信號檢測與估計課程緒論教學(xué)方法論文
摘要：“信號檢測與估計”課程因其完整的理論體系，很難短時(shí)間內讓學(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)生對本門(mén)課程的學(xué)習。本文首先分析本課程難以學(xué)習的原因，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、雷達以及衛星導航三個(gè)領(lǐng)域的知識點(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(shí)，也沒(méi)有意識應用所學(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)認識到在有限的授課時(shí)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(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)習效果定了基調，因此顯得尤為重要。事實(shí)上，信號檢測與估計的理論在通信、雷達、衛星導航等領(lǐng)域有深入應用。針對該課程特點(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)例為主要內容的緒論課方式，旨在促進(jìn)學(xué)生對課程內容的理解，提高學(xué)生的學(xué)習興趣。對通信、雷達以及導航領(lǐng)域中相對應知識進(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
信號檢測與估計理論已成為現代信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。隨著(zhù)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)的'發(fā)展，特別是隨著(zhù)電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應用，顯著(zhù)地增加了實(shí)現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，信號檢測與估計的理論已經(jīng)廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，如通信、雷達、衛星導航、自動(dòng)控制、模式識別等領(lǐng)域。在課堂上，實(shí)時(shí)將所講的知識點(diǎn)與不同應用領(lǐng)域加以聯(lián)系，不但加深了學(xué)生對知識的理解，也提高了學(xué)習興趣，事半功倍。通過(guò)完成這些建設，增強了學(xué)生對知識的理解掌握能力，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(zhuān)門(mén)討論數字信號的最佳接收機問(wèn)題，也是定量分析誤碼率最重要的一章，其全部的理論基礎來(lái)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(lèi)分別定量分析。實(shí)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(jìn)一步深入。在通信技術(shù)中，存在在干擾噪聲中發(fā)現或者分辨微弱信號的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，信號通過(guò)系統所能獲得的信噪比是系統有效性的一個(gè)度量，如二元通信系統的錯誤概率與信噪比有關(guān)，信噪比越大，錯誤概率越小。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。因此有了信號檢測與估計理論后，再去閱讀通信原理就會(huì )容易得多。
2.雷達雷達中的信號檢測是一個(gè)綜合性問(wèn)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(zhù)噪聲和各類(lèi)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(fā)現目標屬于信號檢測的范疇。只有在確定有目標存在時(shí)，才會(huì )進(jìn)一步進(jìn)行距離、角度和多普勒的精確估計。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(zhù)作中，都會(huì )有關(guān)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(lái)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(shù)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(shù)人員往往采用和雷達中一樣的恒虛警檢測技術(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估計方法，屬于信號統計估計范疇。目標的航跡經(jīng)常會(huì )采用卡爾曼濾波算法進(jìn)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(zhù)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(xiàn)性濾波理論。匹配濾波的方法也常常用來(lái)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(chǎn)生和信號壓縮等方面起著(zhù)重要作用。
三、緒論（2學(xué)時(shí)）的教案設計
根據課程的四個(gè)主要構成內容，每個(gè)構成內容安排一個(gè)實(shí)例。以下是筆者在教學(xué)實(shí)踐中所采用的實(shí)例。統計檢測：以雷達接收機中有無(wú)敵機目標的恒虛警檢測問(wèn)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(shí)注意結合提問(wèn)的形式，促使學(xué)生主動(dòng)思考。波形檢測：以二進(jìn)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(guān)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(wèn)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(shí)質(zhì)上就是四個(gè)（或以上）病態(tài)非線(xiàn)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：以導航中目標的運動(dòng)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(jìn)行航跡推測的過(guò)程�；谏鲜鏊悸�，下表中給出2學(xué)時(shí)緒論課的一個(gè)教案設計實(shí)例：
四、結束語(yǔ)
緒論是一門(mén)課的開(kāi)場(chǎng)，其質(zhì)量好壞會(huì )直接影響本門(mén)課的教學(xué)效果。信號檢測與估計的知識點(diǎn)在通信、雷達和導航中有廣泛應用。為了能更好地引導學(xué)生，教師應秉承以實(shí)例為主要引導手段，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，有助于學(xué)生盡快地理解信號檢測與信號估計的含義，引發(fā)學(xué)生的求知欲望。學(xué)習信號檢測與估計理論，將為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習研究隨機信號統計處理打下扎實(shí)的理論基礎；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)面對日后課程的學(xué)習。
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