訊號檢測與估計課程緒論教學方法論文
訊號檢測與估計課程緒論教學方法論文
摘要：“訊號檢測與估計”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，其次提出基於例項的給課程作緒論的教學方法，然後梳理它在通訊、雷達以及衛星導航三個領域的知識點，最後給出具體的2學時緒論課的教學思路，並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；通訊；雷達；導航
一、引言
在日後的課題研究時，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於具體知識的傳授，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，為日後的學習效果定了基調，因此顯得尤為重要。事實上，訊號檢測與估計的理論在通訊、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例項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。對通訊、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例項。
二、課程在三大領域的體現
訊號檢測與估計理論已成為現代資訊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髮展。目前，訊號檢測與估計的理論已經廣泛應用於各個領域，如通訊、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絡，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。透過完成這些建設，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.通訊在通訊原理經典教材中，有一章專門討論數字訊號的最佳接收機問題，也是定量分析誤位元速率最重要的一章，其全部的理論基礎來自於訊號檢測與估計課程。通訊系統中的最佳接收是以錯誤機率最小為準則的，可分為確知訊號、隨相訊號和起伏訊號三類分別定量分析。實際通訊接收機的誤位元速率效能分析也是本課程中訊號統計效能理論的進一步深入。在通訊技術中，存在在干擾噪聲中發現或者分辨微弱訊號的問題。一般來說，訊號透過系統所能獲得的信噪比是系統有效性的一個度量，如二元通訊系統的錯誤機率與信噪比有關，信噪比越大，錯誤機率越小。此外，通訊中的匹配濾波和相關接收的重要概念也出自於本課程。因此有了訊號檢測與估計理論後，再去閱讀通訊原理就會容易得多。
2.雷達雷達中的訊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。雷達回波訊號中總是混雜著噪聲和各類干擾，而噪聲和各種干擾訊號均具有隨機持性，在這種條件下如何發現目標屬於訊號檢測的範疇。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。訊號檢測理論是判斷訊號是否存在的方法及其最佳處理方式。在雷達訊號處理的著作中，都會有關於雷達訊號的恆虛警機率檢測（CFAR）的深入討論，這是雷達普遍採用的訊號檢測方法。其理論基礎就來自於本課程的統計檢測，屬於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訊號檢測與估計為重要理論基礎的。衛星導航訊號的捕獲也屬於噪聲中訊號的檢測，在工程上，技術人員往往採用和雷達中一樣的恆虛警檢測技術。位置的定位解算過程，採用了基於最小二乘法的迭代演算法，是一種噪聲背景下的訊號估計方法，屬於訊號統計估計範疇。目標的航跡經常會採用卡爾曼濾波演算法進行推測，屬於波形估計的範疇。導航接收機接收到的資料可能摻雜著各種干擾，為儲存導航訊號，可採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訊號。匹配濾波器是許多最佳檢測系統的基本組成部分，在最佳訊號參量估計、訊號分辨、訊號產生和訊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例項。以下是筆者在教學實踐中所採用的例項。統計檢測：以雷達接收機中有無敵機目標的恆虛警檢測問題為例，講解雷達檢測是一種基於噪聲與雜波背景的統計檢測，解釋雷達為什麼要採用奈曼—皮爾遜的恆虛警檢測準則。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：以二進位制確知訊號BPSK調製訊號的最佳接收為例，講解其調製方法，形象解釋由於其相關係數為-1，故其誤位元速率最低的原因，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，講解採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，解釋其採用最小二乘的原因。波形估計：以導航中目標的運動航跡推測為例，講解什麼是航跡推測，以及卡爾曼濾波演算法進行航跡推測的過程。基於上述思路，下表中給出2學時緒論課的一個教案設計例項：
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。訊號檢測與估計的知識點在通訊、雷達和導航中有廣泛應用。為了能更好地引導學生，教師應秉承以例項為主要引導手段，從而儘快把握課程精髓之所在的教學主張。透過例項引導，有助於學生儘快地理解訊號檢測與訊號估計的含義，引發學生的求知慾望。學習訊號檢測與估計理論，將為學生進一步學習研究隨機訊號統計處理打下紮實的理論基礎；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後課程的學習。
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