《擴(kuò)頻通信》課程教學(xué)實(shí)踐初探

閆坤

【摘要】擴(kuò)頻通信理論是當(dāng)代通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是通信工程專(zhuān)業(yè)的重要課程。作者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)擴(kuò)頻通信課程涉及知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)難度較大等特點(diǎn)，探討了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，取得了一定效果。

【關(guān)鍵詞】擴(kuò)頻通信教學(xué)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(lái)越廣泛。作為通信原理的后續(xù)課程，通信與實(shí)際聯(lián)系緊密，深入認(rèn)識(shí)擴(kuò)頻通信的相關(guān)知識(shí)能為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使學(xué)生更好的與社會(huì)接軌，提供其就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。作為一門(mén)多學(xué)科、專(zhuān)業(yè)交叉滲透的綜合性課程，如何有效開(kāi)展相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)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(diǎn)與難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年教學(xué)，作者總結(jié)了擴(kuò)頻通信的教學(xué)難點(diǎn)，提出了相關(guān)教學(xué)方式方法。

一、主要問(wèn)題

擴(kuò)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(shí)。通過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)這門(mén)課的教學(xué)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

1.1涉及其他課程知識(shí)較多

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

一般而言，擴(kuò)頻通信被安排在通信系統(tǒng)本科專(zhuān)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(shí)靈活運(yùn)用各種知識(shí)。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(shí)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(shí)體系攪亂。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新難度大

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般在Matlab仿真平臺(tái)上完成。由于系統(tǒng)理論已經(jīng)成熟，現(xiàn)有實(shí)例程序較多，很難對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新。曾有人探索用system view或simulink進(jìn)行擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真[2，3]，但受限于時(shí)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(méi)有一個(gè)完美的答案。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的老舊，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。即使將程序設(shè)計(jì)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(kuò)頻碼設(shè)計(jì)教學(xué)難度高

擴(kuò)頻編碼屬于編碼理論的一個(gè)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(gè)通信工程專(zhuān)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(jì)的原理，擴(kuò)頻編碼的設(shè)計(jì)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(gè)移位寄存器的設(shè)計(jì)方法，更深層的編碼理論無(wú)法引入教學(xué)過(guò)程中。清華大學(xué)的擴(kuò)頻通信教材試圖將編碼的基礎(chǔ)知識(shí)（有限域）引入擴(kuò)頻碼的教學(xué)中，但只是隔靴搔癢，并不能解決根本問(wèn)題。

二、改進(jìn)措施

多年來(lái)，我們不斷探索擴(kuò)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(shí)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(duì)擴(kuò)頻通信涉及知識(shí)面廣的學(xué)科特點(diǎn)，我們采取先復(fù)習(xí)，后講課的方式進(jìn)行教學(xué)。在課程開(kāi)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(hào)與系統(tǒng)中頻率分析、信息論中信息量計(jì)算等內(nèi)容。重點(diǎn)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(jì)方法向?qū)W生進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。雖然花費(fèi)了教學(xué)時(shí)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(shí)，為之后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

由于涉及的相關(guān)知識(shí)較多，學(xué)生之間的基礎(chǔ)也存在差異，我們不可能也沒(méi)有必要在課程上復(fù)習(xí)所有相關(guān)知識(shí)。為此，我們總結(jié)了擴(kuò)頻通信涉及的知識(shí)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(shí)到相關(guān)知識(shí)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生較容易明白相關(guān)知識(shí)復(fù)習(xí)的必要性，認(rèn)識(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性。同時(shí)，也能幫助學(xué)生進(jìn)行自我對(duì)照，找出薄弱環(huán)節(jié)有針對(duì)的學(xué)習(xí)，以彌補(bǔ)教師在課程復(fù)習(xí)中的不足。并且能夠?yàn)閷W(xué)生建立較好的學(xué)科體系。經(jīng)過(guò)多年總結(jié)，我們總結(jié)出以下擴(kuò)頻通信相關(guān)的知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖應(yīng)用于教學(xué)中：

2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在擴(kuò)頻通信的授課過(guò)程中，完成相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種將實(shí)驗(yàn)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(dòng)起來(lái)，抽象的理論被具象化。在我們的應(yīng)用中主要強(qiáng)化以下兩點(diǎn)：一是將課堂上的實(shí)驗(yàn)與課后的作業(yè)相結(jié)合。比如，我們將常見(jiàn)的簡(jiǎn)單擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的了解。二是將擴(kuò)頻通信的原理與實(shí)際的系統(tǒng)結(jié)合，考核學(xué)生設(shè)計(jì)滿足某種條件的擴(kuò)頻系統(tǒng)能力。常見(jiàn)的CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是基于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的，我們?yōu)閷W(xué)生指定某種國(guó)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(jì)滿足各項(xiàng)要求的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。這種教學(xué)和考核方法能夠加強(qiáng)理論課程的實(shí)踐性，并且將老舊的程序設(shè)計(jì)具體化、特殊化，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，滿足工業(yè)界對(duì)通信專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的需要。

2.3寓教于樂(lè)

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(kuò)頻通信作為一門(mén)理論專(zhuān)業(yè)課，內(nèi)容比較抽象枯燥，寓教于樂(lè)的難度較大。我們希望用下面的方法來(lái)達(dá)到這樣的效果。

首先，在教學(xué)中引入課程的背景知識(shí)。作為二戰(zhàn)時(shí)期發(fā)展出來(lái)的通信理論，擴(kuò)頻通信的發(fā)展歷史具有一定傳奇色彩，對(duì)這段歷史的介紹能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)科的興趣。特別是擴(kuò)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(zhuān)家，其人生經(jīng)歷就能夠編成一部?jī)?yōu)秀的電影。無(wú)獨(dú)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(guò)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(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科最先進(jìn)的科研成果，為學(xué)生梳理理論發(fā)展的脈絡(luò)。擴(kuò)頻通信的研究發(fā)展一直沒(méi)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(kuò)頻抗干擾的研究從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。我們希望在教學(xué)中引入一兩篇最新的擴(kuò)頻通信方面論文，指導(dǎo)學(xué)生閱讀。加強(qiáng)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(shí)延伸開(kāi)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(lèi)的教學(xué)中，工科教學(xué)中使用較少。相信會(huì)給學(xué)生帶來(lái)新鮮感。事實(shí)上，國(guó)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(shí)間線連起看似無(wú)關(guān)的各種學(xué)科知識(shí)，進(jìn)而介紹本課程的內(nèi)容，這樣的教學(xué)能夠較好的將知識(shí)趣味化，也能避免只見(jiàn)樹(shù)葉不見(jiàn)樹(shù)的教學(xué)盲區(qū)，為學(xué)生打開(kāi)興趣之門(mén)。

2.4編碼教學(xué)

編碼教學(xué)是擴(kuò)頻通信教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)難點(diǎn)，為了將這一個(gè)部分與其他通信知識(shí)融會(huì)貫通，這里的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該放在擴(kuò)頻碼的使用與效果上。但是這并不意味著編碼設(shè)計(jì)不需要考慮。相反，編碼設(shè)計(jì)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(jì)方法著重在查表法，常常有學(xué)生提出疑問(wèn)：我們所用的編碼表從何而來(lái)？為了解決學(xué)生的問(wèn)題，我們?cè)谡n上點(diǎn)出編碼設(shè)計(jì)的幾種方法，如，搜索法，橢圓曲線相關(guān)理論。由于這些知識(shí)本身的復(fù)雜性，這部分介紹的重點(diǎn)放在知識(shí)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(lái)能夠通過(guò)學(xué)習(xí)按圖索驥，如果有興趣，也能繼續(xù)在這個(gè)方面進(jìn)行探索。

三、結(jié)語(yǔ)

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(guò)程中，教學(xué)成果有明顯改善。學(xué)生對(duì)擴(kuò)頻通信的興趣大大提高，課堂氣氛更為輕松活潑，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(lái)的工作。如何進(jìn)一步改善教學(xué)手段，提高教學(xué)效率是我們未來(lái)的工作重點(diǎn)。

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