“通信原理”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的探索與實踐

李光球

摘 要：解決復(fù)雜工程問題的能力是通信工程專業(yè)合格畢業(yè)生必須具備的基本素質(zhì)或要求。文章以“通信原理”理論教學(xué)中A率PCM編碼知識點為例，進(jìn)行在理論課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的有益探索和實踐。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；復(fù)雜工程問題；通信原理；教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）18-0062-03

Abstract： The ability to solve complex engineering problems is a basic qualification or requirement for qualified graduates of communication engineering major. This paper takes "A rate"， "PCM"， and "coding knowledge point" in the teaching of communication principle as examples and presents useful exploration and practice of training students to solve the complex engineering problems in the teaching of theoretical courses.

Keywords： engineering education accreditation； complex engineering problems； principles of communication； teaching

引言

2016年6月2日我國成為《華盛頓協(xié)議》正式締約成員，被認(rèn)為是我國高等工程教育取得的具有里程碑意義的歷史性突破，對推動我國的工程教育專業(yè)教學(xué)改革，提高工程教育質(zhì)量具有重要意義[1-3]。為加入《華盛頓協(xié)議》，中國工程教育認(rèn)證協(xié)會于2015年公布了新版的工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)，將畢業(yè)要求由原來的10條修訂完善至12條，其中工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、溝通等8條畢業(yè)要求中涉及了復(fù)雜工程問題和解決復(fù)雜工程問題[1]，因此，擬參與工程認(rèn)證專業(yè)的學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是其合格本科畢業(yè)生必須具備的素質(zhì)和要求[2]。學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)必須通過安排一系列理論與實踐教學(xué)活動來實現(xiàn)，并具體體現(xiàn)在理論課程和實踐課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評價之中[2-4]。

培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵要素之一是如何選擇、準(zhǔn)備或設(shè)計具有復(fù)雜工程問題特征的可用于工程師培養(yǎng)的復(fù)雜工程問題[2]。上述用于工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的復(fù)雜工程問題應(yīng)該主要來源于工程實踐，其中已經(jīng)解決了的復(fù)雜工程問題應(yīng)是其選項之一[2]。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，在通信工程專業(yè)的許多理論教學(xué)環(huán)節(jié)中包含了許多已經(jīng)解決了的復(fù)雜工程問題，因此，可以對專業(yè)現(xiàn)有的理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理，選擇一些已經(jīng)解決了的復(fù)雜工程問題案例讓學(xué)生去重新解決，以此來培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，該方法的顯著優(yōu)點是不僅能夠真實地訓(xùn)練學(xué)生識別、表達(dá)、研究和分析復(fù)雜工程問題，而且有利于將學(xué)生的分析結(jié)論與實際問題結(jié)論相比較[2]。

通信原理課程是通信工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，通過梳理不難發(fā)現(xiàn)，該課程理論教學(xué)環(huán)節(jié)中包括A律13折線PCM（脈沖編碼調(diào)制）編碼器、多進(jìn)制正交幅度調(diào)制解調(diào)、正交頻分復(fù)用等若干個復(fù)雜工程問題，通過對上述復(fù)雜工程問題的重新解決，可以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜通信工程問題的能力。下面以A律13折線PCM編碼器為例來闡述在通信原理課程理論課教學(xué)活動中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的探索與實踐。

一、復(fù)雜工程問題的梳理與再探究

目前長途電話通信系統(tǒng)中廣泛使用的A律13折線PCM編碼器由國際電信聯(lián)盟（ITU）的G712標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了其應(yīng)用要求[5-7]，很顯然是一個已經(jīng)解決了的復(fù)雜工程問題。PCM主要包括抽樣、量化、編碼三個過程。通過分析可以發(fā)現(xiàn)：A律13折線PCM編碼器的抽樣、量化與編碼教學(xué)環(huán)節(jié)中包括問題分析-設(shè)計-改進(jìn)-硬件實現(xiàn)等解決復(fù)雜工程問題的教學(xué)環(huán)節(jié)。由于抽樣定理的大部分內(nèi)容在通信原理的前修課程“信號與系統(tǒng)”中已經(jīng)學(xué)習(xí)，在此不再贅述。

（一）問題分析

PCM中的量化器有均勻量化器和非均勻量化器兩種實現(xiàn)方案。在實際長途電話通信中，既要考慮不同發(fā)話人的音量不同和情緒變化因素（語音平均功率的變動范圍可達(dá)30分貝左右），又要考慮線路損耗的影響（電話機與數(shù)字電話終端機之間的最大線路衰減可達(dá)25-30分貝），電話語音信號的動態(tài)范圍可達(dá)40-50分貝。高質(zhì)量長途電話的量化信噪比至少要大于25分貝。根據(jù)均勻量化器的量化信噪比分析理論，為滿足在40-50分貝的范圍內(nèi)的量化信噪比大于25分貝的要求，必須采用12位的均勻量化器；如果采用無碼間干擾傳輸?shù)臄?shù)字基帶傳輸，根據(jù)奈奎斯特第一準(zhǔn)則，傳輸信道帶寬將不小于48kHz。在數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計中，帶寬是主要考慮的因素之一。因此，為了在保證電話語音質(zhì)量的前提下，需要盡量減低信息速率，壓縮傳輸頻帶，為此，需要考慮非均勻量化器的設(shè)計問題。

（二）非均勻量化器的設(shè)計與改進(jìn)

設(shè)計非均勻量化器，可有兩種實現(xiàn)方案：一種是輸入信號先進(jìn)行瞬時壓縮，再進(jìn)行均勻量化和編碼，最后在接收端進(jìn)行解碼和瞬時擴張；另一種是把瞬時壓縮與編碼結(jié)合起來，一次實現(xiàn)非線性編碼。

語音信號服從拉普拉斯分布，小信號的出現(xiàn)概率高，大信號的出現(xiàn)概率低。基于最小量化噪聲準(zhǔn)則，語音信號的最佳壓縮特性可以通過應(yīng)用變分法中的拉格朗日乘子法求解來得到，研究結(jié)果表明：語言信號在最佳壓縮特性下的非均勻量化信噪比大于25分貝的動態(tài)范圍還不到20分貝，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足長途電話質(zhì)量40-50分貝動態(tài)范圍的要求，因此，語音信號以量化噪聲為最小的最佳壓縮特性并不能解決長途電話的動態(tài)范圍問題。為此，需根據(jù)實際應(yīng)用要求，設(shè)計新的非均勻量化器。

為了長途電話通信質(zhì)量保持穩(wěn)定，提出了在輸入信號動態(tài)范圍內(nèi)保持量化信噪比不變的非均勻量化器設(shè)計要求，根據(jù)量化信噪比定義，通過建立數(shù)學(xué)模型和求解微分方程，可以獲得滿足量化信噪比保持不變的理論瞬時壓縮特性為對數(shù)特性。然而，對數(shù)壓縮特性因為不符合因果律，所以在物理上是不可實現(xiàn)的，需對其進(jìn)行修正。如可以引入“當(dāng)量化器輸入為0其輸出也為0”的修正條件，過原點對上述的對數(shù)壓縮特性曲線作切線，將瞬時壓縮特性曲線修正為2段曲線，小信號時為線性特性，大信號時為對數(shù)壓縮特性，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以獲得了ITU G712標(biāo)準(zhǔn)中的分為兩段曲線的A律對數(shù)壓縮特性曲線。

（三）A律對數(shù)壓縮特性的近似實現(xiàn)

A律對數(shù)壓縮特性曲線是連續(xù)曲線，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的，若用模擬電路實現(xiàn)，其精度和穩(wěn)定度都受到限制；若由數(shù)字電路來實現(xiàn)，其一致性和穩(wěn)定性都比較容易得到保證，A=87.6的A律對數(shù)壓縮特性曲線可由13折線來近似，其近似的準(zhǔn)確性通過比較A律壓縮特性的輸入值與A律13折線的精確值來獲得到。當(dāng)輸入為正弦信號時，從A律13折線近似的輸入信號幅度與量化信噪比的關(guān)系曲線可以看出，量化信噪比會出現(xiàn)6個起伏，7個峰值，不再是單調(diào)曲線，這是因為在每段折線的起始部分內(nèi)，量化間隔突然成倍增加，導(dǎo)致量化噪聲增加很快，而信號功率的增加沒有那么快。為此，基于理論與實際實現(xiàn)時的考慮，對于長途電話應(yīng)用場景，提出在語言信號在40-50分貝的動態(tài)范圍內(nèi)，量化信噪比盡可能保持平穩(wěn)的設(shè)計要求，這體現(xiàn)在ITU的G712標(biāo)準(zhǔn)中。

（四）A律13折線PCM編碼器及其電路實現(xiàn)

PCM可以選用的常用二進(jìn)制碼組有自然碼、折疊碼和格雷碼。折疊碼采用最高位表示編碼信號的極性、第二位開始至最后一位表示編碼信號的幅度，其優(yōu)點之一是雙極性電壓可以采用單極性編碼方法處理，從而使編碼電路和編碼過程大為簡化；折疊碼的另一個優(yōu)點是誤碼對小電壓的影響小，由于語音信號小電壓出現(xiàn)概率較大，因此折疊碼有利于減小語音信號的平均量化噪聲，故PCM編碼采用折疊碼。折疊碼的位數(shù)越多，量化信噪比越大，這里有通信質(zhì)量與實現(xiàn)復(fù)雜性的折衷問題。在長途電話語音通信中，通常采用非均勻量化8位的PCM編碼就能夠保證滿意的通信質(zhì)量。

PCM編碼器有多種類型，比較常用的是逐次比較型編碼器，它包括極性判決電路、整流器、保持電路、比較器、記憶電路、7/11變換電路等六個功能部件。

（五）教學(xué)方法

上述內(nèi)容的教學(xué)方式為講授、文獻(xiàn)檢索與閱讀、基于項目的研究性學(xué)習(xí)相結(jié)合，如在基于項目的研究性學(xué)習(xí)中，要求學(xué)生使用MATLAB軟件：（1）在同一幅圖中畫出A律13折線近似的壓縮特性曲線和A=87.6的A律對數(shù)壓縮特性曲線，讓學(xué)生使用現(xiàn)代工具從有別于教科書的視角，非常直觀地看到A律13折線近似的準(zhǔn)確性；（2）對正弦信號進(jìn)行PCM編譯碼并與未編碼信號進(jìn)行比較。關(guān)于電話信號的壓縮特性，ITU制定了兩種建議，即A壓縮律和μ壓縮律以及相應(yīng)的近似算法。我國采用A壓縮律，請學(xué)生查閱文獻(xiàn)，我國采用A壓縮律的技術(shù)因素和非技術(shù)因素。

二、復(fù)雜工程問題的特征分析

中國工程教育認(rèn)證協(xié)會界定的復(fù)雜工程問題必須具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）-（7）的部分或全部：（WP1）必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決；（WP2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能相互有一定的沖突；（WP3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中體現(xiàn)創(chuàng)新性；（WP4）不是僅用常用的方法就可以解決的；（WP5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中；（WP6）問題相關(guān)各方利益不完全一致；（WP7）具有較高的綜合性，包括多個相互關(guān)聯(lián)的子問題[1]。

本文闡述的A律13折線PCM編碼器就具備復(fù)雜工程問題的特征。具體分析如下：

WP1：均勻量化器、最佳非均勻量化器、A律壓縮特性的推導(dǎo)、A律13折線的近似以及A律PCM編碼器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)，是利用數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論與微分方程求解、通信原理課程中的量化信噪比分析、電子線路等理論知識，通過分析才獲得解決的。

WP2：從A律PCM編碼器的教學(xué)過程來看，涉及工程原理分析、碼型選擇、硬件實現(xiàn)、長途電話通信質(zhì)量與硬件實現(xiàn)復(fù)雜性和所需要使用的帶寬資源之間的折衷問題；ITU有A壓縮律和μ壓縮律2種建議方案，歐洲各國采用A壓縮律，美國、日本等使用μ壓縮律，我國使用A壓縮律還是μ壓縮律？我國最終選擇A壓縮律，這其中是否涉及非技術(shù)因素的考量？如當(dāng)時的國際政治環(huán)境等。

WP3：A律壓縮特性的獲得是通過求解微分方程（即通過數(shù)學(xué)建模）來獲得的，由對數(shù)壓縮特性修正為兩段曲線A律壓縮特性，這充分體現(xiàn)了其中的創(chuàng)新性。

WP4：A律PCM中非均勻量化器的常規(guī)設(shè)計考慮是使用基于最小量化噪聲準(zhǔn)則的最佳壓縮特性，但它不能解決長途電話的動態(tài)范圍問題。為此，提出了在輸入信號動態(tài)范圍內(nèi)保持量化信噪比不變的非均勻量化器設(shè)計要求，這打破了常規(guī)。

WP5：我國最終選擇了A壓縮律，考慮了當(dāng)時的國際政治環(huán)境，這顯然完全沒有包含在專業(yè)工程實踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范之中。

WP6：長途電話通信質(zhì)量與硬件實現(xiàn)復(fù)雜性以及所需要使用的帶寬資源之間涉及多個性能指標(biāo)之間的折衷問題，最終選擇非均勻量化8位的PCM編碼技術(shù)。

WP7：PCM主要包括抽樣、量化、編碼等3個相互關(guān)聯(lián)的子問題，具有較高的綜合性。

三、解決復(fù)雜工程問題能力的考核評價

學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力要求的實現(xiàn)，除了落實課程教學(xué)環(huán)節(jié)，還需要有對實施效果的考核評價[2]。通信原理課程的考核主要來自平時作業(yè)、期末試卷考核以及課程項目完成情況的考核。由于PCM主要包括抽樣、量化、編碼三個過程，因此，學(xué)生若在平時作業(yè)、期末試卷考核以及課程項目完成考核中具備上述三部分內(nèi)容的工程知識、問題分析、設(shè)計、研究/實現(xiàn)、使用現(xiàn)代工具的能力，則可認(rèn)為學(xué)生具備解決A律PCM編碼器中復(fù)雜工程問題的能力。

四、結(jié)束語

在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)2015版的課程體系中，符合專業(yè)畢業(yè)要求的工程基礎(chǔ)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程與專業(yè)類課程至少占總學(xué)分的30%，與技術(shù)有關(guān)的6條畢業(yè)要求（1-5、10）中均涉及了復(fù)雜工程問題，因此，在理論課程教學(xué)活動中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力勢在必行。通信原理課程是通信工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其中包含若干個已經(jīng)解決了的復(fù)雜工程問題，通過學(xué)生對上述復(fù)雜工程問題的重新解決，可以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜通信工程問題的能力，本文嘗試在這方面做出一些有益的探索和實踐。

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