信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)課程緒論教學(xué)方法論文
摘要：“信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)”課程因其完整的理論體系，很難短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)，因此造成事實(shí)上的學(xué)生課程學(xué)習(xí)困難。給課程“作緒”的質(zhì)量高低，某種程度上會(huì)直接影響學(xué)生對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)。本文首先分析本課程難以學(xué)習(xí)的原因，其次提出基于實(shí)例的給課程作緒論的教學(xué)方法，然后梳理它在通信、雷達(dá)以及衛(wèi)星導(dǎo)航三個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)，最后給出具體的2學(xué)時(shí)緒論課的教學(xué)思路，并整理出一份實(shí)際的緒論課教案。
關(guān)鍵詞：檢測(cè)與估計(jì)；課程體系；通信；雷達(dá)；導(dǎo)航
一、引言
在日后的課題研究時(shí)，也沒(méi)有意識(shí)應(yīng)用所學(xué)到的科學(xué)的分析理論和方法，基本上失去了課程存在的意義。因此，眾多的授課教師們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在有限的授課時(shí)間內(nèi)，知識(shí)體系建立的重要性要遠(yuǎn)大于具體知識(shí)的傳授，也在不同層次、不同角度開(kāi)展教學(xué)方式和方法的改革。緒論課是該課程第一次與學(xué)生見(jiàn)面。緒論課是否成功，能否抓住學(xué)生的注意力，為日后的學(xué)習(xí)效果定了基調(diào)，因此顯得尤為重要。事實(shí)上，信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)的理論在通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域有深入應(yīng)用。針對(duì)該課程特點(diǎn)，本文提出以該課程在這三個(gè)領(lǐng)域的幾個(gè)典型實(shí)例為主要內(nèi)容的緒論課方式，旨在促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)通信、雷達(dá)以及導(dǎo)航領(lǐng)域中相對(duì)應(yīng)知識(shí)進(jìn)行梳理，給出一堂緒論課的教案實(shí)例。
二、課程在三大領(lǐng)域的體現(xiàn)
信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。隨著生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)的'發(fā)展，特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，顯著地增加了實(shí)現(xiàn)各種最佳或者接近最佳的處理方案的可能性，也促進(jìn)了理論本身的不斷發(fā)展。目前，信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)的理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航、自動(dòng)控制、模式識(shí)別等領(lǐng)域。在課堂上，實(shí)時(shí)將所講的知識(shí)點(diǎn)與不同應(yīng)用領(lǐng)域加以聯(lián)系，不但加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也提高了學(xué)習(xí)興趣，事半功倍。通過(guò)完成這些建設(shè)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解掌握能力，全面提升了課程的教學(xué)效果。
1.通信在通信原理經(jīng)典教材中，有一章專門討論數(shù)字信號(hào)的最佳接收機(jī)問(wèn)題，也是定量分析誤碼率最重要的一章，其全部的理論基礎(chǔ)來(lái)自于信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)課程。通信系統(tǒng)中的最佳接收是以錯(cuò)誤概率最小為準(zhǔn)則的，可分為確知信號(hào)、隨相信號(hào)和起伏信號(hào)三類分別定量分析。實(shí)際通信接收機(jī)的誤碼率性能分析也是本課程中信號(hào)統(tǒng)計(jì)性能理論的進(jìn)一步深入。在通信技術(shù)中，存在在干擾噪聲中發(fā)現(xiàn)或者分辨微弱信號(hào)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)所能獲得的信噪比是系統(tǒng)有效性的一個(gè)度量，如二元通信系統(tǒng)的錯(cuò)誤概率與信噪比有關(guān)，信噪比越大，錯(cuò)誤概率越小。此外，通信中的匹配濾波和相關(guān)接收的重要概念也出自于本課程。因此有了信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論后，再去閱讀通信原理就會(huì)容易得多。
2.雷達(dá)雷達(dá)中的信號(hào)檢測(cè)是一個(gè)綜合性問(wèn)題。雷達(dá)的主要功能是檢測(cè)、跟蹤和成像，檢測(cè)是指判斷雷達(dá)測(cè)量值到底是目標(biāo)回波還是僅為干擾項(xiàng)。雷達(dá)回波信號(hào)中總是混雜著噪聲和各類干擾，而噪聲和各種干擾信號(hào)均具有隨機(jī)持性，在這種條件下如何發(fā)現(xiàn)目標(biāo)屬于信號(hào)檢測(cè)的范疇。只有在確定有目標(biāo)存在時(shí)，才會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行距離、角度和多普勒的精確估計(jì)。信號(hào)檢測(cè)理論是判斷信號(hào)是否存在的方法及其最佳處理方式。在雷達(dá)信號(hào)處理的著作中，都會(huì)有關(guān)于雷達(dá)信號(hào)的恒虛警概率檢測(cè)（CFAR）的深入討論，這是雷達(dá)普遍采用的信號(hào)檢測(cè)方法。其理論基礎(chǔ)就來(lái)自于本課程的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，屬于派生貝葉斯中的奈曼—皮爾遜準(zhǔn)則。
3.導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)是以信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)為重要理論基礎(chǔ)的。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的捕獲也屬于噪聲中信號(hào)的檢測(cè)，在工程上，技術(shù)人員往往采用和雷達(dá)中一樣的恒虛警檢測(cè)技術(shù)。位置的定位解算過(guò)程，采用了基于最小二乘法的迭代算法，是一種噪聲背景下的信號(hào)估計(jì)方法，屬于信號(hào)統(tǒng)計(jì)估計(jì)范疇。目標(biāo)的航跡經(jīng)常會(huì)采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行推測(cè)，屬于波形估計(jì)的范疇。導(dǎo)航接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)可能摻雜著各種干擾，為保存導(dǎo)航信號(hào)，可采用以輸出信噪比最大為最佳準(zhǔn)則的線性濾波理論。匹配濾波的方法也常常用來(lái)處理導(dǎo)航信號(hào)。匹配濾波器是許多最佳檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成部分，在最佳信號(hào)參量估計(jì)、信號(hào)分辨、信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)壓縮等方面起著重要作用。
三、緒論（2學(xué)時(shí)）的教案設(shè)計(jì)
根據(jù)課程的四個(gè)主要構(gòu)成內(nèi)容，每個(gè)構(gòu)成內(nèi)容安排一個(gè)實(shí)例。以下是筆者在教學(xué)實(shí)踐中所采用的實(shí)例。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)：以雷達(dá)接收機(jī)中有無(wú)敵機(jī)目標(biāo)的恒虛警檢測(cè)問(wèn)題為例，講解雷達(dá)檢測(cè)是一種基于噪聲與雜波背景的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，解釋雷達(dá)為什么要采用奈曼—皮爾遜的恒虛警檢測(cè)準(zhǔn)則。在講解時(shí)注意結(jié)合提問(wèn)的形式，促使學(xué)生主動(dòng)思考。波形檢測(cè)：以二進(jìn)制確知信號(hào)BPSK調(diào)制信號(hào)的最佳接收為例，講解其調(diào)制方法，形象解釋由于其相關(guān)系數(shù)為-1，故其誤碼率最低的原因，理解波形檢測(cè)所要解決的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)估計(jì)：以導(dǎo)航中定位解算的最小二乘法為例，講解采用導(dǎo)航定位解算實(shí)質(zhì)上就是四個(gè)（或以上）病態(tài)非線性方程的聯(lián)立求解，解釋其采用最小二乘的原因。波形估計(jì)：以導(dǎo)航中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)航跡推測(cè)為例，講解什么是航跡推測(cè)，以及卡爾曼濾波算法進(jìn)行航跡推測(cè)的過(guò)程�；谏鲜鏊悸罚卤碇薪o出2學(xué)時(shí)緒論課的一個(gè)教案設(shè)計(jì)實(shí)例：
四、結(jié)束語(yǔ)
緒論是一門課的開(kāi)場(chǎng)，其質(zhì)量好壞會(huì)直接影響本門課的教學(xué)效果。信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)的知識(shí)點(diǎn)在通信、雷達(dá)和導(dǎo)航中有廣泛應(yīng)用。為了能更好地引導(dǎo)學(xué)生，教師應(yīng)秉承以實(shí)例為主要引導(dǎo)手段，從而盡快把握課程精髓之所在的教學(xué)主張。通過(guò)實(shí)例引導(dǎo)，有助于學(xué)生盡快地理解信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)估計(jì)的含義，引發(fā)學(xué)生的求知欲望。學(xué)習(xí)信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論，將為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)處理打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)；同時(shí)該課程的基本概念、基本理論和分析問(wèn)題的方法也為解決實(shí)際問(wèn)題提供了方向，從而讓學(xué)生以更好的狀態(tài)面對(duì)日后課程的學(xué)習(xí)。
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