信號檢測與估計課程緒論教學方法論文

2021-06-20 論文

　　摘要：“信號檢測與估計”課程因其完整的理論體系，很難短時間內讓學生領會，因此造成事實上的學生課程學習困難。給課程“作緒”的質量高低，某種程度上會直接影響學生對本門課程的學習。本文首先分析本課程難以學習的原因，其次提出基于實例的給課程作緒論的教學方法，然后梳理它在通信、雷達以及衛星導航三個領域的知識點，最后給出具體的2學時緒論課的教學思路，并整理出一份實際的緒論課教案。

　　關鍵詞：檢測與估計；課程體系；通信；雷達；導航

　　一、引言

　　在日后的課題研究時，也沒有意識應用所學到的科學的分析理論和方法，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認識到在有限的授課時間內，知識體系建立的重要性要遠大于具體知識的傳授，也在不同層次、不同角度開展教學方式和方法的改革。緒論課是該課程第一次與學生見面。緒論課是否成功，能否抓住學生的注意力，為日后的學習效果定了基調，因此顯得尤為重要。事實上，信號檢測與估計的理論在通信、雷達、衛星導航等領域有深入應用。針對該課程特點，本文提出以該課程在這三個領域的幾個典型實例為主要內容的緒論課方式，旨在促進學生對課程內容的理解，提高學生的學習興趣。對通信、雷達以及導航領域中相對應知識進行梳理，給出一堂緒論課的教案實例。

　　二、課程在三大領域的體現

　　信號檢測與估計理論已成為現代信息科學的一個重要組成部分。隨著生產實踐和科學技術的發展，特別是隨著電子計算機技術的發展和應用，顯著地增加了實現各種最佳或者接近最佳的處理方案的可能性，也促進了理論本身的不斷發展。目前，信號檢測與估計的理論已經廣泛應用于各個領域，如通信、雷達、衛星導航、自動控制、模式識別等領域。在課堂上，實時將所講的知識點與不同應用領域加以聯系，不但加深了學生對知識的理解，也提高了學習興趣，事半功倍。通過完成這些建設，增強了學生對知識的理解掌握能力，全面提升了課程的教學效果。

　　1.通信在通信原理經典教材中，有一章專門討論數字信號的最佳接收機問題，也是定量分析誤碼率最重要的一章，其全部的理論基礎來自于信號檢測與估計課程。通信系統中的最佳接收是以錯誤概率最小為準則的，可分為確知信號、隨相信號和起伏信號三類分別定量分析。實際通信接收機的誤碼率性能分析也是本課程中信號統計性能理論的進一步深入。在通信技術中，存在在干擾噪聲中發現或者分辨微弱信號的問題。一般來說，信號通過系統所能獲得的信噪比是系統有效性的'一個度量，如二元通信系統的錯誤概率與信噪比有關，信噪比越大，錯誤概率越小。此外，通信中的匹配濾波和相關接收的重要概念也出自于本課程。因此有了信號檢測與估計理論后，再去閱讀通信原理就會容易得多。

　　2.雷達雷達中的信號檢測是一個綜合性問題。雷達的主要功能是檢測、跟蹤和成像，檢測是指判斷雷達測量值到底是目標回波還是僅為干擾項。雷達回波信號中總是混雜著噪聲和各類干擾，而噪聲和各種干擾信號均具有隨機持性，在這種條件下如何發現目標屬于信號檢測的范疇。只有在確定有目標存在時，才會進一步進行距離、角度和多普勒的精確估計。信號檢測理論是判斷信號是否存在的方法及其最佳處理方式。在雷達信號處理的著作中，都會有關于雷達信號的恒虛警概率檢測（CFAR）的深入討論，這是雷達普遍采用的信號檢測方法。其理論基礎就來自于本課程的統計檢測，屬于派生貝葉斯中的奈曼—皮爾遜準則。

　　3.導航衛星導航接收機技術是以信號檢測與估計為重要理論基礎的。衛星導航信號的捕獲也屬于噪聲中信號的檢測，在工程上，技術人員往往采用和雷達中一樣的恒虛警檢測技術。位置的定位解算過程，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估計方法，屬于信號統計估計范疇。目標的航跡經常會采用卡爾曼濾波算法進行推測，屬于波形估計的范疇。導航接收機接收到的數據可能摻雜著各種干擾，為保存導航信號，可采用以輸出信噪比最大為最佳準則的線性濾波理論。匹配濾波的方法也常常用來處理導航信號。匹配濾波器是許多最佳檢測系統的基本組成部分，在最佳信號參量估計、信號分辨、信號產生和信號壓縮等方面起著重要作用。

　　三、緒論（2學時）的教案設計

　　根據課程的四個主要構成內容，每個構成內容安排一個實例。以下是筆者在教學實踐中所采用的實例。統計檢測：以雷達接收機中有無敵機目標的恒虛警檢測問題為例，講解雷達檢測是一種基于噪聲與雜波背景的統計檢測，解釋雷達為什么要采用奈曼—皮爾遜的恒虛警檢測準則。在講解時注意結合提問的形式，促使學生主動思考。波形檢測：以二進制確知信號BPSK調制信號的最佳接收為例，講解其調制方法，形象解釋由于其相關系數為-1，故其誤碼率最低的原因，理解波形檢測所要解決的問題。統計估計：以導航中定位解算的最小二乘法為例，講解采用導航定位解算實質上就是四個（或以上）病態非線性方程的聯立求解，解釋其采用最小二乘的原因。波形估計：以導航中目標的運動航跡推測為例，講解什么是航跡推測，以及卡爾曼濾波算法進行航跡推測的過程�；谏鲜鏊悸罚卤碇薪o出2學時緒論課的一個教案設計實例：

　　四、結束語

　　緒論是一門課的開場，其質量好壞會直接影響本門課的教學效果。信號檢測與估計的知識點在通信、雷達和導航中有廣泛應用。為了能更好地引導學生，教師應秉承以實例為主要引導手段，從而盡快把握課程精髓之所在的教學主張。通過實例引導，有助于學生盡快地理解信號檢測與信號估計的含義，引發學生的求知欲望。學習信號檢測與估計理論，將為學生進一步學習研究隨機信號統計處理打下扎實的理論基礎；同時該課程的基本概念、基本理論和分析問題的方法也為解決實際問題提供了方向，從而讓學生以更好的狀態面對日后課程的學習。

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