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關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理;教學(xué)改革;實踐教學(xué)
作者簡介:藍會立(1975-),男,壯族,廣西馬山人,廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系,講師;廖鳳依(1977-),女,廣西融水人,廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系,講師。(廣西 柳州 545006)
中圖分類號:G642 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-0079(2012)01-0050-02
“數(shù)字信號處理”課程是電氣信息類專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課,它以信號與系統(tǒng)課程的理論為基礎(chǔ),直接面向?qū)嶋H應(yīng)用,注重算法的研究,是繼續(xù)學(xué)習(xí)其它信號處理課程、通信與電子系統(tǒng)課程的必不可少的基礎(chǔ)。該課程的特點是使用數(shù)學(xué)語言對工程實踐中的數(shù)據(jù)采集、分析與處理問題進行描述,內(nèi)容比較抽象,理論性強,包含大量公式的推導(dǎo)和證明,課程闡述的理論與現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展前沿和應(yīng)用密切相關(guān)。因此,有效提高該課程教學(xué)質(zhì)量,對提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和綜合分析解決問題的能力有著重要的意義。在廣西工學(xué)院(以下簡稱“我?!保?,“數(shù)字信號處理”作為電子信息、自動化和測控專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課,在初期教學(xué)采用傳統(tǒng)教學(xué)方式,重視研究教師教法和理論教學(xué),而忽視了實踐教學(xué)及對學(xué)生潛力的挖掘和應(yīng)用基本理論解決實際問題能力的培養(yǎng),教學(xué)效果不明顯。近幾年來,課程組對課程教學(xué)目標(biāo)進行重新定位,在積極探索課程課堂教學(xué)模式,優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,改進教學(xué)方法和手段,完善課程考核方式等方面進行了全面地改革和實踐,取得了較好的成果。
一、調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”構(gòu)成了我校電氣類學(xué)科的信號處理基礎(chǔ)理論平臺,課程內(nèi)容既具有明確的分工又緊密關(guān)聯(lián)?!靶盘柵c系統(tǒng)”涉及信號分析與系統(tǒng)分析,信號分析是基礎(chǔ),突出信號與系統(tǒng)的時域分析和變換域分析的物理概念和工程概念,而三大變換只是實現(xiàn)時域分析到變換域分析的數(shù)學(xué)工具。“數(shù)字信號處理”課程涉及數(shù)字信號分析和數(shù)字濾波器設(shè)計。離散傅里葉變換DFT是實現(xiàn)信號數(shù)字化分析的核心技術(shù),F(xiàn)FT是提高DFT運算效率的重要算法。信號分析是信號處理的基礎(chǔ),而數(shù)字濾波器設(shè)計則是信號處理的具體實現(xiàn)。其中離散信號與系統(tǒng)分析是信號分析和系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ),也是“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程承上啟下的內(nèi)容,在兩門課中都占有比較多的學(xué)時,造成教學(xué)重復(fù)和學(xué)生的厭學(xué)情緒,同時本門課程的重點內(nèi)容因?qū)W時少而縮減。傳統(tǒng)教學(xué)計劃都強調(diào)每門課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性,造成內(nèi)容多學(xué)時少的矛盾,單門課程的教學(xué)改革很難收到理想效果,如何優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,避免重復(fù)教學(xué)是“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)改革的一個核心。因此,建立了信號處理課程群,即將內(nèi)在聯(lián)系較為緊密的“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”等課程組合起來構(gòu)成一個課群,作為信號處理基礎(chǔ)系列課程,其課程體系和教學(xué)內(nèi)容被作為一個整體進行優(yōu)化整合。課程群建設(shè)實行二級負責(zé)制,課程群組長負責(zé)各門課程之間的協(xié)調(diào),課程負責(zé)人負責(zé)本課程內(nèi)部的調(diào)整,以便能適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)的改革與發(fā)展。根據(jù)“數(shù)字信號處理”課程在課程群中的任務(wù)和地位,以及學(xué)生就業(yè)應(yīng)具備的能力,重新規(guī)劃制定課程教學(xué)計劃,通過對課程內(nèi)容進行分解、整合,編寫適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和教學(xué)的教學(xué)大綱,在強調(diào)基本概念和原理的基礎(chǔ)上,以突出應(yīng)用性、實踐性為原則,側(cè)重于學(xué)生綜合分析解決問題和動手實踐能力的培養(yǎng),做好“數(shù)字信號處理”課程與其他課程部分重復(fù)內(nèi)容的銜接,避免造成課時浪費,使學(xué)生掌握課程的精髓部分,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。
其次,針對課程理論教學(xué)大多只討論算法的理論及其推導(dǎo),較少涉及實現(xiàn)方法及相關(guān)的軟硬件技術(shù),我們對實踐性教學(xué)內(nèi)容進行改革,開設(shè)了少學(xué)時的MATLAB信號處理課程和DSP硬件技術(shù)應(yīng)用課程。通過課堂演示、基于MATLAB的算法仿真實驗及分析、基于DSP的硬件算法綜合實驗等三個層次的實踐活動,強化工程素質(zhì)和實踐能力的綜合訓(xùn)練,幫助學(xué)生進一步領(lǐng)會和深化課堂上學(xué)到的有關(guān)數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作及濾波器設(shè)計方法。使學(xué)生逐步克服了對DSP的陌生和恐懼心理,激發(fā)了同學(xué)們強烈的好奇心和求知欲,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,分析解決問題的能力和創(chuàng)新精神。
二、教學(xué)方法改革
“數(shù)字信號處理”課程的特點是理論性、概念性比較強,涉及到大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo),學(xué)生普遍感覺吃力,不易理解,缺乏興趣。要提高教學(xué)效果,必須改進滿堂灌的傳統(tǒng)教學(xué)方法,采用多種教學(xué)方法相結(jié)合來豐富課程的教學(xué)過程。在教學(xué)過程中,結(jié)合學(xué)習(xí)的規(guī)律性,針對不同階段、不同知識點靈活運用不同的教學(xué)方法,激發(fā)學(xué)生的興趣,調(diào)動學(xué)生參與教學(xué)的主動性。
在教學(xué)過程的初期主要采用引導(dǎo)式教學(xué)法,即通過形象化的成果引導(dǎo)學(xué)生去了解理論知識在實踐中的應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如,通過課堂講授與課外專題講座形式介紹學(xué)科發(fā)展前沿,開拓學(xué)生視野,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;或者在開始講授新的內(nèi)容體系之前,通過多媒體等形式有針對性地介紹相應(yīng)技術(shù)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用,以調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性和主動性,以致提高教學(xué)效果。
在教學(xué)的中間過程主要采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)方法。這是一種以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的課堂討論式教學(xué)方法,鼓勵學(xué)生積極投入到課堂教學(xué)的過程中,由被動接受知識向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變,改變單向灌輸?shù)慕虒W(xué)模式。在課堂上,重視討論和交流,教師根據(jù)授課內(nèi)容設(shè)計一些思考題,在課堂上以設(shè)問的方式,引導(dǎo)學(xué)生積極思考和討論,積極引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)過程中來,教師根據(jù)學(xué)生的分析思路和結(jié)果進行點評、糾正和總結(jié),積極鼓勵學(xué)生形成問題意識、進行批判思維。這種方法可以活躍課堂氣氛,重點突出,學(xué)生比較容易把握教學(xué)重點。
在教學(xué)的后期主要采用研究式教學(xué)方法。研究式教學(xué)就是將科學(xué)領(lǐng)域的研究方法引入課堂,通過教師的激勵、引導(dǎo)和幫助使學(xué)生去主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題,并在探究過程中獲取知識、訓(xùn)練技能、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在教學(xué)過程中,組織多名學(xué)生為一組,圍繞課程中一些主題,獨立搜集研究方向,在課外依循一定的步驟開展研究性學(xué)習(xí),最終提供一份包含有課題題目、問題提出、程序、調(diào)試波形和結(jié)果說明的完整研究報告,引導(dǎo)學(xué)生運用數(shù)字信號處理的知識分析、解決問題,注重學(xué)生思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng),在研究中加深對數(shù)字信號處理基礎(chǔ)知識的理解,提高利用理論知識解決實際問題的能力。
三、教學(xué)手段改革
本課程的特點是大量使用了數(shù)學(xué)的方法來表示物理的過程,公式較多,計算繁復(fù),學(xué)生不容易掌握,因此采用單一的教學(xué)手段很難提高教學(xué)效果,必須針對授課內(nèi)容采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的授課方式。其一,采用多媒體課件教學(xué)手段,使教案多媒體化、教學(xué)過程互動化。多媒體教學(xué)信息量大,可以拓展學(xué)生的知識面,精簡課堂授課學(xué)時,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效果。例如,在對概念、公式和定理的物理含義闡述和定性分析中,利用聲音、圖像、視頻、動畫等多媒體教學(xué)手段,使抽象的內(nèi)容形象化和可視化,令學(xué)生理解其物理含義或包含的思想。但是多媒體教學(xué)存在不足是授課速度比較快,因此對于基本原理和基本方法的推導(dǎo)和證明,宜配合板書的授課方式,放慢講課速度,讓學(xué)生跟上教師的思路和有足夠時間領(lǐng)會。其二,通過建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源,使教學(xué)資源共享化、教學(xué)方式多樣化和教師答疑實時化。針對課后的復(fù)習(xí)、相關(guān)背景知識的學(xué)習(xí)以及課堂內(nèi)容的擴展部分,充分利用網(wǎng)絡(luò),建立課程主頁,提供相關(guān)資源和討論空間,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)、網(wǎng)上課程研討、網(wǎng)上交付作業(yè)與實驗報告和優(yōu)秀作業(yè)展示等。
四、完善課程考核方式
成績評定既是一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié),也是檢驗教學(xué)效果的重要手段,教學(xué)模式的改革要求課程考核方式應(yīng)靈活多樣,評價方法由“一考定全局”的傳統(tǒng)終結(jié)性評價轉(zhuǎn)向形成性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合、課內(nèi)教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的全程評價,從而體現(xiàn)教學(xué)評價的全面性、導(dǎo)向性、實效性、過程性和發(fā)展性特點。完善課程考核方式,對素質(zhì)教育的實施和學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常有利,使學(xué)生考試成績更加具有層次性,更加體現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)。教師要加強學(xué)生平時學(xué)習(xí)情況考查,采用筆試、口試和論文答辯等多樣化的考核方式,多方面地測量學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。課程綜合評定成績主要包括期末考試成績(50%)、課程論文(20%)、實驗(15%)和平時成績(15%)。期末考試主要考查學(xué)生對基本概念的掌握和知識的靈活運用能力,避免過多公式推導(dǎo)與演算。課程論文主要考查評估學(xué)生知識掌握程度、文獻查閱調(diào)研能力、動手實踐能力、論文撰寫和表達能力。實踐表明,這種多模式相結(jié)合的考試方式更能檢查學(xué)生的真實能力,避免了對學(xué)生的評價一刀切,有利于學(xué)生對考核的認同和接受,促進學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和自覺性,激發(fā)學(xué)生的潛能和個性的發(fā)展。
五、結(jié)束語
針對“數(shù)字信號處理”課程的特點,結(jié)合我校的人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的總體水平層次,對課程的教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法和手段、教學(xué)評價方式進行了改革,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)學(xué)生的潛能和個性發(fā)展,注重學(xué)生思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過學(xué)生的評教及后續(xù)課程的評價表明課程的教學(xué)改革取得了很好的教學(xué)效果,調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,學(xué)生的實際動手能力和綜合素質(zhì)明顯提高。
參考文獻:
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關(guān)鍵詞數(shù)字信號處理;教學(xué)改革;實驗課程;MATLAB;工程教育專業(yè)認證
中圖分類號:G642.0文獻標(biāo)識碼:B
文章編號:1671-489X(2017)24-0156-03
1引言
工程教育專業(yè)認證是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價,是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度,也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認證的核心就是要確保工科的專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。目前,工科的教育實踐重理論輕實踐,重視知識學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng),強調(diào)個人能力而忽視團隊協(xié)作精神,缺乏解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。因此,有必要結(jié)合實踐教學(xué)改革,解決學(xué)生培養(yǎng)中有待解決的問題。
數(shù)字信號處理是目前電子信息專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課,是信息類及相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的重點課程。無論是無線通信系統(tǒng)的發(fā)展,還是數(shù)字消費電子市場的發(fā)展,在人工智能、模式識別等諸多方面都離不開數(shù)字信號處理技術(shù)。因此,無論是對學(xué)生今后的就業(yè),還是繼續(xù)深造從事相關(guān)研究,學(xué)好數(shù)字信號處理這門課程都是至關(guān)重要的。通過本課程的學(xué)習(xí),要使學(xué)生建立數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)理論知識體系,掌握常用的基本分析方法和分析工具,為從事通信和信息處理等方面工作和研究打下基礎(chǔ)[1-3]。
然而,本課程的理論性強,原理抽象復(fù)雜,公式及推導(dǎo)煩瑣,令人感覺枯燥難懂,學(xué)生大多對這樣的課程興趣不高,課堂效率較低。對于這樣一門理論性和實踐性要求均較強的綜合課程,如何有效地組織課堂教學(xué)內(nèi)容并適當(dāng)?shù)卦黾訉嵺`環(huán)節(jié),使學(xué)生打好理論基礎(chǔ)的同時提高應(yīng)用型技能,實現(xiàn)在做中學(xué),是值得探討和需要解決的關(guān)鍵問題。
為此,本次實踐型教學(xué)改革研究探索主要針對該課程的設(shè)置特點,參照培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和教學(xué)大綱,協(xié)調(diào)相關(guān)課程,積極進行教學(xué)內(nèi)容改革,開發(fā)出既有利于夯實學(xué)生基礎(chǔ),又能提高學(xué)生解決實際問題能力的教學(xué)計劃和課程教案。為提高課堂教學(xué)效率,采用多種教學(xué)方式相結(jié)合,使表現(xiàn)形式更加豐富、生動和直觀,以此來吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生特點,在教案中制定具體方法步驟,增加個性化和前沿內(nèi)容。同時,增加適當(dāng)?shù)膶n}報告,一方面作為教材內(nèi)容的補充,另一方面有利于多樣化教學(xué)。在此基礎(chǔ)上擴大學(xué)生知識面,提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)以及實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和處理問題的能力。增加應(yīng)用型和實例型作業(yè),開發(fā)設(shè)計與教材相配套的練習(xí)題。教師結(jié)合承擔(dān)的相關(guān)科研工作,向?qū)W生介紹該學(xué)科領(lǐng)域近年來取得的一些新成果、新進展及新技術(shù),鼓勵學(xué)生參與教師科研,以此培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。此外,制訂合理的考核計劃以及考核內(nèi)容,建立與之相適應(yīng)的評價體系和反饋機制,全面檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)和教師講授效果,并持續(xù)改進以實現(xiàn)教與學(xué)的最優(yōu)化。
2教學(xué)設(shè)計改革探討
數(shù)字信號處理主要內(nèi)容包括離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、頻域分析,離散傅里葉變換,快速傅里葉變換,數(shù)字濾波器的設(shè)計,數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)和多采樣率數(shù)字信號處理。通過該課程的學(xué)習(xí),能夠讓學(xué)生掌握基本概念和基本分析方法,在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型,用于解決計算機信息處理的實際問題。長期以來,本課程的課堂教學(xué)形式主要采用板書式單一教學(xué)方式。教師板書推導(dǎo)、講解,學(xué)生課堂上聽教師講,課后通過完成作業(yè)來鞏固課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容。在這種學(xué)習(xí)情境下,學(xué)生的時間和精力被繁雜的計算推導(dǎo)所占用,而未必能理解解題背后的正真意義。此次實踐型教學(xué)改革探索的具體教學(xué)設(shè)計思路如下。
通過協(xié)調(diào)相關(guān)課程,整合教學(xué)內(nèi)容,拎主線、抓關(guān)鍵,去粗取精主要闡述離散系統(tǒng)、頻譜分析及濾波的基本原理和方法,用實用、易懂的理論推導(dǎo)并講解,通過實例對數(shù)字信號處理相關(guān)的基本原理和方法進行全面介紹,增加專題講座和前沿動態(tài)介紹以及實用案例教學(xué),從而使學(xué)生掌握離散系統(tǒng)和離散信號的基本特性,掌握離散信號各種變換、數(shù)字濾波的基本方法,掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計以及數(shù)字濾波器的特點,并且能夠靈活運用這些理論知識解決實際問題。
豐富教學(xué)手段和方法在講授過程中可采用啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)、多媒體示范教學(xué)等方法,互相補充、揚長避短,激發(fā)學(xué)生興趣,吸引學(xué)生主動學(xué)習(xí)。對于一些公式的推導(dǎo),邏輯性和推理性強,如果采用多媒體教學(xué)的話,PPT翻新太快,學(xué)生來不及思考。因此,這部分內(nèi)容采用板書,把握好學(xué)生節(jié)奏,逐步推理。對于難以接受的抽象概念,學(xué)生需要形象直觀地認識。教師利用多媒體教學(xué)手段和仿真軟件進行圖形和動畫展示,在提高學(xué)生興趣的同時,使難以理解的內(nèi)容通過形象化的界面給學(xué)生留下深刻印象。
此外,在整個教學(xué)過程中,如果自始至終都由教師來講,會比較枯燥,因此嘗試選擇一些較為簡單的章節(jié)讓學(xué)生來講解。學(xué)生通過準(zhǔn)備和制作課件,加深對理論知識的了解,激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣,也培養(yǎng)了表達能力。教師在此基礎(chǔ)上對學(xué)生所講的內(nèi)容進行點評并補充。這樣一方面會調(diào)動學(xué)生的積極性,充分做好預(yù)習(xí)工作;另一方面,自己的同伴當(dāng)小老師對于學(xué)生來說是新奇的,更容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。
實驗與教學(xué)相互補充、相輔相成對于一些基礎(chǔ)性、驗證性實驗可以穿插在教學(xué)過程中進行,以多媒體的方式展現(xiàn),這樣既可以加深學(xué)生對理論知識的理解,又能節(jié)省實驗課時,騰出時間增加一些設(shè)計性、綜合性實驗,培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力,以適應(yīng)實踐型需求;設(shè)計一些復(fù)雜性的工程問題,通過學(xué)生組隊完成,不僅可以提高學(xué)生解決問題的能力,而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力。
合理布置作業(yè)與充分利用第二課堂合理布置作業(yè),注重完成效果,安排時間進行課外答疑與輔導(dǎo)工作。通過組織學(xué)生參加實踐活動,參與學(xué)術(shù)水平較高、實踐經(jīng)驗豐富的專業(yè)教師的研究課題,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新精神;充分利用課后時間調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí),跟蹤分析完成情況,并反饋到教學(xué)中。
3實驗課程改革探索
數(shù)字信號處理實驗課程是對課堂教學(xué)的補充和提升。目的是通過各類實驗,加深學(xué)生對課堂所學(xué)理論知識的理解,通過案例,編寫MATLAB程序來解決信號分析和處理問題。之前所設(shè)置的實驗都是簡單單一的實驗項目,很難讓學(xué)生將理論很好地聯(lián)系到實際應(yīng)用中,因此非常有必要對實驗?zāi)J竭M行改革,建設(shè)綜合實驗體系。根據(jù)該課程的內(nèi)容特點和教學(xué)目的,科學(xué)合理地設(shè)置實驗項目,制訂基礎(chǔ)型、提高型、研究型三層次的實驗教學(xué)方案[4-5]。
基礎(chǔ)型實驗主要是一些驗證性實驗,包括時域離散信號和系統(tǒng)時域分析、時域離散信號和系統(tǒng)頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換。每個實驗對應(yīng)課程的一部分基礎(chǔ)理論內(nèi)容,主要用于鞏固和理解數(shù)字信號處理基礎(chǔ)理論,用以幫助學(xué)生加深對知識點的理解,明確具體的實驗過程,這些可以在學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)完成。
提高型實驗包括數(shù)字濾波器設(shè)計實驗,有IIR數(shù)字濾波器設(shè)計、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計等。這些具體的信號處理實例能夠加強學(xué)生對濾波器基本理論的理解和實踐能力,這部分內(nèi)容作為課堂驗證實驗。
基于項目的研究型實驗設(shè)計有一定的開放性,能夠讓學(xué)生對各個知識點都融會貫通,又能提高工程實踐能力和團隊合作精神,為以后就業(yè)從事相關(guān)的工作做好準(zhǔn)備。這類實驗主要由教師課后指導(dǎo),學(xué)生組隊完成。
實驗考核方式也做了相應(yīng)調(diào)整,分別是基本實驗和綜合能力兩部分?;緦嶒炗只趯嶒炦^程和實驗結(jié)果兩個方面進行評分:每次實驗結(jié)束前以提問的方式對實驗過程的關(guān)鍵要點進行考核,依據(jù)回答情況給出實驗過程得分;在實驗結(jié)束后,學(xué)生需完成實驗報告,分為預(yù)習(xí)報告和實驗報告,依據(jù)實驗報告的撰寫情況給出實驗結(jié)果考核分數(shù)。
綜合能力考核用于考查學(xué)生綜合應(yīng)用該課程知識與方法的能力,通過項目設(shè)計和小論文兩方面進行考核。依據(jù)設(shè)計的項目和提交小論文的原創(chuàng)性、新穎性和現(xiàn)實意義等給出綜合能力分。
按照以上實驗課程改革思路實施教學(xué)改革,既可以加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握和鞏固,又能培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力,使學(xué)生更加直觀地領(lǐng)會常用的基本分析、設(shè)計方法和處理結(jié)果,有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣,提高解決復(fù)雜工程問題的能力,培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的實踐型人才。
4多層次的考核激勵與持續(xù)改進機制的建立
為提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實際應(yīng)用能力,培養(yǎng)創(chuàng)新精神,應(yīng)同時建立相應(yīng)的多環(huán)節(jié)綜合考核評價機制,全面檢查學(xué)生各方面綜合能力。改革本門課程原有筆試為主的考核方式,增加出勤成績、作業(yè)成績、實驗成績組成,綜合表現(xiàn)、第二課堂評價成績等,采用多層次評價以體現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)。同時,建立評價體系和反饋機制,將階段性效果反饋至教學(xué)中,對教師的授課內(nèi)容、授課方式、實驗內(nèi)容以及綜合設(shè)計等進行不斷總結(jié)和調(diào)整,逐步實現(xiàn)教與學(xué)的最優(yōu)化。
5結(jié)語
針對工程認證背景下數(shù)字信號處理課程教學(xué)過程中存在的問題與不足,提出基于實踐的教學(xué)改革思路。此改革探索以理論為基礎(chǔ),優(yōu)化實踐與考核方式,注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、團隊合作能力及系統(tǒng)工程能力。這種教學(xué)改革模式將理論學(xué)習(xí)與實踐訓(xùn)練相結(jié)合,有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題與解決問題的能力,加強合作和溝通技巧,促進綜合實踐與創(chuàng)新能力,有助于高層次工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】“數(shù)字信號處理”;課程改革;數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境
0 引言
DSP學(xué)科的基本理論是基于經(jīng)典的數(shù)值分析技術(shù)和20世紀(jì)40~50年展起來的采樣理論,從1969年第一本《數(shù)字信號處理》專著出版,《數(shù)字信號處理》課程陸續(xù)在一些世界著名大學(xué)開設(shè)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,該課程教材內(nèi)容發(fā)生了很大的變化,教學(xué)的對象也從研究生課程或本科選修課變成專業(yè)基礎(chǔ)必修課。目前,國內(nèi)所有大學(xué)面向電子信息、通信和計算機應(yīng)用等專業(yè)的本科生都開設(shè)了《數(shù)字信號處理》課程,主要內(nèi)容為確定性數(shù)字信號處理的概念和方法。該課程的特點是理論性很強,突出數(shù)學(xué)分析,工程概念薄弱[1],學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力。為適應(yīng)電子技術(shù)的發(fā)展,使學(xué)生所學(xué)盡可能的與社會發(fā)展接軌,對數(shù)字信號處理這一課程進行改革勢在必行。
隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化學(xué)習(xí)成為一種接受教育的新方式,它包括了新的溝通機制和新的人與人之間的交互作用。本文討論在新形勢下,如何充分利用數(shù)字化學(xué)習(xí)資源,改變以往靜態(tài)的演示性教學(xué)方式,建立新的溝通機制;改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)的目的和功能,強調(diào)個性化學(xué)習(xí),提高教學(xué)效果。
1 數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的特點
數(shù)字化學(xué)習(xí)(e-Learning)是一種以數(shù)字技術(shù)為主要特征的學(xué)習(xí)方式。美國教育技術(shù)首席執(zhí)行總裁論壇在2000年6月召開的以“數(shù)字化學(xué)習(xí)的力量:整合數(shù)字化內(nèi)容”為主題的第三次年會中,已提出了“數(shù)字化學(xué)習(xí)”的觀念[2]。隨著信息技術(shù)的日新月異,數(shù)字化學(xué)習(xí)資源越來越豐富,從數(shù)字音頻、數(shù)字視頻、多媒體軟件、網(wǎng)站、在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)、計算機模擬、在線討論、數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫等等,到近年來大規(guī)模網(wǎng)上公開課、微課,慕課的興起,信息技術(shù)與教育聯(lián)系得越來越緊密。數(shù)字化學(xué)習(xí)的主要目的是提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和終身學(xué)習(xí)能力。而目前,在校大學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)的理念和應(yīng)用水平還處在初級階段,甚至有相當(dāng)比例的學(xué)生在觀念上僅把網(wǎng)絡(luò)等媒體作為檢索信息、通訊和娛樂的工具,而對其蘊含的學(xué)習(xí)功能卻沒有充分認識[3]。
在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中,學(xué)習(xí)模式也發(fā)生了重要的變化,主要體現(xiàn)為以下幾點:
(1)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)講不僅僅依賴于傳統(tǒng)的教師的講授與課本的學(xué)習(xí),而是利用數(shù)字化平臺和數(shù)字化資源,由依賴書本學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向利用資源學(xué)習(xí),形成新的溝通機制。
(2)由按部就班的線性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向具有個性特征的非線性學(xué)習(xí)。
(3)由死記硬背式的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動建構(gòu)性的學(xué)習(xí)。
(4)由依靠教師的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動學(xué)習(xí)。
學(xué)習(xí)方式的變革以及信息學(xué)習(xí)環(huán)境的支持為學(xué)生形成良好的認知結(jié)構(gòu),培養(yǎng)創(chuàng)新意識提供了理想的條件,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。
2 課程教學(xué)模式改革
2.1 轉(zhuǎn)變課堂教學(xué)模式
傳統(tǒng)的課程教學(xué)中,老師主要起到引領(lǐng)的作用,老師對課程內(nèi)容的熱情比較難通過單方面的講授傳達給學(xué)生,激發(fā)期學(xué)生的主動性。在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中,學(xué)習(xí)資源非常豐富,各學(xué)科都可以利用學(xué)習(xí)資源進行自主學(xué)習(xí),教師可以將數(shù)字化學(xué)習(xí)資源與課堂教學(xué)進行結(jié)合,提高教學(xué)效果,同時還能夠促進學(xué)生對數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的使用,提高學(xué)生的信息素養(yǎng),培養(yǎng)終身化學(xué)習(xí)能力[4]。
具體在授課過程中,充分利用網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)技術(shù),給教師和學(xué)生提供一個新的雙向交流環(huán)境,重視教學(xué)的過程。在課前課后,通過網(wǎng)絡(luò),給學(xué)生提供預(yù)習(xí)自學(xué)、課后復(fù)習(xí)的平臺,針對每一課的目標(biāo)、重點,提出問題,由學(xué)生自己動手,親自尋找答案,得出結(jié)論反饋給教師。在主動探究學(xué)習(xí)的過程中,“問題”是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要載體,問題的設(shè)置可以靈活多樣,與生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如:緒論課時,請同學(xué)們討論信號處理在實際生活中的應(yīng)用;后續(xù)增加“幽默講卷積”、“怎樣理解傅里葉變換”、“信號頻譜的概念與意義”、“頻譜分析中窗函數(shù)的使用”等專題討論。教與學(xué)的整個環(huán)節(jié)都強調(diào)利用資源而不僅僅依賴書本,指導(dǎo)學(xué)生利用計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體、專業(yè)內(nèi)容網(wǎng)站、信息檢索、電子圖書館、遠程學(xué)習(xí)與網(wǎng)上課堂等建立新的溝通機制。課程的授課形式是教師課堂上講授,但教師會提供十分豐富的課程資料,教師會出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)討論平臺和其他媒體上;同時,也鼓勵學(xué)生們課后通過討論模塊互相交流,展現(xiàn)自己。
2.2 加強學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)
學(xué)生的思想不是一個需要填充的容器,而是需要點燃的木頭,只有通過老師和學(xué)生的積極交流,而不是簡單地授課填充學(xué)生的腦袋,才能點燃他們的創(chuàng)造力、想象力和解決問題的能力。傳統(tǒng)的課程教學(xué)教師與學(xué)生的交流僅僅局限于課堂上,課后答疑以及作業(yè),考試環(huán)節(jié)的反饋,數(shù)字化資源與課堂教學(xué)的結(jié)合的新模式下,通過教師的“導(dǎo)學(xué)”作用,倡導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下的自主探究性學(xué)習(xí),由按部就班的線性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向非線性學(xué)習(xí)。利用數(shù)字化資源,教師、學(xué)生之間開展協(xié)商討論、合作學(xué)習(xí),并通過對資源的收集利用、探究知識、發(fā)現(xiàn)知識、創(chuàng)造知識、以及展示知識的方式進行學(xué)習(xí)[5]。
課程實驗是學(xué)生們動手能力,綜合能力培養(yǎng)的平臺。以往的實驗中,由于采用Matlab軟件仿真方式,學(xué)生往往滿足于編寫和理解程序,而不是將精力放在實驗結(jié)果的分析和理解上;在較短的上機實驗時間內(nèi),學(xué)生僅能完成指定算法的驗證,無法根據(jù)自己對概念的理解,通過嘗試改變算法的實現(xiàn)方式,加深對概念本身的理解等問題。因此,本文研制了基于Matlab的《數(shù)字信號處理》實驗教學(xué)系統(tǒng)(圖1),旨在充分利用Matlab軟件在可視化編程和數(shù)值計算方面的優(yōu)勢,詳細生動地揭示數(shù)字信號處理理論的物理實際意義,豐富教師的教學(xué)手段,提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。該系統(tǒng)既可以在理論教學(xué)課堂上演示課程中比較重要的概念,同時也可以安裝在實驗室的計算機上,同學(xué)們動手操作,觀看演示結(jié)果,增加對實驗的感性認識,然后再做編程調(diào)試,提高同學(xué)們的興趣。
通過對數(shù)字化教學(xué)資源的真正利用,徹底擺脫死記硬背,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)現(xiàn)的興趣,進而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。在這個過程中,以學(xué)習(xí)小組,實驗團隊的形式,通過小組成員間的交流討論,增強學(xué)生的團隊合作精神和創(chuàng)新意識[6]。
2.3 建立新的評價模式
目前,課程采用的考核方式是傳統(tǒng)的平時成績占10%,實驗成績占20%,期末卷面成績占70%的形式。平時成績主要由上課考勤和平時作業(yè)組成,而考勤“代答”和作業(yè)抄襲現(xiàn)象遲遲無法完全杜絕,這就降低了平時成績的公正性和真實性。筆試中,由于課程涉及到的數(shù)學(xué)計算相對復(fù)雜,很多學(xué)生死記硬背數(shù)學(xué)公式,無法真正考察學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握理解程度。所以,此次教學(xué)改革對課程考試方式作了改變,具體做法為:①評價過程分散至學(xué)習(xí)過程,并且脫離形式化。學(xué)生將在條件許可的情況下,嘗試自己的新想法。嘗試不同學(xué)習(xí)小組的成員,作業(yè)互評機制,使學(xué)生為自己的學(xué)習(xí)承擔(dān)更多的責(zé)任。希望學(xué)生們積極參與到全面數(shù)字化資源中來,而并不只是依照傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法參與到這門課的學(xué)習(xí)中來。廣泛使用課堂作答、小論文等考核方式,將學(xué)生在平日中提交的小論文、課堂討論及作業(yè)得分計入總分的分值適當(dāng)提高,在一定程度上保證成績的真實性、公正性,以此來充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情[7]。②筆試以開卷考試為主,題目設(shè)計應(yīng)靈活,出題原則遵循減少死題目,增加活操作;減少死記憶,增加活分析、活應(yīng)用,促進學(xué)生的應(yīng)試技巧由死記硬背轉(zhuǎn)向融會貫通。課程將十分強調(diào)學(xué)習(xí)小組以及利用社會媒體,建立個人學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)小組。課程任務(wù)包括:學(xué)生建立自己的電子學(xué)習(xí)檔案,里面有文本,聲音,視頻,鏈接等等,根據(jù)自己的選擇創(chuàng)立。這個電子文檔將儲存與本課程相關(guān)的資料,也能通過一定的數(shù)字方式呈現(xiàn)出來。教師授課過程中,學(xué)生會根據(jù)課程主題完成電子學(xué)習(xí)檔案的建立,并有計劃地將數(shù)字化應(yīng)用到自己的檔案當(dāng)中,這些都會在學(xué)生的評分中體現(xiàn)出來。
3 結(jié)束語
本文討論了數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下,“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變,為探究性學(xué)習(xí)搭建了一種交互的學(xué)習(xí)情境。改變了以往單純課堂教學(xué)方式,滿足了學(xué)生主動探究的需要,從而促進學(xué)生產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)行為和建構(gòu)性的學(xué)習(xí)過程。通過建立數(shù)字化學(xué)習(xí)的溝通機制,滿足多元化的學(xué)習(xí)需要。通過資源整合,問題驅(qū)動,學(xué)法指導(dǎo),分組競爭形成新的教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情就,提高教學(xué)效果。
數(shù)字化學(xué)習(xí)的興起和發(fā)展將促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。教育信息化、全民化的進程從一校、到全國再到全球;教育也從單一模式、單一地域向多模式、全球化發(fā)展。在全面數(shù)字化資源環(huán)境下,學(xué)生使用數(shù)字終端,在教師的組織、幫助和指導(dǎo)下進行自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí),讓學(xué)生擁有學(xué)習(xí)方法的選擇權(quán)。數(shù)字化學(xué)習(xí)不能取代課堂的教育,但作為一種強大的輔助工具必將深深影響課堂教學(xué)的模式。
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電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得從事電子工程方向的人員要掌握更多、更新的專業(yè)知識。為了適應(yīng)這種變化,高校如何在有限的總課時內(nèi)將最核心、最有用的知識傳授給學(xué)生,單純靠增加新的專業(yè)課程是不能夠解決問題的。因此,本文依據(jù)海口經(jīng)濟學(xué)院電子信息工程專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀,構(gòu)建相應(yīng)課程群體系,并進行實踐探討。
1 課程群的專業(yè)內(nèi)涵
課程群是指內(nèi)容聯(lián)系緊密、內(nèi)在邏輯性強、屬于同一培養(yǎng)范疇的一類課程,課程群作為一種新的教學(xué)管理體系,打破了課程內(nèi)容的歸屬性,弱化課程的獨立性,強化課程之間的親和性,使它們在一個更高的層面上連貫起來[1]。
2 電子信息工程專業(yè)課程群建設(shè)目標(biāo)
從企業(yè)崗位需求的角度,結(jié)合民辦本科院校以培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為主的指導(dǎo)思想,研究??诮?jīng)濟學(xué)院電子信息工程專業(yè)的課程群建設(shè),提出相應(yīng)具體的改革措施。
課程群建設(shè)依據(jù)以下幾點原則:
1) 明確課程群建設(shè)目標(biāo),合理進行課程內(nèi)容的實施與分配,注重實踐技能的培養(yǎng),強化內(nèi)容的融合、關(guān)聯(lián)和交叉;
2)加強實踐類課程群的建設(shè),注重培養(yǎng)學(xué)生實踐技能和綜合素質(zhì);
3)從企業(yè)需求的人才和專業(yè)發(fā)展出發(fā),設(shè)計更符合社會需要的課程群。
3 我校電子信息專業(yè)課程群建設(shè)
3.1 理論課程群的改革
通過將課程群里的課程內(nèi)容進行分解和融合,在整體上進行優(yōu)化,實現(xiàn)對教學(xué)資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。因此學(xué)生培養(yǎng)計劃、教學(xué)大綱應(yīng)根據(jù)調(diào)整后的要求進行重新編寫。
3.1.1 電子技術(shù)類課程群
電子技術(shù)類課程群的知識結(jié)構(gòu)是以電路分析為基礎(chǔ),要求學(xué)生掌握常用的電路元件,熟悉常見的電路模型,能夠熟練應(yīng)用電路分析的基本方法分析基本電路。對基本、實用的模擬電路與數(shù)字電路進行分析和設(shè)計,使學(xué)生掌握電子電路的基本工作原理和分析與設(shè)計方法 [2] 。我校把《電路分析》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字邏輯電路》三門課程合并成一門《電路與電子技術(shù)》,分成2個學(xué)期教授,在數(shù)字電子技術(shù)課程中引入 EDA 的內(nèi)容,將EDA和 數(shù)字電路有機地結(jié)合起來。課程中各門課程中的內(nèi)容進行融合,精簡課時。比如不再講授一階電路的沖擊響應(yīng)、拉普拉斯變換,加強講解一階電路時域和頻域特性,以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性。模擬部分不再講授數(shù)字部分 “門電路”和“A/D、D/A 變換”等內(nèi)容。
3.1.2 信號處理類課程群
信號處理類課程群中的各門課程在教學(xué)安排上時間前后連接,在內(nèi)容方面相承前啟后,逐步深入?!缎盘柵c系統(tǒng)》是信號處理、分析的基礎(chǔ),是《數(shù)字信號處理》重要的先導(dǎo)課程,內(nèi)容包括連續(xù)時間信號和離散時間信號,以及線性時不變系統(tǒng)的基本理論和分析方法;《數(shù)字信號處理》 則是在《信號與系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)DFT(離散傅里葉變換)、FFT (快速傅里葉變換)、FIR和 IIR(數(shù)字濾波器)設(shè)計等數(shù)字信號處理的方法,是《DSP 原理與應(yīng)用》的先修課程[3]?!禗SP 原理與應(yīng)用》可以編程實現(xiàn)《數(shù)字信號處理》的基本理論,主要涉及 DSP的軟硬件設(shè)計、應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法。
例如在《信號與系統(tǒng)》課程中包含離散時間信號的時域分析和變換,那么在數(shù)字信號處理課程中就可以適當(dāng)刪減。如果在《信號與系統(tǒng)》課程中講過了Z變換,那么在《數(shù)字信號處理》中可以簡單復(fù)習(xí),而加強濾波器設(shè)計內(nèi)容的講解,同時在《數(shù)字信號處理》課程中對信號處理基本理論也是簡單回顧,不再花課時講解。重點介紹在實際應(yīng)用中的使用,減少復(fù)雜公式的推導(dǎo),以理解概念、定性分析為主,突出MATLAB軟件仿真和DSP硬件的實現(xiàn)。
3.2 課程群實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革
實驗教學(xué)內(nèi)容需要與理論教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合,更需要盡可能地鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的思維和能力。因此,在開設(shè)基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上,增加綜合設(shè)計環(huán)節(jié),對學(xué)生開放實驗室,激發(fā)學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)。在課程群課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上,構(gòu)建層次實踐教學(xué)新體系。
3.3 課程資源的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)
“網(wǎng)絡(luò)化時代的到來必然會引起教學(xué)的變革,變革的趨勢是學(xué)生自主學(xué)習(xí)將加強,學(xué)生對教師的依賴將降低” [4]。因此,課程群建設(shè)要為學(xué)生留有自主的學(xué)習(xí)空間,進行教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。每類課程群所涉及的課程教學(xué)大綱、進度表、教案、課件、授課錄像等教學(xué)資源逐步實現(xiàn)上網(wǎng)。部分課程已經(jīng)建立網(wǎng)上試題庫、試卷庫,進行教考分離,建立網(wǎng)絡(luò)交互型高校電子信息類虛擬實驗平臺,教師與學(xué)生能夠在網(wǎng)上互動答疑。課程群建設(shè)最大限度地實現(xiàn)了教學(xué)資源的共享化。
3.4 課程群的教學(xué)團隊建設(shè)
課程群教師隊伍由“課程負責(zé)人 + 骨干教師 + 任課教師”組成,在課程群背景下,應(yīng)以科學(xué)發(fā)展觀作為教學(xué)指導(dǎo)來建立教學(xué)團隊與教學(xué)骨干,我們的教學(xué)團隊是以雙師型為主的“工程型”教學(xué)團隊,多人有企業(yè)工作的經(jīng)歷。通過教學(xué)骨干培養(yǎng)對教學(xué)資源進行高效開發(fā),并對教學(xué)內(nèi)容及方法進行改革,以此促進教學(xué)團隊間的教學(xué)研討及經(jīng)驗交流。
注重以老帶新,采用多種多樣的師資培養(yǎng)模式,形成老、中、青相結(jié)合的教學(xué)科研隊伍,比如選派青年教師到企業(yè)掛職鍛煉,學(xué)習(xí)新知識、掌握新技術(shù),掛職結(jié)束后進行嚴格的答辯。教學(xué)骨干每年都有機會到國內(nèi)外做訪問學(xué)者和到重點院校進修。組織專業(yè)教師參加學(xué)術(shù)會議、專業(yè)技能培訓(xùn)等活動,以提高科研與學(xué)術(shù)水平。鼓勵教師參加國家、省、市級科研項目的申報,以科研促進教師教學(xué)水平的提高。
以教師在科學(xué)研究方面的相關(guān)科研成果作為確立教學(xué)團隊中教學(xué)骨干的激勵機制,有??诮?jīng)濟學(xué)院科研資助與教學(xué)科研獎勵辦法,比如針對省級期刊、核心期刊、檢索期刊的論文有不同程度的資金獎勵。并進行科研工作量按學(xué)時計量的方式對教師進行獎勵和督促。
關(guān)鍵詞:4G通信;關(guān)鍵技術(shù);智能天線;特點
1 4G通信的簡述
1.1 4G通信的定義
4G是第四代通訊技術(shù)的簡稱,G是generation(一代)的簡稱。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載,比目前的撥號上網(wǎng)快2000倍,上傳的速度也能達到20Mbps,并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。而在用戶最為關(guān)注的價格方面,4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價格方面不相上下,而且計費方式更加靈活機動,用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。
1.2 4G通信的特點
(1)傳輸速率更快。4G系統(tǒng)的目標(biāo)速率對于大范圍高速移動用戶(250km/11)數(shù)據(jù)速率為2Mbi“s,對于中速移動用戶(60 knl,}1)數(shù)據(jù)速率為20Mbi魄,對于低速移動用戶(室內(nèi)或步行者)數(shù)據(jù)速率為100Mbi洮;
(2)信道帶寬更寬。研究未來4G信道的帶寬將達到100MHz或更高,而3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬在5~20MHz之間;
(3)系統(tǒng)容量更大。將采用新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如空分多址技術(shù)等)來極大地提高系統(tǒng)的容量,以滿足未來大信息量的需求;
(4)智能性更高。4G系統(tǒng)的智能性更高,它將能自適應(yīng)地進行資源分配,處理變化的業(yè)務(wù)流和適應(yīng)不同的信道環(huán)境,使得系統(tǒng)兼容性更高,4G網(wǎng)絡(luò)中的智能處理器將能夠處理節(jié)點故障或基站超載,4G通信終端設(shè)備的設(shè)計和操作也將智能化;
(5)實現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信。4G系統(tǒng)能提供包括語音、數(shù)據(jù)、影像等無線多媒體通信服務(wù),大量信息透過寬頻信道傳輸,讓用戶可以在任何時間、任何地點接入到系統(tǒng)中;
(6)業(yè)務(wù)的多樣性。在未來的全球通信中,人們所需的是多媒體通信,因此個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各行業(yè)將會結(jié)合成一個整體,提供給用戶更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用。
2 4G移動通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 OFDM
OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù),實際上OFDM是MCM Mullti-CarrierModulation,多載波調(diào)制的一種,OFDM技術(shù)有很多優(yōu)點:可以消除或減小信號波形間的干擾,對多徑衰落和多普勒頻移不敏感,提高了頻譜利用率;適合高速數(shù)據(jù)傳輸;抗衰落能力強;抗碼間干擾(ISl)能力強。
2.2 智能天線(SA)與多人多出天線(MIMO)技術(shù)
智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能,被認為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù),智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾,增強特殊范圍內(nèi)想要的信號,這種技術(shù)既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量,其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機來實現(xiàn)射頻信號的接收和發(fā)射,同時通過基帶數(shù)字信號處理器,對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并,實現(xiàn)上行波束賦形,目前智能天線的工作方式主要有兩種:全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。
2.3 編碼調(diào)制技術(shù)
LTE上行調(diào)制方式主要采用位移BPSK(π/2-shift BPSK),QPSK和16QAM,下行主要采用QPSK,16QAM和64QAM,上行采用位移BPSK技術(shù)可以進一步降低DFT-S-OFDM的峰均比,此外,可以通過頻域濾波、選擇性映射(SLM)、部分傳輸序列(PTS)等技術(shù)進一步降低系統(tǒng)峰均比,在信道編碼方面,LTE采用Turbo碼,Turbo碼采用了一種并行級聯(lián)的結(jié)構(gòu),將卷積碼和隨機交織器巧妙地結(jié)合在一起,實現(xiàn)了隨機編碼的思想,譯碼采用軟輸入軟輸出(SISO)迭帶譯碼算法,每個分量譯碼器都有三種不同類型的軟輸人:信息比特、校驗信息、先驗信息,各分量譯碼器之間插入交織器,構(gòu)成迭代譯碼結(jié)構(gòu),使得譯碼器的輸出比特逼近最大似然。
2.4 軟件無線電技術(shù)
軟件無線電就是采用數(shù)字信號處理技術(shù),在可編程控制的通用硬件平臺上,利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能:包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等,即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成,軟件無線電的核心技術(shù)是用寬頻帶的無線接收機來代替原來的窄帶接收機,將寬帶模數(shù)變換器(A,D)及數(shù)模變換器(D,A)盡可能地靠近射頻天線,建立一個具有“A/D―DSP_D,A”模型的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺,從而使無線電的各種功能模塊盡可能多的采用可編程軟件來實現(xiàn),以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)??傊?,軟件無線電是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)、以數(shù)字信號處理為核心、以微電子技術(shù)為支持的基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片,以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu),在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)中,軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁,它不僅能降低開發(fā)風(fēng)險,還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品,此外,它還減少了硅芯片的使用量,從而降低了運算器件的價格,其開放的結(jié)構(gòu)也會允許多方運營的介入。
3 結(jié)論
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代通信時代已經(jīng)步入4G時代,而且我國也已經(jīng)頒發(fā)了4G牌照,因此,必須重視4G通信的中的關(guān)鍵技術(shù),使其能夠更好地為人民服務(wù)。
[參考文獻]
關(guān)鍵詞:DSP;電機控制;應(yīng)用
中圖分類號:B819 文獻標(biāo)識碼: A
摘要:論文結(jié)合自己實際工作,通過對DSP的電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程、類型,以及常見問題進行了深入探討,以期為從事電動機控制系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用的工程師、高校相關(guān)專業(yè)的師生提供參考和借鑒。
一、DSP的電機控制系統(tǒng)概述
DSP是一種專用的綜合性的微處理器,能夠告訴輸入和輸出數(shù)據(jù),其是專門處理以運算為主的信號處理應(yīng)用系統(tǒng)。90年代DSP揭開了計算機、消費類、通信、軍事、汽車等電子市場的新紀(jì)元,在這些技術(shù)高速發(fā)展的同時,又反過來促進了數(shù)字信號處理器技術(shù)的發(fā)展。
常見的數(shù)字式閉環(huán)電機飼服控制系統(tǒng)原理較為簡單,該系統(tǒng)一般由電機、DSP、驅(qū)動放大電路、光盤編碼器等組成。當(dāng)DSP接受主機發(fā)出的參考輸入時(轉(zhuǎn)動角速度及方向),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PWM輸出,經(jīng)過驅(qū)動放大送給電機,進而產(chǎn)生輸出。再通過編碼器來檢測電機的轉(zhuǎn)動方向和角度,反饋回DSP系統(tǒng),形成閉環(huán)控制,進而達到有效地控制運動精度。
二、電機DSP控制系統(tǒng)有如下優(yōu)越性:
1、DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)或者是改進的哈佛結(jié)構(gòu),使數(shù)據(jù)和程序相互獨立的總線結(jié)構(gòu)提高了計算能力。因此可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制規(guī)律,如智能控制、優(yōu)化控制等,將現(xiàn)代算法和控制理論的應(yīng)用得以體現(xiàn)。
2、簡化了電機控制器的硬件設(shè)計難度,降低了整體的重量,縮小了體積,降低了能耗。
3、DSP芯片內(nèi)部設(shè)計,在一定程度上為元器件的可靠性和穩(wěn)定性提供了保證,從而會使整個系統(tǒng)的可靠性得到提高。
4、通過DSP控制系統(tǒng),使得軟件的靈活性和硬件的統(tǒng)一性得到了有機的結(jié)合,DSP電機控制電路可以統(tǒng)一,如DSP控制三相逆變器驅(qū)動相應(yīng)的感應(yīng)電機、無刷直流電機、永磁同步電機或用改進后的逆變器驅(qū)動直流電機等,它們的硬件電路的結(jié)構(gòu)大致相同,我們只需要針對不同的電機,編寫和設(shè)計出不同的控制規(guī)律即可,進而使得系統(tǒng)的靈活性大大提高。
三、 電機DSP控制中存在的問題
目前,電機控制系統(tǒng)根據(jù)控制電路元器件構(gòu)成分為模擬電路、模擬數(shù)字混合電路以及全數(shù)字電路。以數(shù)字控制為主導(dǎo)的電機控制系統(tǒng)成為電機控制系統(tǒng)發(fā)展的主流,基于DSP的電機控制系統(tǒng)存在的問題可以歸納如下:
電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是不可忽視的問題。在實際工作中,電動機主要是負責(zé)拖動負載實現(xiàn)位置伺候、調(diào)節(jié)速度、控制轉(zhuǎn)矩或力。系統(tǒng)工作時,通過控制機械運動,通過傳感器,獲得位置誤差信號。因此,如何檢測電機轉(zhuǎn)子位置、電壓和電流信號,進而觀測電機內(nèi)部的磁場變化成為問題的關(guān)鍵。根據(jù)電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大小可以有效實現(xiàn)電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制。
四、基于DSP的電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究
4.1 基于DSP的電機控制系統(tǒng)串行通信設(shè)計
在電機控制系統(tǒng)中。通過上位機客戶端設(shè)置電機的運行參數(shù),并且被控電機將各種運行狀態(tài)信息實時地傳給遠程控制端客戶。采用串行通信設(shè)計的電機控制系統(tǒng)連線少,成本低,簡單可靠,得到廣泛應(yīng)用。韓芝俠等分析數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407A DSP串行外設(shè)接口SPI和串行通信接口SCI模塊。他們通過SCI串行通訊接口連接DSP控制器與PC機,控制人員使用數(shù)碼顯示驅(qū)動電路確定電機的轉(zhuǎn)速、溫度等信息,利用SPI同步串行口來實現(xiàn)了DSP與設(shè)備的通信。該電機控制系統(tǒng),系統(tǒng)軟件及通訊協(xié)議設(shè)計通過初始化設(shè)置所需操作參數(shù),設(shè)置發(fā)送和接收波特率及中斷方式等。
4.2 基于DSP的多電機控制系統(tǒng)
在生產(chǎn)和制造過程中經(jīng)常會遇到多電機控制問題,采用“一對一”方式的DSP控制器、逆變器和電機的方式增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性,降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。賀洪江等針對這一問題,提出一種基于DSP的多電機控制系統(tǒng)的設(shè)計,通過SVPWM 方法實現(xiàn)對2臺電機的變頻調(diào)速控制,使用1片DSP芯片實現(xiàn)了對2臺異步電機的控制,并給出了系統(tǒng)主要硬件電路和軟件的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)以DSP芯片為核心,通過外部電路協(xié)調(diào)控制2臺電機。電壓、電流及電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)DSP通過調(diào)速控制算法轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘枺瑐魉椭聊孀兤骺刂齐姍C轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)了對兩臺電機的啟動/停止、轉(zhuǎn)向和調(diào)速等控制,也能實現(xiàn)過流保護、過壓保護、欠壓保護等功能。此外,該設(shè)計方案的控制系統(tǒng)降低了硬件成本,顯著提高了系統(tǒng)的可靠性,具有良好的使用價值與應(yīng)用前景。
4.3 基于DSP的平面電機控制系統(tǒng)設(shè)計
平面電機由一個齒狀結(jié)構(gòu)的定子和一個帶位置傳感器的動子組成,具有結(jié)構(gòu)簡單、速度高、穩(wěn)定性強、控制精度高等特點,還有偏航控制、自動校正、誤差補償、停滯檢測等獨特功能。李曉飛等設(shè)計了基于DSP的平面電機控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)由平面電機、控制器模塊、位置反饋模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊以及人機交互界面組成,采用高集成度的運動卡實現(xiàn)平面電機三自由度同步控制,完成采集電流信號、AD校正參考電壓、位置信號、輸出PMW信號、數(shù)字濾波、位置伺候控制等。該系統(tǒng)的控制軟件由DSP實現(xiàn),具備遠點歸位、主軸控制、狀態(tài)管理、狀態(tài)采集等功能。平面電機易以Y軸點對點方式運動進行精度測試,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,達到系統(tǒng)各項指標(biāo)。該設(shè)計系統(tǒng)采用一塊DSP芯片實現(xiàn)了平面電機的二維控制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、電路簡單、開發(fā)成本低。
4.4 基于DSP的直流無刷電機控制系統(tǒng)
直流無刷電機兼具直流電機和交流電機的優(yōu)勢,調(diào)速性能好、結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、運行效率高等。王延奇等對基于DSP的直流無刷電機控制系統(tǒng)做了深入研究。他們根據(jù)自整定模糊-PID控制器,建立了基于自整定模糊-PID控制器的直流無刷電機的控制系統(tǒng)仿真模型,并對該系統(tǒng)的起動、運行、突減負載、突加負載等過程做了仿真研究。該系統(tǒng)硬件部分包含DSP接口電路、三相逆變電路、功率驅(qū)動電路、邏輯控制電路及保護電路等主要設(shè)計。該系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)、快速,具有理想的反電動勢波曲線。
結(jié)語:隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,微機和數(shù)字控制處理芯片的運算能力以及可靠性大幅度提高,控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展為以單片機為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)。數(shù)字信號處理器(DSP)芯片的交流電機控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,存儲數(shù)據(jù)量大,實時處理能力強。該系統(tǒng)可以是吸納高性能復(fù)雜算法,將系統(tǒng)控制、故障監(jiān)視、人機交互界面以及診斷和保護等功能集為一體。本文首先介紹了電機控制系統(tǒng),指出其優(yōu)越性及不足;然后歸納總結(jié)了電機DSP控制系統(tǒng)中的問題,希望可以對業(yè)界人士有所幫助。
參考文獻:
隨著信息技術(shù)在經(jīng)濟社會各領(lǐng)域的應(yīng)用,信息技術(shù)對生產(chǎn)力和人類文明發(fā)展的巨大作用越來越明顯。信息與通信技術(shù)專業(yè)是培養(yǎng)信息類人才的主要專業(yè)之一,是一門學(xué)科前沿性強、理論與應(yīng)用結(jié)合緊密、學(xué)科交叉性特點突出的學(xué)科。在缺乏政策、資金和地域優(yōu)勢,教學(xué)手段和實驗設(shè)備相對落后、師資力量相對薄弱的情況下,構(gòu)建面向區(qū)域經(jīng)濟、行業(yè)經(jīng)濟的創(chuàng)新型、應(yīng)用型、工程型人才培養(yǎng)體系是地方高校信息與通信類專業(yè)建設(shè)的重要目標(biāo);建立“素質(zhì)、知識、能力”有機結(jié)合的實踐教學(xué)體系是該專業(yè)學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的根本途徑,具體措施如下:
一、加強學(xué)科實驗課教學(xué)
學(xué)科實驗課教學(xué)既是對理論教學(xué)的驗證、補充,又是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、增強動手能力和創(chuàng)新能力的重要措施。目前,各高校實驗教學(xué)大都使用現(xiàn)成的綜合實驗臺或?qū)嶒炏涞仍O(shè)備,雖然提高了實驗效率,但是學(xué)生卻失去了動手參與的機會。實踐教學(xué)要求在實驗課中要努力變驗證性實驗為綜合性和創(chuàng)新設(shè)計性實驗。如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機原理與接口技術(shù)、數(shù)字信號處理通信原理、數(shù)字圖像處理、數(shù)字語音處理、移動通信、光纖通信、交換技術(shù)、信息論與編碼、計算機通信與網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)課程的實驗不能單純地開展驗證性實驗項目,綜合創(chuàng)新性實驗項目也要占有一定的比例;而電子線路cad(一體化課程)、數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計、電信儀器儀表(一體化課程)、單片機原理與應(yīng)用(一體化課程)、sopc技術(shù)及應(yīng)用、c++編程、java語言程序設(shè)計、matlab通信系統(tǒng)仿真(一體化課程)、dsp技術(shù)及應(yīng)用、dsp高級語言開發(fā)等課程要求設(shè)計性、開發(fā)性實驗或編程題目達到80%以上;并且每門課程的實驗都要求學(xué)生要完成實驗報告,實驗成績按一定比例計入學(xué)科總成績。
二、實施學(xué)科綜合課程設(shè)計
課程設(shè)計是學(xué)習(xí)某一專業(yè)學(xué)科過程中,對課程的基本分析、計算和設(shè)計方法的過程。實施學(xué)科綜合課程設(shè)計就是面對當(dāng)前通信系統(tǒng)的復(fù)雜性、硬軟件結(jié)合的緊密性以及必修課與選修課的相關(guān)性,對學(xué)科課程進行分類組合和構(gòu)建課程群的課程設(shè)計過程。
1.電子技術(shù)綜合課程設(shè)計
電子技術(shù)基礎(chǔ)課程是信息與通信技術(shù)類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。通過模擬、數(shù)字、數(shù)模混合電路的綜合設(shè)計,通過使用電路開發(fā)板、計算機設(shè)計和本文由收集整理實際制作相結(jié)合的手段,可以使學(xué)生進一步掌握電子線路設(shè)計的基本理論和方法。
2.單片機課程的綜合設(shè)計
單片機課程設(shè)計過程是和其他學(xué)科緊密結(jié)合,不斷實踐、創(chuàng)新的過程。在完成電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)模電、通信線路、單片機等課程后,學(xué)生已具備了較多的通信電子方面的知識。在此基礎(chǔ)上,讓學(xué)生完成一個與單片機應(yīng)用相關(guān)的項目,設(shè)計出一個實際產(chǎn)品,可培養(yǎng)學(xué)生的電子信息系統(tǒng)觀和工程意識,提高學(xué)生的專業(yè)實踐能力,使課程設(shè)計更接近實際產(chǎn)品設(shè)計。
3.信息處理類課程的綜合設(shè)計
信號處理課程是重要的專業(yè)課程,包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理、數(shù)字圖像處理、語音信號處理等。但是,由于本課程概念比較抽象,許多理論是基于煩瑣的數(shù)學(xué)理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)而產(chǎn)生的,學(xué)生學(xué)起來比較枯燥吃力,也與實際聯(lián)系不夠,教學(xué)效果不夠理想??紤]到實際硬件制作的難度和成本,根據(jù)學(xué)校學(xué)生的實際情況,在課程設(shè)計和教學(xué)中,我們主要采用matlab/simulink軟件,按照仿真的方法進行課程設(shè)計。這種課程的教學(xué)重點并不在于提高學(xué)生的軟件編程能力,而主要是讓學(xué)生掌握信號處理課程的基本概念、方法、技能及應(yīng)用。
4.應(yīng)用軟件編程課程的綜合設(shè)計
信息與通信專業(yè)軟件類課程包括基礎(chǔ)層次的“c語言程序設(shè)計”和高層次的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(c++版)”“java語言程序設(shè)計”“dsp高級語言開發(fā)”等課程。計算機語言系列的課程實踐性非常強,為此在綜合設(shè)計中我們重點突出實用性。我們指導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的一門或幾門計算機語言對一些小型項目進行模擬編程開發(fā),目的在于訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)編程知識獨立完成項目設(shè)計開發(fā)的能力,加深對軟件系統(tǒng)的理解,提高其編程水平。實際教學(xué)中主要指導(dǎo)學(xué)生進行通信網(wǎng)絡(luò)編程、網(wǎng)站的開發(fā)設(shè)計、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)小游戲和dsp課程設(shè)計等。
三、強化校內(nèi)外實踐實習(xí)
強化學(xué)生校內(nèi)外的實踐實習(xí),就必須建立健全校內(nèi)外實踐實習(xí)基地,密切與企業(yè)和科研單位的合作,共同承擔(dān)應(yīng)用型和技能型人才的培養(yǎng)。校內(nèi)實踐實習(xí)主要包括金工實習(xí)(校內(nèi)金工實訓(xùn)基地)、電子工藝實習(xí)(印刷板制作、收音機組裝等)、現(xiàn)代通信網(wǎng)基礎(chǔ)實訓(xùn)(學(xué)校建立電子實訓(xùn)中心);校外實習(xí)實踐主要包括現(xiàn)代通信網(wǎng)方面的實訓(xùn)(資金不足可與外校共享現(xiàn)代通信網(wǎng)設(shè)備)。要與社會上的電子、信息、通信類的相關(guān)企業(yè)、公司密切合作,每年有計劃地組織學(xué)生到這些公司企業(yè)進行實地參觀實習(xí)、實訓(xùn)、生產(chǎn)勞動和頂崗實習(xí)等。這些實習(xí)不僅增加了學(xué)生與社會接觸的機會,擴大了學(xué)生的視野,而且有效地提高了學(xué)生的實踐能力。此外,畢業(yè)前夕也可以讓學(xué)生進行畢業(yè)實習(xí),可由學(xué)生自由選擇單位見習(xí)或?qū)W校幫學(xué)生聯(lián)系單位實習(xí)。
四、設(shè)置課外學(xué)分,開展專業(yè)能力拓展活動
1.開放實驗室
設(shè)立開放性實驗室,設(shè)立大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目,鼓勵參加電子協(xié)會組織以及電子興趣小組的活動。要對學(xué)生在開放性實驗室的實踐活動進行跟蹤記錄并納入相應(yīng)學(xué)分制考核。
學(xué)生在校期間能夠自覺地到開放實驗室進行實踐活動,并有記錄可查,經(jīng)開放實驗室指導(dǎo)老師認定,可每學(xué)期給與相應(yīng)課外學(xué)分。學(xué)生每學(xué)期到實驗室完成專業(yè)基礎(chǔ)實驗、設(shè)計性和綜合性實驗、在開放實驗室完成設(shè)計性項目開發(fā)等活動,也可以獲得相應(yīng)分值的學(xué)分。
2.開展各類競賽活動
要組建大學(xué)生創(chuàng)新中心,配備完善的實驗設(shè)備,設(shè)立多種產(chǎn)品設(shè)計和研究課題,由專業(yè)教師全天指導(dǎo),并邀請相關(guān)企業(yè)的經(jīng)驗豐富的高級工程師作為兼職輔導(dǎo)老師協(xié)同指導(dǎo)學(xué)生,學(xué)生業(yè)余時間可以隨時去學(xué)習(xí)、交流、做實驗,鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的特長、興趣和愛好進行研發(fā)。同時,每年可有計劃地組織學(xué)生參加全國、全省的大學(xué)生電子設(shè)計、制作大賽、全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯大賽、物聯(lián)網(wǎng)大賽等;也可經(jīng)常組織一些中小型的校內(nèi)競賽活動。在各類電子競賽中,積極參加并按要求完成任務(wù)者可以獲得相應(yīng)學(xué)分;在全省及全國電子設(shè)計大賽中獲得名次的,要給予物質(zhì)和精神獎勵并記錄相應(yīng)學(xué)分。
3.開展專題學(xué)術(shù)講座
學(xué)校要定期為學(xué)生開展學(xué)術(shù)講座??捎杀拘8邔W(xué)歷、高職稱的人員舉辦講座,也可以邀請外校的知名學(xué)者、教授來學(xué)校舉行專業(yè)學(xué)術(shù)講座。講座內(nèi)容涉及到電子、信息、通信、計算機等最前沿的理論與應(yīng)用技術(shù),使學(xué)生更加深入地了解信息與通信技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài)。
4.畢業(yè)綜合技能測試
在畢業(yè)前夕,要求每個學(xué)生參加畢業(yè)綜合技能測試并獲得相應(yīng)學(xué)分。內(nèi)容涉及常見電子元器件的識別與使用、儀器儀表的使用、通信電子線路設(shè)計、移動通信、程控交換、光纖通信、通信系統(tǒng)仿真、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、dsp開發(fā)設(shè)計、程序開發(fā)等,幾乎涵蓋了大學(xué)四年期間所學(xué)的所有專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課。這樣做的目的是為了在學(xué)生即將畢業(yè)走向工作崗位之際,對學(xué)生進行一次全面的專業(yè)知識與動手能力的考查,使學(xué)生更好地適應(yīng)將來的工作崗位。此外,發(fā)表學(xué)術(shù)論文、協(xié)助教師進行科研項目研究、參加暑期“三下鄉(xiāng)”社會實踐、參加各類專業(yè)資格考試的學(xué)生也應(yīng)獲得相應(yīng)的學(xué)分。
五、突出畢業(yè)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)本科生在校期間一次系統(tǒng)、全面和綜合性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。它既是對學(xué)生在校期間所學(xué)知識和技能的復(fù)習(xí)、鞏固和提高,又是將所學(xué)基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識和相關(guān)知識綜合運用并解決實際問題的一次實踐,是培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決實際問題能力的一個重要過程,對培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力具有重要意義。因此,畢業(yè)設(shè)計的選題應(yīng)盡可能結(jié)合生產(chǎn)、科研、實驗室建設(shè)、教學(xué)建設(shè)等任務(wù),要有一定的先進性和實用性,目的在于強化學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識,增強學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力。畢業(yè)設(shè)計選題應(yīng)力求有益于學(xué)生綜合運用多學(xué)科的理論知識和技能,以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、自學(xué)能力、鉆研探索能力和創(chuàng)新能力等。
畢業(yè)設(shè)計的課題類型主要有理論研究型、應(yīng)用型和工程設(shè)計型三類。理論研究型畢業(yè)設(shè)計屬于分析仿真研究范疇,其領(lǐng)域包括現(xiàn)代通信、信息技術(shù)、電子技術(shù)、電子商務(wù)等新技術(shù)所涉及的最新理論、系統(tǒng)設(shè)備部件設(shè)計方面的研究、數(shù)學(xué)模型的建立以及軟件仿真與技術(shù)分析等。應(yīng)用型課題包括軟件開發(fā)型和硬件開發(fā)型。軟件開發(fā)型畢業(yè)設(shè)計項目屬軟件技術(shù)范疇,其領(lǐng)域包括通信技術(shù)、信息技術(shù)、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)庫等所涉及的應(yīng)用軟件及系統(tǒng)軟件、協(xié)議、信令、網(wǎng)站、cai課件的開發(fā)等;硬件開發(fā)型畢業(yè)設(shè)計項目屬電路設(shè)計開發(fā)范疇,其領(lǐng)域包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、圖像等業(yè)務(wù)所涉及的信號處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)所應(yīng)用的電路部分、設(shè)備部件、控制電路和實驗板開發(fā)等。工程設(shè)計型畢業(yè)設(shè)計項目屬系統(tǒng)方案設(shè)計范疇,其領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)、語音、圖像等業(yè)務(wù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化、各種通信方式的組網(wǎng)技術(shù)、電子商務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建與組織等。
六、多渠道加強師資隊伍建設(shè)
關(guān)鍵詞:認知無線電;軟件通信體系結(jié)構(gòu);認知引擎;戰(zhàn)術(shù)電臺
中圖分類號:TN924 文獻標(biāo)志碼:A DOI:
Research of Cognitive Radio Architecture
Zhang Jian-feng
(Communication Engineering,Hangzhou Dianzi University,310018)
Abstract: This paper first expounds the basic theory and concept of Cognitive Radio(CR),reviews the development course of Cognitive Radio,introduces the status of researching for Cognitive Radio.Then concisely analyzes the application prospect for demand of battlefield communication.At last,suggests a kind of architecture of Cognitive Radio,provides it's software and hardware construction,briefly explains the function of each part.
Key words: Cognitive Radio;SCA;Cognitive Engine;Tactical Radio
0 引 言
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,軍事、民用、商業(yè)對通信要求也在不斷提高,新的通信設(shè)備和通信手段不斷出現(xiàn),而目前采用的主要還是基于授權(quán)的靜態(tài)頻帶分配的方法,這就使得常用的無線頻帶越來越擁擠,頻譜資源已經(jīng)成為一種緊缺資源。而過于擁擠的通信頻帶,帶來的就是設(shè)備通信能力的直線下降。因此,如何解決因頻帶擁擠帶來的通信能力下降的問題,已經(jīng)成為一種迫在眉睫的需求。
認知無線電技術(shù)(Cognitive Radio,CR)[1]是解決上述問題的有效方法之一,它是一種新的智能無線通信技術(shù),通過感知周圍環(huán)境的頻率、時間和空間等特征,對環(huán)境、信道條件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、用戶需求以及設(shè)備本身的內(nèi)部情況進行推理,根據(jù)推理結(jié)果實時調(diào)整傳輸參數(shù),以保證信息的可靠快速傳輸。
本文結(jié)合認知無線電的技術(shù)特點以及戰(zhàn)場通信的實際需求,給出了一種基于認知無線電技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)電臺架構(gòu),對其軟硬件組成及功能做了簡要分析。
1 認知無線電技術(shù)的概念及發(fā)展
上世紀(jì)90年代早期,J.Mitola提出了軟件無線電(Software DefinedRadios,SDR)的概念。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器,將盡可能多的無線電臺的功能用軟件定義。它的出現(xiàn)使通信終端大大減小對硬件的要求,可以使相同的終端在不同的通信系統(tǒng)中使用。在2000年的論文中,Mitola將軟件無線電的概念進一步拓展,提出了認知無線電(CR)的概念。認知無線電可以感知周圍電磁環(huán)境,并實時調(diào)整傳輸參數(shù),使通信系統(tǒng)的無線電參數(shù)不僅與規(guī)則相適應(yīng),而且能與環(huán)境相匹配,以達到無論何時何地都能達到通信系統(tǒng)的高可靠性和頻譜利用的高效性。也就是說,SDR關(guān)注的是采用軟件方式實現(xiàn)無線電系統(tǒng)信號的處理;而CR強調(diào)的是無線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化,并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù),實現(xiàn)最佳適配。從這個意義上講,CR是更高層的概念,不僅包括信號處理,還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進行推理和規(guī)劃的高層活動。所以,認知無線電是智能化的軟件無線電[2]。
此后,不同的機構(gòu)和學(xué)者從不同的角度給出了CR的定義,其中比較有代表性的包括美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)和著名學(xué)者Simon Haykin教授的定義。FCC認為:“CR是能夠基于對其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機參數(shù)的無線電”。Simon Haykin則從信號處理的角度出發(fā),認為:“CR是一個智能無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境,并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí),通過實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等),使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化,以達到以下目的:任何時間任何地點的高度可靠通信;對頻譜資源的有效利用?!?/p>
總結(jié)上述定義,CR應(yīng)該具備以下3個主要特征:
(1)感知能力
感知能力使CR能夠感知其外部頻譜環(huán)境信息,發(fā)現(xiàn)空閑的頻譜資源或干擾信號,尋找合適的信道,這是CR工作的前提。
(2)推理和學(xué)習(xí)能力
推理和學(xué)習(xí)能力使CR能夠根據(jù)感知到的外界電磁環(huán)境和自身的狀況,同時結(jié)合過往的工作數(shù)據(jù),得出當(dāng)前的最佳通信參數(shù)的能力,這是CR工作的核心。
(2)重構(gòu)能力
重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可以推理結(jié)果對設(shè)備的各種參數(shù)進行重設(shè)置的能力??梢灾貥?gòu)的參數(shù)包括:頻率、發(fā)射功率、調(diào)制和編碼方式、通信協(xié)議等。
一個常見的CR設(shè)備工作流程如圖1所示:
如圖1所示,CR設(shè)備的工作過程一般分為以下三個階段:
1)感知階段:認知設(shè)備感知外界的電磁頻譜環(huán)境;
2)決策階段:根據(jù)感知到的外界電磁環(huán)境和已有的知識經(jīng)驗,經(jīng)過詳細的運算推理過程,得出最適合當(dāng)前環(huán)境的通信參數(shù);
3)重構(gòu)階段:根據(jù)決策結(jié)果對認知設(shè)備進行參數(shù)加載或配置,完成通信過程。
感知、決策、重構(gòu)這三個階段不斷的循環(huán),構(gòu)成了CR設(shè)備工作的全過程。
認知無線電的概念提出以后,眾多國家和國際組織都對其投入了巨大的研究精力,其中以美國和歐盟的研究最具代表性。美國的研究以認知無線電為主,歐盟則從異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合入手,并正朝著認知無線網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。代表性的研究工作有:
1)2003年12月,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對《FCC規(guī)則第15章》公布了修正案,規(guī)定:“只要具備認知無線電功能,即使是其用途未獲許可的無線終端,也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶”。并且將認知無線電的使用在5G頻段合法化,同時FCC正在考慮是否在TV頻段也將認知無線電合法化。
2)美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)于2004年11月正式成立IEEE802.22工作組,這是第一個世界范圍的基于認知無線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織。
3)2005年3月,IEEE通信協(xié)會(ComSoc)和電磁兼容協(xié)會(EMC)共同成立了IEEE P1900標(biāo)準(zhǔn)工作組,該機構(gòu)致力于推進與下一代無線通信技術(shù)和高級頻譜管理技術(shù)相關(guān)的電磁兼容研究。
4)IEEE JSAC于2007年4月和2008年1月,IEEE Comm Mag于2007年5月和2008年4月,IEEE J-STPTP 于2008年2月分別出版了關(guān)于認知無線電的專輯。
5)2008年2月,歐盟啟動的FP7(歐盟第七框架計劃)又加大了對下一代無線網(wǎng)絡(luò)研究的力度,力圖在網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)上進一步向認知無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。
2 認知無線電技術(shù)的軍事意義
除了民用方面的研究,認知無線電技術(shù)還被發(fā)現(xiàn)有更多的軍事意義?,F(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下戰(zhàn)場的電磁環(huán)境日益復(fù)雜,各種電磁輻射源如雷達、通信、導(dǎo)航、指控、電子對抗設(shè)備等數(shù)量成倍增加,覆蓋的頻譜越來越寬,多種電子設(shè)備在有限的地域內(nèi)密集開設(shè),使得頻譜資源異常緊張,電磁兼容問題越來越突出。認知無線電能夠主動的感知戰(zhàn)場電磁環(huán)境,并不斷的學(xué)習(xí)歸納,動態(tài)的利用頻譜資源,對信息進行智能化的傳輸,因此認知無線電技術(shù)能大大提高戰(zhàn)場無線通信的性能和可靠性,具體體現(xiàn)在通信容量、頻譜利用率、抗干擾能力等方面;同時,由于認知無線電設(shè)備能夠主動感知戰(zhàn)場電磁環(huán)境并對接收信號進行識別,因此可以一邊進行電磁頻譜偵察,一邊快速釋放或躲避干擾,實現(xiàn)傳統(tǒng)無線通信設(shè)備所不具備的電子對抗功能[3]。
隨著認知無線電技術(shù)與戰(zhàn)場環(huán)境的結(jié)合成為未來戰(zhàn)場通信的趨勢,越來越多的國家將此作為研究的焦點,但大多處于理論探索階段,只有美國DARPA(Defense Advance Research Products Agency,國防高級計劃研究局)的XG項目研究時間最長,進展最快,最為典型。從2003年開始,XG以CR技術(shù)為核心,著眼于開發(fā)認知無線電的實際標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn),采用軟件無線電技術(shù)來實現(xiàn)最大限度的時域、頻域和空間等信息的利用,并稱其論證的頻譜效率可使目前的頻譜利用率提高10~20倍。其基本思想是:設(shè)備首先“感知”周圍無線環(huán)境并確定頻譜特征,確定基本用戶的存在性并“描述”可用機會,通過對環(huán)境的理解和主動學(xué)習(xí),遵守應(yīng)用于該頻譜的管理策略,設(shè)備確定一種最佳計劃,實時調(diào)整傳輸參數(shù)比如功率、載波調(diào)制和編碼等,節(jié)點間相互通信協(xié)調(diào)使用機會,定義與應(yīng)用干擾限定策略,然后以不與基本用戶發(fā)生沖突的方式發(fā)送信號,達到通信系統(tǒng)性能最優(yōu)化的目的。
3 基于認知無線電的電臺架構(gòu)
戰(zhàn)術(shù)電臺作為戰(zhàn)場通信的主要手段,對通信的實時性、可靠性、抗干擾能力有著更高的要求,而認知無線電的技術(shù)特點則決定了認知無線電技術(shù)必將在戰(zhàn)術(shù)電臺上得到廣泛應(yīng)用。因此,采用一種什么架構(gòu)來設(shè)計電臺,將認知無線電技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)電臺的通信功能完美結(jié)合就變得十分重要。
由認知無線電的概念可知,認知無線電是智能化的軟件無線電,具有軟件無線電的所有特征。提到軟件無線電,就不能不提到軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)[4]。SCA是實現(xiàn)軍用軟件無線電臺設(shè)計的一個有效規(guī)范和指導(dǎo),是美軍針對下一代戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)的研制而的通用規(guī)范,它對多種類型軍用無線電臺的軟硬件體系結(jié)構(gòu)進行了定義?;赟CA的戰(zhàn)術(shù)無線電臺具有通用性強、便于更新、便于維護和升級的特點,并且能夠?qū)崿F(xiàn)不同軍兵種不同系列電臺之問的互連、互通和互操作。目前,美軍已了多個版本的SCA規(guī)范(最新版本是SCA 2.2.2),研制并裝備了多種基于SCA的無線電臺。近年來,我軍一直在密切關(guān)注和跟蹤SCA的研究動向,并于2004年實施了適合我軍特點的相關(guān)國軍標(biāo),用來指導(dǎo)我軍下一代戰(zhàn)術(shù)無線電臺的研制和開發(fā)。因此,綜合考慮認知無線電和SCA的特點,同時結(jié)合戰(zhàn)術(shù)電臺的使用需求,參考SCA規(guī)范,提出一個基于認知無線電的電臺體系架構(gòu)。如圖2所示。
該體系架構(gòu)中,自底向上包括硬件平臺、BSP及設(shè)備驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式CORBA中間件、硬件抽象層(MHAL)、核心框架、基礎(chǔ)服務(wù)、無線通信波形應(yīng)用、頻譜感知波形、認知引擎等若干部分。
硬件平臺是實現(xiàn)通信功能和認知功能的基礎(chǔ),由射頻模塊、數(shù)字信號處理模塊、主控模塊等組成。
BSP、設(shè)備驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式CORBA中間件、硬件抽象層、核心框架共同構(gòu)成一個通用開放的SCA軟件平臺。
基礎(chǔ)服務(wù)軟件為用戶提供通用、組件化的共,包括故障檢測、資源監(jiān)控、信息輸入、時間服務(wù)等。
無線通信波形應(yīng)用是由一組實現(xiàn)通信功能的波形組件構(gòu)成的應(yīng)用軟件,一種無線通信波形應(yīng)用代表一種通信功能的實現(xiàn)。具備認知功能的電臺可以根據(jù)認知結(jié)果選擇最佳的波形和參數(shù)進行通信。
頻譜感知波形完成頻譜感知功能所需的信號處理工作,得到的感知結(jié)果是認知引擎工作的依據(jù)。電臺可以根據(jù)時間、空間、頻率等實際情況運行不同側(cè)重的頻譜感知波形以獲取最佳的感知結(jié)果。
認知引擎是在軟件無線電平臺上實現(xiàn)基于人工智能技術(shù)的推理與學(xué)習(xí),實現(xiàn)并驅(qū)動整個認知環(huán)路,實現(xiàn)認知功能的核心部件。通常,認知引擎由推理機、學(xué)習(xí)機、知識庫等功能模塊組成??梢哉f,認知引擎是CR的“大腦”。
由圖 2所示的電臺體系架構(gòu)可知,基于認知無線電的電臺在硬件上通常由以下模塊組成:
1)實現(xiàn)通信功能的射頻模塊;
2)實現(xiàn)頻譜感知功能的射頻模塊;
3)運行通信和頻譜感知波形的數(shù)字信號處理模塊;
4)運行認知引擎、完成對各模塊運行管理的主控模塊。
一個多通道的認知無線電臺硬件架構(gòu)如圖3所示:
根據(jù)電臺使用需求的不同,可對圖 3所示的硬件架構(gòu)進行裁減,但最少必須保留一個通信通道和一個認知通道。此時,數(shù)字信號處理模塊和主控模塊的功能也可以在一個硬件模塊上實現(xiàn)。一個典型的單通道認知無線電臺硬件架構(gòu)如圖4所示。
圖中的射頻功能模塊完成通信射頻信號的處理;頻譜感知模塊根據(jù)需求完成對相應(yīng)頻段的電磁環(huán)境探測;主控及數(shù)字信號處理模塊是電臺的核心,運行通信波形、認知引擎,同時負責(zé)電臺的控制管理。并且,按照圖 2所示的體系架構(gòu),在主控及數(shù)字信號處理模塊上還要運行嵌入式操作系統(tǒng)、核心框架、中間件、硬件抽象層等基礎(chǔ)軟件以滿足體系架構(gòu)的要求。
4 結(jié)論
本文首先介紹了認知無線電技術(shù)的基本原理及,然后結(jié)合認知無線電技術(shù)的發(fā)展闡述了其在軍事上的用途,最后參考軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)提出了一種基于認知無線電的電臺體系架構(gòu),對其軟硬件組成做了簡要分析。
認知無線電技術(shù)作為一種全新的通信技術(shù),能有效提高通信設(shè)備的通信效能及抗干擾能力;以認知無線電設(shè)備組網(wǎng),能大幅提高通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率及通信容量;結(jié)合世界軍事信息技術(shù)發(fā)展的特點,認知無線電技術(shù)的軍事用途更是不可低估。近年來,認知無線電技術(shù)已經(jīng)受到廣泛和深入的研究,在不遠的將來,必將對現(xiàn)有的通信技術(shù)造成巨大的沖擊,在通信技術(shù)發(fā)展的歷史上留下深遠的影響。
參考文獻:
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[2] 楊小牛,從軟件無線電到認知無線電,走向終極無線電[J],中國電子科學(xué)研究院學(xué)報,2007,1:4
動的交流化、功率變換器的高頻化、控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此,變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件,因提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。
變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)及電機控制理論的發(fā)展。變頻器的發(fā)展水平是由電力電子技術(shù)、電機控制方式以及自動化控制水平三個方面決定的。當(dāng)前競爭的焦點在于高壓變頻器的研究開發(fā)生產(chǎn)方面。
隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展,變頻器的性能價格比越來越高,體積越來越小,而且廠家仍在不斷地提高可靠性,為實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。辨別變頻器性能的優(yōu)劣,一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響;二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù);最后還要看本身的能量損耗(即效率)。這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例,闡述其發(fā)展趨勢:主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化;開關(guān)頻率不斷提高,開關(guān)損耗進一步降低。
在變頻器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)方面。變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器,而對中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。負載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器,而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四象限運行的轉(zhuǎn)動,為實現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量,網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器,同時出現(xiàn)了功率可雙向流動的雙PWM變頻器,對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波,減少對電網(wǎng)的公害。
脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制控制、消除指定次數(shù)諧波的PWM控制、電流跟蹤控制、電壓空間矢量控制(磁鏈跟蹤控制)。
交流電動機變頻調(diào)整控制方法的進展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量控制向高動態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。微處理器的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。運動控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng),特別是交流電動機高性能的控制需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。
近幾年來,國外各大公司紛紛推出以DSP(數(shù)字信號處理器)為基礎(chǔ)的內(nèi)核,配以電機控制所需的功能電路,集成在單一芯片內(nèi)的稱為DSP單片電機控制器,價格大大降低、體積縮小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。
在DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號處理只能依靠MPU(微處理器)來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,1982年世界上首枚DSP芯片誕生了。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作,雖功耗和尺寸稍大,但運算速度卻比MPU快了幾十倍,尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進了一大步。隨著CMOS技術(shù)的進步與發(fā)展,第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運而生,其存儲容量和運算速度成倍提高,成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。80年代后期,第三代DSP芯片問世,運算速度進一步提高,其應(yīng)用于范圍逐步擴大到通信、計算機領(lǐng)域。
90年代DSP發(fā)展最快,相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件。現(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品,它與第四代相比,系統(tǒng)集成度更高,將DSP芯核及組件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機領(lǐng)域大顯身手,而且逐漸滲透到人們?nèi)粘OM領(lǐng)域,前景十分可觀。
DSP和普通的單片機相比,處理數(shù)字運算能力增強10—15倍,可確保系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。數(shù)字控制使硬件簡化,柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性,可實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律,使現(xiàn)代控制理論在運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實,易于與上層系統(tǒng)連接進行數(shù)據(jù)傳輸,便于故障診斷、加強保護和監(jiān)視功能,使系統(tǒng)智能化。
交流同步電動機已成為交流可調(diào)轉(zhuǎn)動中的一顆新星,特別是永磁同步電動機,電機獲得無刷結(jié)構(gòu),功率因數(shù)高,效率也高,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴格與電源頻率保持同步。同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類,自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似,用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器,如采用交—直—交變壓變頻器時叫做“直流無換向器電機”或稱“無刷直流電動機”。傳統(tǒng)的自控變頻同步機調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器,現(xiàn)正開發(fā)無轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)。同步電機的他控變頻方式也可采用矢量控制,其按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制比異步電機簡單。