時俱進的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才而不懈努力。

關(guān)鍵詞：通信原理；物聯(lián)網(wǎng)工程；移動通信；教學(xué)改革

中圖分類號：TP39；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)異軍突起，致使通信技術(shù)的關(guān)鍵作用愈發(fā)凸顯，“千里眼順風(fēng)耳”不再是神話傳說。伴隨著日新月異的無線通信技術(shù)的發(fā)展和鋪天蓋地的移動智能終端的普及，現(xiàn)階段呈現(xiàn)出一幅百花齊放，爭鮮斗艷的景象。

諾基亞在2G時代是手機行業(yè)霸主，但在2012年被三星超越，2013年，微軟斥資72億美元收購諾基亞手機業(yè)務(wù)，但在2015年，微軟宣布放棄諾基亞品牌，至2016年年底，諾基亞帶著五款概念機卷土重來[1]。在3G時代，高通公司憑借“CDMA技術(shù)”橫掃天下，所有使用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000等3G技術(shù)的公司都要向高通繳納專利費。在這個云譎波詭的競技場中，在高通和中歐間有意栽花無心插柳的對決中，高通UMB 4G標(biāo)準(zhǔn)失敗，中歐LTE成為4G的唯一標(biāo)準(zhǔn)。2016年11月，在5G短碼方案討論中，華為極化碼從美國的LDPC和法國的Turbo2.0中脫穎而出[2]，一舉拿下這來之不易的標(biāo)準(zhǔn)。2016年國內(nèi)知名公司華為、OPPO、vivo及小米進入全球手機廠商前五，總份額為53%，蘋果iPhone位居第五，三星則已被擠出前五名。2017年1月，華為和聯(lián)通工程完成峰值速率為697 Mb/s的FDD Massive MIMO驗證[3]，華為手機已經(jīng)在國內(nèi)外全面開花。通信技術(shù)早已成為企業(yè)間、國家間競爭的核心實力。

1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題

1.1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的特點

物聯(lián)網(wǎng)分為感知識別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和綜合應(yīng)用層。感知識別層技術(shù)發(fā)展不溫不火；綜合應(yīng)用層主要體現(xiàn)出人類智慧，即大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，這些技術(shù)有阿里云、亞馬遜、Google等互聯(lián)網(wǎng)公司做支撐。物聯(lián)網(wǎng)的重點在于網(wǎng)絡(luò)傳輸層的通信技術(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一。

在萬物互聯(lián)過程中，起著溝通橋梁的“通信技術(shù)”課程是以學(xué)生熟練掌握信息論基礎(chǔ)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信源信道編解碼技術(shù)和同步等知識為目的，選用合適的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建交互式深度覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)，以支撐物聯(lián)網(wǎng)在移動支付、智能醫(yī)療、智能家居和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用?！拔锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)”與以往的“通信原理”課程相比，在廣度和深度方面都有所延伸，除了基本的通信原理外，還增添了無線通信、近距離無線通信技術(shù)（如藍(lán)牙、ZigBee、紅外、超聲波、WiFi等技術(shù)）、移動通信網(wǎng)絡(luò)、自組織通信網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信等知識。急需對“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程進行教學(xué)改革，以提高課程教學(xué)質(zhì)量。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題

綿延不斷的通信技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)出“黃四娘家花滿溪”之勢。但對于學(xué)生而言，則苦不堪言。1G的FDMA還沒學(xué)明白，2G的TDMA、GSM等技術(shù)紛紛登場；2G尚未學(xué)清楚，3G的CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等技術(shù)紛至沓來；尚且還處于3G的云霧籠罩之中，4G的MIMO、OFDM等技術(shù)接踵而至，對學(xué)生來說“千朵萬朵壓枝低”。此外，還有短距離無線通信技術(shù)，如藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等低端硬件設(shè)備的通信技術(shù)也需要掌握。通信類圖書通常專業(yè)性較強，任一技術(shù)寫出來就是卷帙浩繁的書籍，學(xué)生看著這些書籍不禁咋舌。翻開這些書籍，不會像小說那般帶來山高水闊云卷云舒的愜意。相反，盡是晦澀難懂的公式、稀奇古怪的調(diào)制解調(diào)框圖和枯燥乏味的應(yīng)用層理論，這些都讓人望而卻步。想要融會貫通有一定難度，每一項技術(shù)對于一個地方院校的本科生而言就是一座大山，學(xué)生眼睛里充滿迷茫，時常會覺得身心疲憊，不知所往。尤其對于河池學(xué)院這樣二本院校的學(xué)生而言，學(xué)生自身素質(zhì)不高，處于“看到公式頭痛，看到英文單詞頭暈”的狀態(tài)，即便教學(xué)過程中主動與學(xué)生進行溝通交流，但多數(shù)學(xué)生仍處在沒有話題的世界里，參與積極性不高，因此需要提升學(xué)生的能動作用。如何快速而有效地做到“輕舟已過萬重山”是一個值得思考的問題。為進一步豐富“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”的內(nèi)容和提高課程教學(xué)質(zhì)量，急需對“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程進行深入研究。

2 “物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革與思考

2.1 解析知識框架，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

盡管通信技術(shù)錯綜復(fù)雜，概念繁多，應(yīng)用范圍寬廣，但通信技術(shù)的本質(zhì)始終如一。這一點從樊昌信教授的“通信原理”教材中便可略窺一二，從第一版到第七版已經(jīng)改版了7次[4]。就理論而言，依然基于香農(nóng)的信息論，各種底層的調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼沒有本質(zhì)區(qū)別。就實際網(wǎng)絡(luò)而言，從移動通信網(wǎng)絡(luò)到短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)依然遵循著“信源——交換控制中心——信宿”這樣殊途同歸的體系架構(gòu)，不同通信系統(tǒng)之間不謀而合。系統(tǒng)中所有的ASK、MPSK、MFSK、MQAM等調(diào)制技術(shù)與所有的FDAM、TDMA、FDMA、OFDM等多址技術(shù)、蜂窩技術(shù)、功率控制技術(shù)都源于頻譜有限。對于模擬通信系統(tǒng)，研究的是系統(tǒng)的信噪比和頻帶利用率，而對于數(shù)字通信系統(tǒng)，研究的則是系統(tǒng)的誤碼率和頻帶寬度。

我們沒必要去追求那些看似高大上，學(xué)起來苦澀難懂的高端技術(shù)，應(yīng)從本源出發(fā)，從簡單的通信系統(tǒng)的架構(gòu)和信道模型開始，然后學(xué)模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，但凡讀透了“通信原理”，又何懼2G、3G、4G、藍(lán)牙等技術(shù)。

2.2 利用網(wǎng)絡(luò)資源豐富“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程內(nèi)容

隨著”互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，通信人家園、電子發(fā)燒友和EDN電子技術(shù)設(shè)計等網(wǎng)站提供了豐富的通信技術(shù)領(lǐng)域的新知識、新動態(tài)。這些網(wǎng)站是通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)展示的聚集地，在數(shù)不勝數(shù)的帖子中，有通信技術(shù)科普知識，有各大公司面試經(jīng)驗分享知識，還有各公司待遇、前景分析知識，隨貼答疑解難等。這些論壇網(wǎng)站見證了通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，見證了通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的爭奇斗艷，更見證了通信的商業(yè)模式的改變。在課堂中將這些網(wǎng)站引薦給學(xué)生，并對其進行分析，講解其中的奧妙，以此來獲取教學(xué)內(nèi)容的最新知識、最新信息，充實自己的教學(xué)內(nèi)容。endprint

在通信人家園網(wǎng)站中，不乏一些學(xué)貫中西、博古通今的人士，為了幫這些讀者答疑解惑，他們最先在論壇上發(fā)帖，之后隨著帖子網(wǎng)絡(luò)點擊量的增多，便整理成一部部深入淺出引人入勝的好書。比如《大話通信——通信基礎(chǔ)知識讀本》[5]，從通信的起源歷史到姍姍而來的3G技術(shù)，再到各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，種種復(fù)雜的概念在作者的筆下妙趣橫生，用別開生面的語言梳理相關(guān)知識框架的；如《大話無線通信》[6]、《大話移動通信》[7]和《3G技術(shù)問答》[8]以GSM、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE、LTE-Advanced和WiMAX技術(shù)為核心，采用知識問答的方式，讓讀者知其然也知其所以然；《實戰(zhàn)無線通信應(yīng)知應(yīng)會——新手入門，老手溫故》[9]將枯燥乏味的通信術(shù)語和鮮活的生活案例串聯(lián)起來，并用風(fēng)趣幽默的語言娓娓道來，春風(fēng)化雨般讓人們理解各種術(shù)語；此外，還有《大話TD-SCDMA》[10]、《大話物聯(lián)網(wǎng)》[11]等，這些經(jīng)典書籍處處透出理性與思辨，啟發(fā)每位讀者，用別開生面的方式介紹了通信技術(shù)的常識，用風(fēng)趣幽默的語言梳理相關(guān)知識框架，讀起來津津有味，令人茅塞頓開。這些書籍完全可引薦給學(xué)生，相信能靜下心來去研讀這些書籍的學(xué)生會對通信技術(shù)有新的認(rèn)識，同時也豐富了學(xué)生的課外學(xué)習(xí)。

在通信人家園網(wǎng)站中，還有一位陳老師在百忙之中抽空寫了一篇“深入淺出通信原理”的帖子[12]。開貼于2010年4月，歷時6年之久，目前點擊率已破500萬。陳老師透過公式看本質(zhì)，從多項式相乘開始引入卷積，接著揭開傅里葉級數(shù)展開的本質(zhì)。卷積的概念從未如此明晰。陳老師在講到MIMO（多入多出）技術(shù)部分時，采用抽絲剝繭的方式，從最簡單的SISO（單入單出）講起，接著到MIMO矩陣的秩，得出矩陣的秩能夠反映MIMO系統(tǒng)可以并行傳送的路數(shù)。每每講授此門課程時，筆者都會把陳老師對通信技術(shù)的理解融入到自己教學(xué)中，并力薦學(xué)生課后認(rèn)真研讀陳老師的帖子，相信看過的同學(xué)肯定會有較好成長，起到立竿見影、以湯沃雪的效果。

此外，微信也提供了豐富的資料。比如物聯(lián)網(wǎng)智庫，用最新最快的方式匯編物聯(lián)網(wǎng)新聞，每天都提供三分鐘的物聯(lián)網(wǎng)頭條。有AI人工智能的盤點、各大公司專利大戰(zhàn)的爭斗、穿越迷霧的5G技術(shù)、意想不到的智能硬件等，頗有“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”之勢。不僅提供概要的文字信息，還提供語音信息。入門者對這些技術(shù)可以有選擇性的學(xué)習(xí)，既可以淺嘗輒止，也可以深入研究。采用這種碎片化的閱讀方式，學(xué)生們會有可喜的收獲。

2.3 以點帶面尋找規(guī)律，做到觸類旁通

“通信技術(shù)”知識錯綜復(fù)雜，很多學(xué)生面對數(shù)學(xué)公式和原理框圖時往往一頭霧水，看不明白，漸漸失去了對學(xué)習(xí)的信心。但經(jīng)過仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)有規(guī)律可循。比如利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的正交性實現(xiàn)IQ調(diào)制。IQ正交調(diào)制的發(fā)射原理框圖是相乘、然后相加，接收框圖是相乘、積分模式，如圖1所示。OFDM利用了{(lán)cos（ω0t），cos（2ω0t），…，cos（nω0t）}和{sin（ω0t），sin（2ω0t），…，sin（nω0t）}之間的正交性。IQ調(diào)制學(xué)懂之后，OFDM的問題也就迎刃而解。同理，PSK（相移鍵控）、QAM（正交振幅調(diào)制）方式都可以用IQ調(diào)制實現(xiàn)。在調(diào)制之前添加一個映射模塊，在解調(diào)之后添加一個逆映射即可。不同的調(diào)制方式只是映射關(guān)系不同，這種映射關(guān)系可用星座圖來表示。

BPSK比較簡單，發(fā)送的碼只有兩種，0或1。信號矢量的位置落在單位圓的實軸上，如圖2（a）所示；在QPSK中，單位圓被4個位置點平分為π/2，為保證信號的實偶對稱特性，進一步平分，所以第一象限點的方向角為π/4。星座圖上點的編碼按格雷碼的方式排列，相鄰碼組之間只能有一位不同，QPSK的狀態(tài)數(shù)有四種，可以用兩位格雷碼描述，即00、01、11、10，如圖2所示，相應(yīng)的映射關(guān)系如圖2（b）所示。其他進制的PSK同理可得，如圖2（c）所示的8PSK。QAM調(diào)制從幅度和相位兩個維度來區(qū)分信號，各種MPSK的星座映射圖學(xué)懂了，MQAM也就變簡單了。

利用4階Walsh碼同時傳送多路數(shù)CDMA的原理與IQ調(diào)制的原理如出一轍，如圖3所示。把IQ正交調(diào)制解調(diào)過程學(xué)懂了，其他如OFDM、BPSK、QPSK、8PSK、16PSK、8QAM、16QAM、CDMA、新型多址、新型多載波等很容易就做到觸類旁通，可以用最少的課時掌握盡可能多的數(shù)字調(diào)制知識。

2.4 問答式對話交流

學(xué)生的視角受限，有些問題未必想得深刻，在授課過程中，以理論講授為主，以問題作為牽引?？梢宰寣W(xué)生思考如下問題，如在講授基帶傳輸系統(tǒng)時，占空比對帶寬有影響嗎？基帶信號頻譜沒有加絕對值能判斷頻譜是實函數(shù)嗎？若以高于Tb速率傳輸為什么會串?dāng)_？為什么長時間連0或連1不利于提取定時信息？在講授2FSK解調(diào)時，讓學(xué)生思考兩頻點相距較近時帶通濾波器可行嗎？效果好嗎？比如講授13折線PCM脈沖編碼調(diào)制時，7位PCM編碼（不包括極性）的線性碼是11位均勻量化碼，譯碼時應(yīng)盡量減少誤差，用12位線性碼表示，多出來的第12位應(yīng)放在最高位還是最低位？為什么？這樣放有什么好處？

把一個個看似簡單實則發(fā)人深思的問題拋給學(xué)生，把學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生。使他們的學(xué)習(xí)不能建立在虛無縹緲的想象和晦澀的課本內(nèi)容之上，必須建立抽象到現(xiàn)實的聯(lián)系，依靠教師的合理引導(dǎo)及教授，幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容。

2.5 實驗課程教學(xué)改革

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”不是一門孤立的課程，它是后續(xù)RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)等課程的基礎(chǔ)。而實驗課也要兼顧后續(xù)課程的平滑過渡。

如果是仿真實驗，Matlab語言因其公式化的描述、可視化的展示和方便的矩陣運算受到了通信人的青睞。比如在講解幅度調(diào)制AM的包絡(luò)時，調(diào)制信號為m（t）=1.2+sin（20000πt），載波信號c（t）=cos（20 000πt），已調(diào)信號為s（t）=m（t）c（t）。接著利用Matlab的plot函數(shù)畫出調(diào)制信號的包絡(luò)圖。圖形往往比文字更能吸引人的眼球。學(xué)生可以很容易的從可視化結(jié)果中理解包絡(luò)解調(diào)的原理。比如在計算（n，k）漢明碼時（n表示碼長，k表示信息位數(shù)，r=n-k表示監(jiān)督位數(shù)），已知生成矩陣G，利用“Q=G（1∶k，k+1∶n）；P=Q；H=[P eye（r）]；”這三條語句很輕松就可求出監(jiān)督矩陣H；反之亦然，已知監(jiān)督矩陣H，利用“P=H（1∶r，k）；Q=P；G=[eye（k） Q]；”這三條語句求出生成矩陣G。借助仿真軟件，將學(xué)生從復(fù)雜公式計算中解脫出來，并且從可視化的結(jié)果顯示，中學(xué)生也能深刻感受到“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”是一門云蒸霞蔚的課程，就會興致勃勃的投入到課程學(xué)習(xí)中，一步步成長。endprint

筆者所在學(xué)校購買的是HD-TX-IV型試驗箱，可供學(xué)生做幅度鍵控（ASK）調(diào)制解調(diào)實驗、模擬調(diào)制解調(diào)、CMI、HDB3/AMI脈沖編碼調(diào)制解調(diào)（PCM）及系統(tǒng)實驗、PCM編碼時分多路復(fù)用時序分析實驗、二相BPSK、DPSK調(diào)制解調(diào)實驗等通信原理基礎(chǔ)性實驗。除此之外，為了能對后續(xù)“傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程起到鋪墊作用，可以讓學(xué)生嘗試?yán)?CC2530 的ZigBee協(xié)議實現(xiàn)無線通信功能，也可讓學(xué)生用CC2540模塊的藍(lán)牙協(xié)議實現(xiàn)無線通信，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”是一門實用有趣的技術(shù)。各種技術(shù)從噱頭走向務(wù)實，各種調(diào)制解調(diào)技術(shù)、編碼解碼技術(shù)、多天線技術(shù)、多載波技術(shù)、新型多址技術(shù)已遍地開花。通信技術(shù)學(xué)習(xí)之路布滿荊棘，在教學(xué)過程中利用好網(wǎng)絡(luò)資源、以點帶面尋找規(guī)律和問答交流等方式進行教學(xué)，相信學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)過長期的“山重水復(fù)”之后，會呈現(xiàn)“柳暗花明”的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

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