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篇(1)

趙曼汪正進殷曉虎苗璐

(西安科技大學通信與信息工程學院，陜西西安710054)

【摘要】對通信原理實驗教學現狀進行深入分析，提出了依托專業特色的實驗教學課程建設方案。研究提出建立兩類實驗教學體系，調整實驗課程內容，突出礦業信息特色的技術研究方向；開發綜合型、設計型、創新型實驗項目，并結合科研及競賽，實現突出技術研究優勢的、以創新能力培養為目標的實驗教學體系。

關鍵詞 通信原理；礦業信息；實驗教學；創新；教學改革

0引言

近幾年，就業形勢的日趨嚴峻，社會對大學生綜合素質的要求逐漸升高，學校依勢提出了對教育教學方向的新思路。在實踐教學方面，不但要求學生通過實驗加深理解基礎理論，而且要求具有團隊合作意識和創新思維，能夠靈活的綜合應用本專業知識解決實際工程問題。

為此，實驗教學團隊以通信原理實驗課程為試點，進行了一系列的教學改革，以礦業信息技術為重點，實現了從基礎到專業、從基本到提高、從單一到綜合，最終達到培養學生具備較強的知識應用能力、創新能力、團隊協作能力、工程設計能力的目標。[1]

1實驗教學現狀分析

“通信原理”是通信專業重要的專業基礎課程，涉及“信號與系統”、“概率論與數理統計”和“高頻電子線路”等多門先修課程，通信原理實驗基于相應的理論課程，同時又高于理論課程，在學生能力培養和綜合素質提高方面有著獨特作用。對比我校現行的通信原理實驗課程培養方案及實驗大綱，并結合教學過程中發現的問題，發現實驗課程存在許多弊端：

1）實驗教學課程無法體現礦業信息技術特色的優勢。以學校特色專業為依托，本學院的特色研究方向即為礦山通信、礦山信息化建設，教師團隊也研發出諸多新型技術成果。但在實踐教學過程中，仍然按照教學大綱規定的學時數安排實驗課程，實驗內容主要是驗證基本概念和理論數據或是簡單的基本技能訓練，例如基本信號測試、脈沖編碼調制、移頻鍵控等內容的驗證，內容偏于簡單，沒有突出本學院的專業特色，學生對當前技術發展趨勢沒有任何的了解，在就業時沒有專業技術優勢。

2）實驗項目主要以單元驗證性實驗為主，綜合實驗、應用創新型實驗項目比例小，學生的創新能力、知識綜合應用能力無法得到有效提升。現有的實驗教學內容多數為單元實驗，且為演示性、驗證性實驗項目，占到了總實驗課程的90%以上，這樣的實驗教學很大程度上是成為理論教學的輔助手段，實驗課程安排也使學生完全處于被動狀態，不能充分調動和發揮學生的主觀能動性，無法適應創新教育對人才的培養要求。[2]

3）實驗教學體系一條線，專業不同，其教學大綱、課程內容安排相同，無法凸顯各專業技術研究方向，不能體現因材施教的方針。涉及通信原理實驗共有四個專業，但實驗安排的課程內容與實驗要求完全相同，沒有區分各專業的實驗教學側重點，沒有突出各專業技術特色。同時，學生水平參差不齊，對實驗指導教師存在不同程度的依賴，需要教師根據學生自身的特點，引導學生加強創新思維和科學研究素質的培養。

因此，結合本校辦學特色，對通信原理實驗教學體系進行研究及改革成為通信原理實驗教學亟待解決的重要課題。本項目在認真分析專業技術研究方向的基礎上，以礦業信息方向為重點，改進實驗教學體系、教學內容、教學手段及方法。

2實驗教學改革方案

通信原理實驗教學改革是創新活動為重點，突出礦業信息技術研究優勢，按照不同的專業方向，構建兩類實驗教學新體系，使實驗教學成為大學生掌握理論與學科前沿知識、從事創新活動的主要平臺，實現實驗教學全方位開放。

2.1建立兩類實驗教學體系

為滿足培養學生實踐與創新能力的要求和不同專業培養目標的要求，設置了礦業信息類及電子信息類兩類實驗教學體系。礦業信息類包含通信工程、電子信息工程專業，研究方向為礦山信息化建設、數字礦山通信、系統仿真；電子信息類包含電子信息科學與技術、電子科學與技術專業，研究方向為現代網絡技術、軟件設計、光通信技術。

實驗課程方面，設立與專業技術研究方向對應、合理的驗證性實驗內容及綜合實驗內容。以驗證性實驗為基礎，增加綜合性、設計性實驗項目，通過引入科研項目、建立創新技術小組、參與科技競賽等方式，開設應用創新性實驗項目，達到基礎實驗及綜合設計實驗占總實驗課程項目的70%~80%，創新應用類實驗課程內容占總實驗課程項目的20%~30%。對于礦業信息類專業，減少基礎實驗比例，增加綜合實驗與應用創新實驗項目，對于電子信息類專業，以基礎實驗為主，增加綜合實驗比例，增設應用創新實驗項目。

2.2改革實驗教學方法與手段

推行多樣化的實驗方法與手段，采用實驗教學仿真和虛擬操作軟件完善實驗教學，結合硬件儀器實驗和軟件仿真實驗；合理運用多媒體輔助實驗教學手段，對綜合性、設計性實驗提供支持，方便實驗教師進行指導；同時，利用QQ、電子郵箱、微信等軟件，與學生建立實驗交流平臺，在—定程度上解決硬件資源短缺、實驗課時不足、師生互動不夠等問題，明顯提高綜合性、設計性實驗的成功率。[3]

2.3實現實驗室全開放

實驗室全開放是以完善的實驗室開放制度作為保證，鼓勵學生自主設計實驗項目，進行實踐驗證，使學生在加深理解和掌握理論基礎知識的基礎上，從事工程設計和科研活動，突出學生創新實踐能力培養。實驗室全開放不僅包含對本科生、研究生的實驗開放，也包含對教師的科研開放。對學生開放，即學生可自由選擇實驗內容，實驗室提供實驗儀器及所需的元器件，教師參與指導。對科研開放是鼓勵教師和工程技術人員充分利用中心的儀器設備，開展教學與科研工作。[4]

3結束語

實驗教學改革打破了“實驗課和實驗內容附屬于理論課程”的傳統實驗教學體系，實驗課程體系實現了從簡單驗證到綜合設計、從實驗模擬到工程實際，增強了學生的實踐能力，提高了學生的知識綜合應用能力及工程創新能力，縮短了學生與企業環境、崗位需求間的距離。同時，實驗團隊的實驗教學能力和水平也得到了較大提高。

參考文獻

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［2］齊永欽．創新教育與高校實驗教學改革[J]．實驗室研究與探索，2002，21(6)：9-10.

［3］戰春梅,戰也非．多媒體輔助教學在高校理工科綜合性設計性實驗中的應用[J]．牡丹江大學學報，2007，17(7)：134-135.

篇(2)

關鍵詞：卷積碼; 編碼器; 現場可編程門陣列; VHDL

中圖分類號：

TN9234

文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2012)05

0065

03

Design of convolution code encoder in mobile communication based on FPGA

XIAO Juan, LIU Qian, XU Zhen

(Institute of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：

Convolution code is an error controlling code with better performance. The principle of convolutional code is introduced and a (2,1,9) convolutional code encoder based on FPGA using VHDL hardware description language is implemented. Then， the simulation results are proposed and verified on the FPGA. Simulation and test results show that the design can achieve the desired design requirements and can be used in actual projects.

Keywords： convolution code; encoder; FPGA; VHDL

收稿日期：20111019

基金項目：湖北省教育廳科技計劃項目(Q20111707)

0 引 言

數字信號在有噪聲的信道中傳輸時，由于受到干擾的影響，會發生誤碼。在設計數字通信系統時，首先應合理設計基帶信號，選擇調制、解調方式，并采用均衡措施等，使誤碼率達到指標要求。若仍然不能滿足要求時，則必須采用差錯控制編碼等信道編碼技術，使誤碼率進一步降低［1］。

卷積碼是深度空間通信系統和無線通信系統中常用的一種差錯控制編碼。在編碼過程，卷積碼充分利用了各碼字之間的相關性［2］。卷積碼廣泛應用于衛星通信，GSM，CDMA數字移動通信等通信系統，對其進行研究具有很大的現實意義。

FPGA是可編程邏輯器件，采用FPGA等新型可編程器件進行數字系統設計，不僅使設計的電子產品達到微型化、高集成化和高可靠性，而且開發周期短、成本低、風險小［3］。本設計采用VHDL語言并選用FPGA設計了一個(2,1,9)卷積碼編碼器。

1 卷積碼編碼器原理

卷積碼是1955年由Elias等人提出的一種十分常見且有效的前向糾錯碼(FEC)。卷積碼(n,k,N)主要用來糾隨機錯誤，它的碼元與前后碼元有一定的約束關系。卷積碼(n,k,N)將k個信息比特編為n個比特,N為約束長度。即卷積碼的當前碼元不僅與當前輸入的k個信息碼元有關,而且還與前面(N-1)個時刻輸入的信息碼元有關，卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關，還與采用的譯碼方式有關。總之，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關性，在同樣的碼率和設備的復雜性條件下，無論在理論上還是實踐上都證明：卷積碼的性能至少不比分組碼差［4］。

2 卷積碼編碼器設計

2.1 編碼設計原理

卷積碼(n,k,N),其一般形式為一個由N段組成的輸入移位寄存器，每段有k級;一組n個模2和相加器；一個由n級組成的輸出移位寄存器。對應于每段k個比特的輸入序列，輸出n個比特。整個編碼過程可以看成是輸入信息序列與由移位寄存器與模2和連接方式所決定的另一個序列的卷積［4］。

本設計的卷積碼是(2,1,9)，編碼效率是1/2比率，約束長度為9，碼發生器函數為：g(1,1)=(111101011),g(1,2)=(101110001)。對于每個輸入到編碼器的數據比特產生兩個編碼符號v1和v2,然后依次輸出；編碼符號v1用發生器函數編碼g(1,1)，第一個輸出；編碼符號v2用發生器函數g(1,2)編碼，第二個輸出。卷積碼編碼器初始狀態為全“0”狀態。隨后第一個輸出編碼符號為發生器函數g(1,1)產生的編碼符號。

電路框圖如圖1所示。

3 卷積碼編碼器仿真

3.1 功能仿真

仿真前設置輸入信息序列Convolutionbitin=“1101001001”，對應時鐘為400 ns。圖3為(2,1,9)卷積碼，碼發生器函數是:g0=(111101011),g1=(101110001)的理論編碼結果。卷積編碼器VHDL功能仿真波形如圖4所示。

比較卷積碼編碼器的理論結果(見圖3)和功能仿真圖(見圖4)，仿真結果與理論計算完全一致。

3.2 時序仿真

在不考慮時延的情況下，對照圖4與圖5，兩者仿真波形一樣。從圖6可以看出卷積編碼器的時延為7.0 ns，這是因為功能仿真不考慮信號時延等因素，而時序仿真則是選擇了具體器件并完成布局布線后進行的含定時關系的仿真，所以其仿真更接近真實器件運行特性，因而仿真精度更高。由于不同器件的內部時延不一樣，不同的布局，布線方案也會給時延造成很大的影響，因此在設計實現后，有必要對網絡和邏輯塊進行時延仿真，分析定時關系，估計設計性能［3,5］。

時序仿真后，再進行器件編程和調測。實測結果完全正確,達到了設計要求。

4 結 語

本文闡述了卷積碼編碼器的工作原理，利用FPGA器件，設計出了(2，1，9)卷積碼編碼器。仿真及測試結

果表明,達到了預期的設計要求,并用于實際項目中。

參 考 文 獻

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［10］TAN J, STUBER G L. New SISO decoding algorithms \[J\]. IEEE Trans. Commun., 2003, 51(6): 845848.

作者簡介：

肖 娟 女,1975年出生，湖南常寧人，碩士，講師。主要研究方向為無線通信技術、信號與信息處理。

劉 倩 女,1980年出生，湖北人。主要研究方向為通信工程。

徐 震 男,1974年出生，湖北人，博士，講師。主要研究方向為無線通信技術。

(上接第64頁)

而且所需要的積累次數也不多，能獲得很好的信號處理實時性。

參 考 文 獻

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［2］楊劍.電磁波生命探測方法研究［D］.成都:成都理工大學，2009.

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［12］孫永軍，呂福平.基于小波變換相干積累的微弱信號檢測［J］.電子對抗技術，2003,18(5):710.

作者簡介：

魏崇毓 教授，博士，碩士研究生導師。主要研究領域為通信與電子系統。

篇(3)

【關鍵詞】基站天線 寬頻帶 雙極化 HFSS

1 引言

隨著我國3G牌照的發放,TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三種標準的移動通信網絡都已開始建設和運營。WiMAX等寬帶無線網絡越來越多地投入應用,隨著移動通信技術的發展,相信還會有更新的技術投入商用。不管是現在還是未來,多種通信應用標準并存的局面都將是不可避免的。因此,基站天線能覆蓋盡量寬的頻段,對于其適應多種標準以及今后的擴充來說,顯然有著重要意義。

就此,本文提出一種新型的寬頻帶雙極化天線振子的設計過程,并用基于有限元法的專業電磁仿真軟件HFSS對天線的特性進行仿真。該天線在滿足通信行業標準VSWR≤1.5、雙極化端口隔離度小于-28dB的條件下,可覆蓋1.4GHz～3.6GHz頻段,并且在3G頻段內滿足通信行業標準的雙極化要求[1]。

2 天線設計

超寬帶寬的天線已經有多種,例如領結天線、雙錐天線、對數周期天線[2]等。而圓形振子,以及由其變形而來的半圓形振子等,也都已經被證明是具有寬帶特性的天線結構(如圖1)[3]。這些天線都能在滿足帶寬的條件下滿足不同應用的要求。

圖1 半圓振子的帶寬特性

基于移動通信雙極化的要求,借鑒半圓形振子結構,本文設計的天線結構如圖2～4所示:

圖 2左視圖

圖 3右視圖

圖4俯視圖

圖5立體圖

該天線由兩個成45度交叉極化的振子組成,輻射單元采用圓弧形結構。振子兩輻射單元之間的距離為L,兩個振子之間的空隙距離為W;弧形底面直徑為D,其與接地面距離為H,弧頂高度為h。一般來說,圓弧底面的直徑決定了振子的臂長,對中心頻率有較大影響。同時,研究發現,圓弧頂的朝向(上/下)對頻率響應的收斂性有很大影響,弧頂向上的結構具有更好的收斂特性。

饋電采用微帶線耦合饋電的方式,微帶線的兩端,一端作為端口饋電,一端為1/8波長的開路線。這樣底部既有支撐的作用,也相當于一個寬帶的巴倫器;同時還可以優化饋電微帶線的尺寸,達到網絡匹配的作用。兩個極化的饋電線在中間交疊部分則上下錯開。仿真發現該結構的兩個端口具有很好的隔離度。

最后,從天線的機械承重以及成本考慮,實心的半圓振子是十分不利的。由于天線的輻射特性主要是和輻射單元的表面形狀與周長有關,可以將輻射單元的內部挖空(圖5),達到減輕重量的目的。仿真表明這同樣具有很好的帶寬和輻射特性。

經HFSS軟件優化和調試后,最終天線的幾何尺寸參數如下:輻射單元與地面距離H=40mm,弧頂高度h=8mm,圓弧底面直徑D=32mm,振子兩輻射單元距離L=12mm,兩振子之間空隙W=3mm,圓弧的厚度為2mm。

3 仿真結果

采用HFSS11對天線進行仿真,設定最高頻率點為4GHz,掃頻范圍1GHz～4GHz,掃頻間隔為0.01GHz。圖6為兩個端口的VSWR仿真結果,由圖可見,在1.4GHz～3.6GHz頻段內,兩個端口的VSWR

圖6天線兩個端口的VSWR隨頻率的變化

圖7天線S21參數隨頻率的變化

圖8、圖9分別為天線加反射板后1920MHz和2170MHz頻點的水平面交叉極化輻射方向圖。由圖可見,天線的半功率波束寬度為65度,在該頻段內具有良好的交叉極化比,符合通信行業標準對65度天線的雙極化要求,即:軸向交叉極化比大于15dB,60度方向內交叉極化比大于10dB。

圖8 1920MHz的水平面輻射方向圖

圖92170MHz的水平面輻射方向圖

4 總結

本文設計了一款新型的寬頻帶雙極化天線,并對該天線進行了仿真。結果表明,該天線在符合通信行業標準的情況下,具有很寬的帶寬,并且在3G頻段內具有很好的交叉極化比,有一定的工程實用價值,對今后寬帶天線的研發也有一定的理論研究價值。

參考文獻

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[5]林昌祿. 天線工程手冊[M]. 北京: 電子工業出版社,2002.

【作者簡介】

篇(4)

【關鍵詞】用電信息采集 運維 終端 通信

1 背景介紹

2010年初，用電信息采集系統的建設在一些地市級試點單位初步展開。據統計數據顯示，2010年底基本完成用電信息采集建設15%的覆蓋率。2012年底覆蓋率達到65%，2013年底，實現了90%的采集覆蓋率，直到2014年底，用電信息采集已經基本實現了全覆蓋。

相較于用電信息采集系統建設的高效快速，用電信息采集系統的運維工作卻是步履維艱，始終存在著這樣那樣的問題。以河南各地市公司為例，2012年國網公司全面推進“三集五大”集體建設，電采運維提體系才得以建立，經過逐步完善，各地市公司用電信息采集運維單位成立采集運維班。面對日均一次采集成功率95%、周期采集成功率99.5%的指標考核，能達到任務指標的地市公司幾乎寥寥。其中，電采運維中存在的各種問題是任務指標難以達到的最主要原因。

2 用電信息采集運維中存在的問題

2.1 用電信息采集系統軟件功能有待拓展

在實際運行中，普遍認為用電信息采集系統軟件功能存在局限性，尤其是2014年7月份新上線的一套系統。上線之處僅有數據召測、參數下發和數據查詢等功能。至關重要的報表生成是沒有的，之后加上了采集數據報表，但卻一直未添加電流電壓數據報表，計量在線監測功能形式大于內容，計量在線監測是設備運行異常、電量異常乃至輔助查竊電工作的有利工具。但作為根本的用電信息采集系統，這種基本功能確實沒有得以應用。這一問題在電采運維工作中也占了很大一部分因素。

2.2 實際運用的通信信道單一

用于遠程數據傳輸的信道主要有光纖專網，GPRS/CDMA、3G等無線公網，230MHz無線專網。但用電采集系統在實際運行中，采用的遠程通信方式卻大力傾向于GPRS通信。以河南公司為例，河南公司系統用電信息采集系統的通信信道僅有GPRS一種，甚至于有些地市公司出于各方面原因，GPRS的運營商還只制定一家。

GPRS通信方式有它自身的優勢，例如連接費用低、傳數速率高、接入時間短等。但作為采集終端的神經中樞，由于電采終端安裝地點遍布各個地方甚至各個角落，GPRS通信方式就會存在信號盲區或是弱信號區；同時相比較與光纖通信一次投入終身利用的特點，GPRS通信還存在欠費停機的現象；如果有些地市公司再僅依賴于一家運營商，在運營商系統升級或是系統癱瘓的情況下，用電信息采集系統也會因為缺少備用通道而處于一種被動的狀態；這三種情況都會導致采集終端不在線采不回數據的情況，進而直接影響用電信息系統的采集成功率。

2.3 終端或電能表檔案不符

電能表檔案存在問題。電能表抄表端口號、表地址與現場安裝電能表不符，電能表入庫登記資產時波特率信息輸入錯誤，更換電能表后未及時更新后臺信息等這些問題都會造成終端采集表計數據失敗。

終端檔案不符。現場運維時更換過現場終端后，卻未及時或是沒有更新營銷系統檔案進而將檔案同步到電采系統，電采系統中依然是舊終端信息，也會造成采集失敗，影響采集成功率。

2.4 建設之初的歷史遺留問題

2010年初，用電信息采集系統建設工程在各地市公司開始大力度的開展，建設中出現的問題主要有：一是施工方多是外包單位，責任心不強，因此時常出現臺區戶與變壓器關系不對應、個別用戶串臺區的現象。二是建設之初對系統的技術性能不是很了解，在終端安裝調試方面判斷失誤，造成投運后不采集的情況很多。三是當時的量化考核力度大，卻并沒有對采集成功率進行考核，一味地盲目建設，因此忽略了長遠的問題，為日后的故障處理埋下了隱患。

2.5 終端安裝的外部環境

用電信息采集終端應與其他計量裝置一樣，有輪換周期制度，但在實際運行中，一些地市公司并沒有有效地開展這項工作。本身采集終端的安裝環境，尤其是一些公變終端大多都是安裝在室外，裸漏在空氣之中，遇到大風、大雨、雷電等惡劣天氣，終端就很容易損壞，從而失去數據采集的功效。

2.6 使用部門和運維部門之間缺乏溝通協調

電費核算部門是用電信息采集系統的實際使用部門，但用電信息采集系統的運維部門在很多地市公司都隸屬計量中心。對于一些小區拆遷銷戶、用戶報停、暫停的情況，作為不直接接觸用戶的計量中心是無法得知的。如果抄表人員或是客戶經理不及時和電采運維部門溝通，同時相關流程環節還未流轉，這種情況下，會連續有幾天采集失敗的記錄生成。其實部門之間及時溝通，運維后臺人員可先將正在銷戶的用戶打入停用狀態，不計抄通率，這樣就不會造成采集成功率下降。

以上幾個方面是電采運維一線的員工普遍認為存在的問題，只要這幾個問題能夠得有效解決，用電信息采集運維工作就不會再受到阻礙，采集成功率也會大幅度提升的。

參考文獻

[1]陳向群.電力用戶用電信息采集電力營銷有問必答叢書.中國電力出版社，2012.

[2]牛春霞.電力用戶用電信息采集.2012.

作者簡介

梁麗麗（1984-），女。大學本科學歷。現為河南省電力公司安陽供電公司助理工程師。研究方向為電力用戶用電信息采集。

張大偉（1983-），男。大學本科學歷。現為河南省電力公司安陽供電公司助理工程師。研究方向為電力系統一次檢修。

薛志敏（1977-），女。大學本科學歷。現為河南省電力公司安陽供電公司工程師。研究方向為電力用戶用電信息采集。

李紹存（1967-），男。大學本科學歷。現為河南省電力公司安陽供電公司工程師。研究方向為電力用戶用電信息采集。

程亮（1983-），男。碩士研究生。現為河南省電力公司安陽供電公司工程師。研究方向為電力用戶用電信息采集。

篇(5)

[關鍵詞]專題課程；知識體系；前沿技術；創新能力

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）12-0141-03

專題課程是研究生課程體系的重要組成部分，是針對某一專業領域的研究熱點和關鍵技術進行深入的思考和分析，對學生了解學科前沿、系統掌握專業知識結構具有重要意義。現代通信技術專題是通信與信息系統專業研究生的學科前沿課程，也是很多高校通信專業研究生的必修課，對于研究生建立通信系統知識體系和掌握通信方向的最新發展趨勢具有重要作用。[1]

因此，有必要開展現代通信技術專題課程教學的研究和探索，包括理論教學和實踐教學相結合的研究、課程評價考核等方面的研究，以提高課程的教學效果，促進學生對課程基礎知識的深入理解、掌握、運用和拓展，鍛煉并提高學生學習和研究的能力。

一、國內外研究現狀分析

20世紀90年代以來，隨著教育及改革的不斷推進，各高校把豐富學生知識、提高學生分析思考、創新思維和動手能力作為研究生教學改革的主要目的和目標。[2][3]通信專題課程是通信與信息系統學科的前沿課程，教學較為普遍，其教學方法和教學內容不盡相同。

在國外，通信類專業基礎課多以理論教學和實驗環節相結合的方式組織教學，其實踐環節所占比例較高；理論教學多以專題報告和技術研討專題的形式進行[3]；實驗環節以課程設計為主線，在學習通信類仿真軟件和硬件平臺的基礎上，進行有針對性的專題課程設計任務。

在國內，通信專題課程多數由多個教師共同授課，各自介紹自己的研究領域，而缺乏通信系統層面的講述；且授課環節以理論授課為主，缺少與通信新技術匹配的實踐環節[4]，不利于學生對通信前沿技術和關鍵技術的掌握。而且，教學環節中仍存在諸多問題，分析如下：

（一）課程理論內容陳舊，學生被動接受知識

授課過程中本科化模式嚴重[5]，基礎性內容偏多，而忽視了研究生課程更注重專業性和前沿性的特點，不能很好地適應研究生培養的要求。在學習過程中，仍然是以教師為主的授課模式，學生在教學環節中始終處于被動接受的地位。另外，學習內容偏重專業基礎，學生不感興趣，缺乏學習的主動性。

（二）理論知識不成體系

專題課程一般是教師介紹自己的研究領域，對于一個大的學科而言，研究方向很多，各個專題分屬獨立的研究方向，缺乏系統性。學生無法將各個獨立的專題和整個學科系統地聯系起來。

（三）研究生動手能力得不到鍛煉，理論基礎和實踐解決問題能力培養脫節

專題課程90%以上以理論授課為主，缺乏與專題對應的實踐環節，課程的研究成分較少。因此，研究生的研究主動性沒有激發出來，研究能力得不到很好的鍛煉。[6]

基于此，需開展基于知識體系構建的專題課程教學改革實踐與探索。以現代通信技術專題為例，要改變以往的以單純經典通信理論教學為主或單純進行新技術講解而忽視整個通信理論知識體系構建，忽略激發研究生的研究興趣和提高其研究能力的鍛煉過程的做法，而以數字通信系統知識框架為基礎，采用專題授課模式，幫助學生建立完整的通信知識體系。同時，在各專題基本理論學習的基礎上，要進行擴展性教學，引入對應通信專題技術的發展前沿技術和發展趨勢，在開闊學生視野的同時進一步鞏固其對通信專業知識的理解。并在理論教學過程中采用引導式、互動式、啟發式等教學方法，加強課堂教學的效果。將理論環節和實踐環節相結合、課內教學和課外自學相結合，實現掌握基本理論、了解前沿技術和實現關鍵技術等三個層次的課程學習。

二、構建知識體系的專題教學模式研究和探索

《教育部關于改進和加強研究生課程建設的意見》指出，要優化課程內容，注重前沿引領和方法傳授。根據學科發展、人才需求變化和課程實際教學效果，及時調整和凝練課程內容，加大課程的教學訓練強度。[7]因此在專題課程的教學模式研究和探索的過程中，要采取一系列改革措施，加強學生對創新過程的理解，著力培養研究生的知識獲取能力和解決實際問題的能力。

（一）教學內容上實現前沿技術與通信系統基本框架對接

改變以往專題課程中各個專題內容各不相關的情況，結合專業研究方向，形成一個主體系統。按照系統的工作過程或工作原理，將整個系統分為若干個相對獨立的功能模塊。在此基礎上，引入各功能模塊相關的前沿技術專題，讓學生不僅了解到相關的前沿技術，也能夠掌握該技術在整個專業體系中的作用，從而形成系統性的授課內容。

同時，在教學內容的選擇上，改變以往的基礎性、理論性為主的教學內容，根據當前的研究熱點和前沿技術開展專業性、創新性的培養。每一個專題都包括經典理論構建、關鍵問題突破和前沿研究進展等研究內容，形成從基礎到專業，從理論到應用的專題內容。

（二）課程結構上將實踐環節作為重要一環

在以往的教學環節中，教師都是采用純理論授課的教學模式，學生僅僅對課堂講解的理論內容有所了解，而無法學習與專題課程相關的關鍵技術的實現。理論與實踐環節嚴重脫節，不能滿足研究生創新能力和發展能力的培養目標。因此，在專題內容理論授課結束后，設置相關的關鍵技術的模型設計和仿真實現，并在課堂上交流和演示自己的實現方案，能讓學生在提升專業素養的同時，也鍛煉了解決實際問題的能力。

（三）教學方法采用多種方法緊密結合

在研究生教學環節中，教師多以講授式為主要的教學方法，學生的積極性、主動性不容易發揮。因此，在專題授課過程中，應采用引導式教學、研討式教學和案例式教學等多種教學方法相結合的教學方法。

整個教學過程不再是學生被動接受知識，而是教師主導，學生參與。由教師根據專題內容設置一定的課題，由學生自主學習完成方案論證和關鍵技術的仿真實現，這能激發學生的學習興趣，提升其自主學習能力。

三、基于現代通信技術專題的知識體系專題授課模式研究和探索

結合我校教學指導思想，研究生專業課教學改革的需求和通信專業的特點，以現代通信技術專題課程為基礎，學院開展了基于知識體系構建的專題課程教學改革實踐和探索，主要對課程教學體系進行研究，包括以下三個方面。

（一）整合理論教學內容，開展系統性教學

以數字通信系統知識框架為基礎，建立基于知識體系的授課模式，并結合目前通信技術的前沿理論和技術，開展系統性和研究性的理論教學體系。

1. 構建現代通信技術知識體系的基本理論

結合數字通信系統的基本組成和數字通信實現過程，將理論授課內容分為：信源編碼、信道編碼專題、數字調制專題、無線信道專題、多址技術專題、分集和均衡技術專題等。基本理論部分，主要介紹各專題的主要原理以及技術發展過程中出現的關鍵技術，以信道編碼為例，基本理論部分主要學習信道編碼的意義、基本原理，以及在信道編碼技術發展過程中起著關鍵作用的線性分組碼、卷積碼和級聯碼的基本實現過程。具體的基本理論框架及關鍵技術如圖1所示：

2. 加強前沿技術研究擴展教學

結合現代通信技術的基本理論框架，將數字通信技術中的前沿技術融合到通信系統框架中。比如將噴泉碼作為信道編碼專題的前沿技術擴展，將協作通信加入到分集和均衡技術專題中，讓學生在接收前沿技術的同時，能夠清晰認識到該技術的特點、在通信系統中的作用，為后續的研究打好基礎。各專題基本理論與前沿技術的擴展如圖2所示：

以上兩部分構成了課程理論教學的主要內容。在理論教學中，以教師授課，學生自學為主，采用引導式、互動式、啟發式等教學方法，講授現代通信技術中的基本理論、關鍵技術及其在通信技術發展過程中出現的前沿技術。當然，具體的教學內容可以根據當前通信技術的發展動態調整，也可以擴展補充通信技術發展過程中的其他一些前沿技術，例如計算機技術和通信技術融合產生的一些相關技術、物聯網技術等。

（二）加強實踐環節，開展研究型教學

研究生培養的主要目標是培養學生的知識獲取能力、獨立研究能力和解決實際問題的能力，如果僅僅停留在理論學習上，就不可能很好地調動學生的學習興趣，研究能力和創新能力的培養更無從談起。因此，實踐環節是研究生教學中必要的補充。要將通信系統中的關鍵技術實現作為課程的重要一環，開展研究型教學，加強學生創新能力和解決實際問題能力的培養。

結合現代通信技術基本理論和前沿技術，以提高學生分析和解決實際問題的研究能力為目標，設定前沿技術中的一些關鍵技術實現問題，讓學生利用課余時間進行調研學習，完成關鍵技術的實現模型設計和算法流程，進行仿真實驗驗證并與所學理論內容進行對照和驗證，然后在研討課上進行講解和展示。在鍛煉學生解決實際問題能力的同時，也鍛煉和提高他們團隊協作的能力。實踐教學流程如圖3所示：

（三）創新考核方式，建立綜合評價體系

改變單純以報告結課的評價方式，加強對研究生基礎知識、創新性思維和發現問題、解決問題能力的考查，突出實踐動手能力和知識運用能力，建立綜合評價體制。以創新人才培養為目標，重視教學過程考核，加強考核過程與教學過程的緊密結合；同時，加強對研究生基礎知識、創新性思維和發現問題、解決問題能力的考查。

1. 將課程學習過程計入評價體系中

重視教學過程考核，加強考核過程與教學過程的緊密結合。每個專題學習后都要求學生設計其關鍵技術的實現方案。這既考核了學生對該模塊基本理論的掌握情況，又能夠鍛煉學生獲取知識的能力。

2.將課外實踐環節作為評價考核的重要一環

加強能力素質考核，將實踐環節納入課程評價體系中。在課程學習過程中，學生任選一個關鍵技術，按照設計的實現方案完成軟件仿真。在加強方法學習和訓練的同時，培養其獨立研究能力和解決實際問題能力。

3.將學生作為課程評價體系中的重要組成部分

在課程評價過程中尊重學生的主體地位。在研討環節中，學生對自己完成的關鍵技術實現部分進行交流和討論，并將此部分作為課程考核體系的一部分。考核由學生和教師共同完成。讓學生在此過程中能夠很好地學習他人的研究思路和研究方法，在一定程度上能夠激發學生的學習興趣。

四、總結

結合課程教學改革，對現代通信技術專題課程進行教學研究探索。結合通信系統框架，將前沿技術融合其中，并對其關鍵技術加以軟件仿真實現，讓學生能夠從系統的角度來理解前沿技術的先進性、實用性、在現代通信技術中的重要性及其缺點，明確下一步的發展方向，實現了前沿技術與通信系統的對接。通過問卷調查和座談調研，參與課程學習的學生都認為課程的教學內容和教學方式，能夠滿足他們的學習興趣和專業發展的需求，達到既掌握基本理論，又培養了知識獲取能力、獨立研究能力和解決實際問題能力的目的。

當然，專題課程的教學改革過程中還會存在一些問題，需要在教學過程中進行探索和實踐，例如個別學生的研究方向是信號處理方向，在下一步的教學過程中需要對教學內容進行相關調整。

[ 參 考 文 獻 ]

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篇(6)

關鍵詞：無線收發模塊; 單片機; 中繼器； 傳輸距離

中圖分類號：

TN925-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

-0137

-04

Application of wireless rescue system in subway station

GAO Feng, NIU Guo-zhu

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract：

In order to make the transmission of passengers′ rescue information fast and reliable, and convenient for installing and maintening the system, a MCU controlled wireless transmission module was used to send and receive rescue information, and repeaters were added between wireless transceiver modules to increase the transmission distance. The attenuation of wireless signal in the subway environment is analyzed and a kind of wireless passengers′ rescue system is designed. The system can meet the transmission of passengers′ rescue in the environment of subway station.

Keywords： wireless transceiver module; MCU; repeaters; transmission distance

收稿日期：2011-11-30

0 引 言

隨著中國城市的快速發展，地鐵在現代城市公交中起著日益重要的作用。地鐵站自動/自助設備眾多，在為乘客提供服務的同時不可避免地也會出現各種故障。為了便于向乘客提供高效快速的服務，地鐵車站都配置乘客求助服務系統。

有線乘客求助系統由于需要布線，施工復雜，不利于靈活設置。無線乘客求助系統可靈活方便配置，施工簡單，但存在通信距離不足，抗干擾能力弱的缺點。本文基于無線收發模塊、單片機和中繼器設計了適用于地鐵站內環境的無線乘客求助系統。

1 系統介紹

1.1 系統結構

地鐵無線乘客求助系統主要由車站計算機、管理終端、中繼器、求助終端組成。車站計算機與管理終端安裝于地鐵站控制室，求助終端安裝于地鐵站內有可能需要乘客求助服務的設備或者建筑物上，中繼器則安裝于管理終端與求助終端間以放大并傳遞無線信號。

1.2 系統工作原理

地鐵無線乘客求助系統由安裝于車站控制室的一臺車站計算機、一臺管理終端和分布在車站各處的多臺求助終端構成。當乘客需要求助時按下一臺求助終端的求助按鈕，此時安裝于求助終端上的求助信號燈由暗變為常亮表示求助信號已經發出。求助信號以無線方式傳送至管理終端，管理終端接收到求助信息后將其以有線方式傳送至車站計算機并由車站計算機顯示發送求助信息的求助終端的編號。車站管理人員點擊車站計算機上的求助響應按鈕對求助信息進行響應，響應信息以有線方式傳送至管理終端再通過無線方式傳送至求助終端，此時求助終端上的求助信號燈由常亮變為閃爍表示求助信號已被響應，乘客只需等待工作人員前來處理問題。

無線求助系統的工作原理如圖1所示。

2 系統設計

要滿足無線乘客求助系統的設計要求，系統各部分需要具備以下功能：

車站計算機：系統監控虛擬儀器，顯示各求助終端編號、分布及實時狀態；求助響應按鈕和全體響應按鈕，對相應求助終端的求助信號或所有求助信號進行響應；求助清除按鈕和全體清除按鈕，對相應求助終端的求助信號或所有求助信號進行清除；系統狀態檢查按鈕，檢查所有求助終端是否處于正常工作狀態。

管理終端：接口模塊，與車站計算機進行通信；無線收發模塊，與求助終端進行通信；微控制器，控制串行接口與無線收發模塊的工作并傳輸和存儲相關信息。

求助終端：求助按鈕，供乘客求助時使用；求助指示燈，提示乘客求助是否被響應；無線收發模塊，與管理終端進行通信；微控制器，控制按鈕、指示燈及無線收發模塊的工作并存儲和傳輸相關信息。

地鐵無線乘客求助系統的硬件設計框圖如圖2所示。

2.1 求助終端設計

根據系統功能要求，求助終端選用無線收發模塊nRF905。 nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器,工作電壓為1.9～3.6 V,32引腳QFN封裝(5 mm×5 mm),工作于433/868/915 MHz三個ISM(工業、科學和醫學)頻道,頻道之間的轉換時間小于650 μs。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成,不需外加聲表濾波器,ShockBurst工作模式,自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗),使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以10 dBm的輸出功率發射時電流只有30 mA,工作于接收模式時的電流為12.5 mA,內建空閑模式與關機模式,易于實現節能\[1\]。nRF905有4種工作模式，如表1所示。

SPI接口由SCK,MISO,MOSI以及CSN組成。功能分別為SPI時鐘,SPI輸出,SPI輸入,SPI片選。

狀態輸出接口有提供載波檢測輸出的CD,地址匹配輸出的AM,數據就緒輸出的DR。

單片機的相應引腳與無線收發模塊nRF905、求助按鈕、求助信號燈相連接并控制其工作，組成求助終端。

2.2 管理終端設計

由于管理終端除了要完成求助終端一樣的無線信息傳輸功能外，還要完成與計算機的有線信息傳輸。所以管理終端在求助終端的基礎上又增加了一片單片機與接口模塊。本文采用標準RS 232C 接口模塊,采用MAXIM公司生產的MAX232A芯片將微單片機的TTL電平與計算機串口標準RS 232C電平進行相互轉換\[2\]。

2.3 中繼器的使用分析

地鐵站是一個環境復雜的公共場所，其中建筑物多，各種射頻設備干擾復雜，無線傳輸模塊發送的信號經過衰減和干擾后很難可靠傳送，經過試驗，10 dBm的發射功率其可靠通信距離只有30~40 m左右，而地鐵站長達數百米。要實現可靠的無線數據通信，可采用以下兩種方案實現:

方案一:通過增加無線發射的功率實現數據的遠距離傳輸。

方案二:通過增設無線中繼器拓展傳輸網絡，實現遠距離傳輸。

方案二相比于方案一有功耗低，對人體健康影響小，對地鐵站內其他設備干擾小的優點。所以本文選擇中繼器用來延長無線傳輸距離。

自由空間傳播時的無線通信距離的計算方法：天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。通信距離與發射功率、發射頻率和接收靈敏度的關系式：

Los=32.44+20lg d+20lg f

(1)

式中:Los表示傳輸損耗，單位:dB；

d為傳輸距離，單位:km；

f為載波頻率，單位:MHz。

由式(1)可見，自由空間中電波傳播損耗(亦稱衰減)只與工作頻率f和傳播距離d有關，當傳輸損耗一定時，載波頻率越低，傳輸距離越遠，所以本文選擇nRF905工作頻率為433 MHz。

本文中無線收發模塊nRF905的工作頻率為433.92 MHz，發射功率為+10 dBm(10 mW)，接收靈敏度為-100 dBm。由此可得:

Los=110 dB

由式(1)計算可得，在自由空間傳播時的無線通信距離d=30 km。

這是在室外無任何障礙物和干擾源的情況下的理想傳輸距離，而在地鐵站中中，無線信號強度在遇到傳播途徑中的大氣、建筑物等影響因素時都會衰減，從而大大降低了無線信號的傳輸距離。當衰減大于25 dB時，nRF905的有效傳輸距離將小于100 m。

在室內無線通信時，電磁波會受到墻壁、門窗等阻擋物的衰減，在工程應用中可按表2選取衰減值\[3\]。經過在地鐵站內的實際觀察，參考表2可得出地鐵站內對無線信號的衰減將在25 dB左右甚至超過25 dB，所以管理終端和求助終端之間至少需要使用一臺中繼器。

3 軟件設計

3.1 軟件抗干擾設計

地鐵站內環境復雜，干擾源眾多，會對地鐵無線乘客求助系統信息的準確傳輸產生影響。通過軟件控制系統的工作流程，可以有效減弱系統所受到的干擾。

地鐵無線求助系統的工作流程如下：

(1) 管理終端通過無線收發模塊向第一臺求助終端發送上傳乘客求助信號的命令。

(2) 如果第一臺求助終端有乘客求助申請，則求助終端向管理終端發出求助申請信號。如果第一臺求助終端沒有乘客求助申請，則返回第一步向第二臺求助終端發送上傳乘客求助信號的命令。

(3) 管理終端接到第一臺求助終端發送的乘客求助申請信號后，發出批準信號。

(4) 第一臺求助終端接收到批準信號后，將存儲在其寄存器中的乘客求助信息發送至管理終端。

(5) 管理終端接收到第一臺求助終端的乘客求助信息后將其存儲至寄存器，并返回第一步向第二臺求助終端發出上傳乘客求助命令信號。

(6) 管理終端完成一次對所有求助終端的掃描，再將其寄存器中的乘客求助信息通過串行接口傳送至計算機。

(7) 求助終端則利用掃描間隙接收乘客求助按鈕發出的乘客求助信息并將其存至求助終端寄存器。

3.2 管理終端軟件設計

管理終端開機便進行初始化，然后進入掃描求助終端狀態。當接收到乘客求助請求信號后，便發出批準信號，收到乘客求助信息后便將乘客求助信息存入寄存器，并繼續掃描下一臺求助終端，直至一輪掃描完成后，將乘客求助信息傳送至計算機，然后開始下一輪掃描。其工作流程如圖4所示。

3.3 求助終端軟件設計

求助終端開機后處于射頻接收模式，系統查詢掃描乘客求助按鈕，如果沒有按下則繼續等待。如果掃描到乘客求助按鈕被按下，則將乘客求助信息存入寄存器等待發送。當接收到管理終端發送來的命令信號，則發出乘客求助信息申請信號并等待批準信號，接到管理終端的批準信號后發送乘客求助信息，隨后繼續掃描乘客求助按鈕。其工作流程如圖5所示。

4 結 語

本設計在原有無線通信系統上針對無線收發模塊進行了無線信號在地鐵站環境中的衰減分析，先從理論上證明了無線收發模塊在地鐵站內的有效傳輸距離會大大減小甚至不足百米。通過在空曠環境和地鐵站內對本系統的測試，驗證了理論分析的可行性，站內環境對系統的衰減嚴重。本設計討論了解決方案并最終選擇使用中繼器延長無線收發模塊的傳輸距離。該無線

乘客求助系統在其他復雜環境公共場所同樣適用。

參 考 文 獻

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作者簡介：

高 峰 男,1987年出生，陜西人，碩士。主要研究方向為測試計量技術及儀器。

牛國柱 男,1969年出生，江蘇人，碩士，副教授。主要研究方向為測試計量技術及儀器。

(上接第136頁)

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作者簡介：

鞏元鵬 男，1986年出生，山東新泰人，碩士研究生。主要研究方向為嵌入式方向和數字家庭關鍵技術研究。

篇(7)

【關鍵詞】防盜 智能口袋 機器學習

通過多傳感器數據信息采集以及分析，運用無線通信傳輸系統進行報警功能的實時連接，獲得用戶交互系統以及信息存儲系統的輔助，進而實現其物品安全防范的功能。

1 設計的意義

1.1 探測靈敏度高

防盜系統的核心是探測器，針對目前很多產品不能獲得靈敏預報的問題。選擇多傳感器裝置進行多角度的物品數據信息的檢測，并進行監督式的機器學習算法的建立，進而解決傳統產品探測靈敏度不高的問題。

1.2 報警直觀度優良

市面很多產品的報警器設計存在不合理的問題，待機和檢測的時間偏低。因此，本次設計針對報警裝置采用了腕式顯示器振動方式，讓手環和口袋獲得了聯系，極大的提高抗干擾性以及實時性。

1.3 通用型較強

市場上的很多產品受到距離、內部物品大小、外界環境影響等因素較大。因此，本次設計采用了抗環境干擾特點，并選擇節能環保材料，讓成本以及便攜度都獲得了顯著的提升，極大的提高了社會使用價值。

2 硬件總體方案

本次設計主要分為腕式顯示交互部分以及智能口袋部分進行整體的組成，并劃分出七個主體模塊。為主要分為電源模塊，控制與接口模塊，傳感器與信息采集系統模塊，顯示與用戶交互模塊，通信模塊，預警提醒模塊和信息存儲模塊。應用鋰離子可從點電池提供電能，選擇多傳感器方式進行信息的獲取和模塊的處理。

3 口袋外觀與硬件位置分布設計

選擇可拆卸的功能呢設計，運用魔術貼方式進行口袋黏著性的提高。并針對不同模塊在口袋中的分布情況進行了合理的及，紅外傳感器進行了人手進入位置的安置。并把其他相應的模塊裝置設計在口袋底部，提高穩定性以及防止掉落的安全性。

4 硬件方案

4.1 電源部分

采用鋰電池供電，電源輸入采用Micro-USB接口輸入，經過LM1117-3.3給主控單片機穩壓以3.3V優質電壓供電，稱重模塊采用鋰電池直接輸入的5V電壓進行供電。

4.2 控制模塊

控制模塊分為兩個部分，一個是智能口袋的部分，一個是腕式顯示器的部分。采用了基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103系列微控制器，該微控制器基于32位的ARM內核，具有72MHz的強勁運算性能，并且采用了具有獨立的指令總線和數據總線的哈佛結構，可以同時進行取指和數據讀寫操作，從而提高了處理器的運行性能，避免了單一總線引起的沖突。

4.3 傳感器與信息采集模塊

采集智能口袋內的壓力傳感器所獲得的物品壓力參數以及加速度與陀螺儀傳感器所提供的運動狀態參數，結合紅外傳感器和超聲波傳感器，通過使用有監督式機器學習算法對多傳感器信息進行處理，判斷口袋內物品是否丟失，記錄相關數據等。采用1Kg的稱重傳感器。在通信模塊上，本項目選擇藍牙4.0協議中的低功耗規范（Bluetooth 4.0 LE）作為本設備的無線通信協議，實現以藍牙的方式接收與發送信息。最后，預警提醒模塊主要位于手環部位，用于在物品丟失或被盜時提供及時的報警，由蜂鳴器和震動馬達兩個部分組成，在物品丟失或被盜時提供及時的報警。

5 軟件設計方案

5.1 軟件程序運行流程

本次設計的軟件主要包括口袋內的數據采集處理部分和腕表顯示控制兩個部分構成。

5.2 Supervised Learning有監督式機器學習算法

在有監督式機器學習算法中，輸入的數據被稱為訓練數據。一個模型需要通過一個訓練過程，在這個過程中進行預期判斷，如果錯誤了再進行修正，訓練過程一直持續直至訓練數據達到預期的精確性。人在行走過程中會有上下的豎直加速度，MCU獲得的壓力傳感器的壓力數據會進行上下波動。

6 總結

綜上所述，本次設計合理和簡潔，產品具有廣闊的開發應用前景。本產品可拆卸以和其他多種產品配合使用，攜帶輕便，節能環保，同時具有一定的美觀作用，適合廣大人群使用，符合當今社會的發展趨勢。可以有效的解決日常生活中的偷盜問題。

參考文獻

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作者簡介

郝悅（1995-），女，河北省保定市人。在讀本科生，研究方向為信息與通信系統。

余[（1997-），女，安徽省合肥市人。在讀本科生，研究方向為通信工程。

董士洋（1997-），男，安徽省合肥市人。在讀本科生，研究方向為通信工程。

吳耀軍（1996-），男，浙江省麗水市人。在讀本科生，研究方向為通信工程。