趙翠芹+黃星壽+吳啟明

摘 要：針對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的特性，深入解析“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”知識(shí)框架，以點(diǎn)帶面尋找規(guī)律，做到觸類旁通，采用問(wèn)答式對(duì)話交流，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)課程進(jìn)行改革，提高實(shí)踐能力的探索，為培養(yǎng)出與時(shí)俱進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才而不懈努力。

關(guān)鍵詞：通信原理；物聯(lián)網(wǎng)工程；移動(dòng)通信；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP39；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)異軍突起，致使通信技術(shù)的關(guān)鍵作用愈發(fā)凸顯，“千里眼順風(fēng)耳”不再是神話傳說(shuō)。伴隨著日新月異的無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和鋪天蓋地的移動(dòng)智能終端的普及，現(xiàn)階段呈現(xiàn)出一幅百花齊放，爭(zhēng)鮮斗艷的景象。

諾基亞在2G時(shí)代是手機(jī)行業(yè)霸主，但在2012年被三星超越，2013年，微軟斥資72億美元收購(gòu)諾基亞手機(jī)業(yè)務(wù)，但在2015年，微軟宣布放棄諾基亞品牌，至2016年年底，諾基亞帶著五款概念機(jī)卷土重來(lái)[1]。在3G時(shí)代，高通公司憑借“CDMA技術(shù)”橫掃天下，所有使用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000等3G技術(shù)的公司都要向高通繳納專利費(fèi)。在這個(gè)云譎波詭的競(jìng)技場(chǎng)中，在高通和中歐間有意栽花無(wú)心插柳的對(duì)決中，高通UMB 4G標(biāo)準(zhǔn)失敗，中歐LTE成為4G的唯一標(biāo)準(zhǔn)。2016年11月，在5G短碼方案討論中，華為極化碼從美國(guó)的LDPC和法國(guó)的Turbo2.0中脫穎而出[2]，一舉拿下這來(lái)之不易的標(biāo)準(zhǔn)。2016年國(guó)內(nèi)知名公司華為、OPPO、vivo及小米進(jìn)入全球手機(jī)廠商前五，總份額為53%，蘋果iPhone位居第五，三星則已被擠出前五名。2017年1月，華為和聯(lián)通工程完成峰值速率為697 Mb/s的FDD Massive MIMO驗(yàn)證[3]，華為手機(jī)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外全面開花。通信技術(shù)早已成為企業(yè)間、國(guó)家間競(jìng)爭(zhēng)的核心實(shí)力。

1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)分為感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和綜合應(yīng)用層。感知識(shí)別層技術(shù)發(fā)展不溫不火；綜合應(yīng)用層主要體現(xiàn)出人類智慧，即大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，這些技術(shù)有阿里云、亞馬遜、Google等互聯(lián)網(wǎng)公司做支撐。物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸層的通信技術(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一。

在萬(wàn)物互聯(lián)過(guò)程中，起著溝通橋梁的“通信技術(shù)”課程是以學(xué)生熟練掌握信息論基礎(chǔ)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信源信道編解碼技術(shù)和同步等知識(shí)為目的，選用合適的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建交互式深度覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)，以支撐物聯(lián)網(wǎng)在移動(dòng)支付、智能醫(yī)療、智能家居和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用?！拔锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)”與以往的“通信原理”課程相比，在廣度和深度方面都有所延伸，除了基本的通信原理外，還增添了無(wú)線通信、近距離無(wú)線通信技術(shù)（如藍(lán)牙、ZigBee、紅外、超聲波、WiFi等技術(shù)）、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、自組織通信網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信等知識(shí)。急需對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程進(jìn)行教學(xué)改革，以提高課程教學(xué)質(zhì)量。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

綿延不斷的通信技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)出“黃四娘家花滿溪”之勢(shì)。但對(duì)于學(xué)生而言，則苦不堪言。1G的FDMA還沒(méi)學(xué)明白，2G的TDMA、GSM等技術(shù)紛紛登場(chǎng)；2G尚未學(xué)清楚，3G的CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等技術(shù)紛至沓來(lái)；尚且還處于3G的云霧籠罩之中，4G的MIMO、OFDM等技術(shù)接踵而至，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)“千朵萬(wàn)朵壓枝低”。此外，還有短距離無(wú)線通信技術(shù)，如藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等低端硬件設(shè)備的通信技術(shù)也需要掌握。通信類圖書通常專業(yè)性較強(qiáng)，任一技術(shù)寫出來(lái)就是卷帙浩繁的書籍，學(xué)生看著這些書籍不禁咋舌。翻開這些書籍，不會(huì)像小說(shuō)那般帶來(lái)山高水闊云卷云舒的愜意。相反，盡是晦澀難懂的公式、稀奇古怪的調(diào)制解調(diào)框圖和枯燥乏味的應(yīng)用層理論，這些都讓人望而卻步。想要融會(huì)貫通有一定難度，每一項(xiàng)技術(shù)對(duì)于一個(gè)地方院校的本科生而言就是一座大山，學(xué)生眼睛里充滿迷茫，時(shí)常會(huì)覺(jué)得身心疲憊，不知所往。尤其對(duì)于河池學(xué)院這樣二本院校的學(xué)生而言，學(xué)生自身素質(zhì)不高，處于“看到公式頭痛，看到英文單詞頭暈”的狀態(tài)，即便教學(xué)過(guò)程中主動(dòng)與學(xué)生進(jìn)行溝通交流，但多數(shù)學(xué)生仍處在沒(méi)有話題的世界里，參與積極性不高，因此需要提升學(xué)生的能動(dòng)作用。如何快速而有效地做到“輕舟已過(guò)萬(wàn)重山”是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。為進(jìn)一步豐富“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”的內(nèi)容和提高課程教學(xué)質(zhì)量，急需對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程進(jìn)行深入研究。

2 “物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革與思考

2.1 解析知識(shí)框架，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

盡管通信技術(shù)錯(cuò)綜復(fù)雜，概念繁多，應(yīng)用范圍寬廣，但通信技術(shù)的本質(zhì)始終如一。這一點(diǎn)從樊昌信教授的“通信原理”教材中便可略窺一二，從第一版到第七版已經(jīng)改版了7次[4]。就理論而言，依然基于香農(nóng)的信息論，各種底層的調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。就實(shí)際網(wǎng)絡(luò)而言，從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)到短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)依然遵循著“信源——交換控制中心——信宿”這樣殊途同歸的體系架構(gòu)，不同通信系統(tǒng)之間不謀而合。系統(tǒng)中所有的ASK、MPSK、MFSK、MQAM等調(diào)制技術(shù)與所有的FDAM、TDMA、FDMA、OFDM等多址技術(shù)、蜂窩技術(shù)、功率控制技術(shù)都源于頻譜有限。對(duì)于模擬通信系統(tǒng)，研究的是系統(tǒng)的信噪比和頻帶利用率，而對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，研究的則是系統(tǒng)的誤碼率和頻帶寬度。

我們沒(méi)必要去追求那些看似高大上，學(xué)起來(lái)苦澀難懂的高端技術(shù)，應(yīng)從本源出發(fā)，從簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)的架構(gòu)和信道模型開始，然后學(xué)模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，但凡讀透了“通信原理”，又何懼2G、3G、4G、藍(lán)牙等技術(shù)。

2.2 利用網(wǎng)絡(luò)資源豐富“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程內(nèi)容

隨著”互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，通信人家園、電子發(fā)燒友和EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)等網(wǎng)站提供了豐富的通信技術(shù)領(lǐng)域的新知識(shí)、新動(dòng)態(tài)。這些網(wǎng)站是通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)展示的聚集地，在數(shù)不勝數(shù)的帖子中，有通信技術(shù)科普知識(shí)，有各大公司面試經(jīng)驗(yàn)分享知識(shí)，還有各公司待遇、前景分析知識(shí)，隨貼答疑解難等。這些論壇網(wǎng)站見證了通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，見證了通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)奇斗艷，更見證了通信的商業(yè)模式的改變。在課堂中將這些網(wǎng)站引薦給學(xué)生，并對(duì)其進(jìn)行分析，講解其中的奧妙，以此來(lái)獲取教學(xué)內(nèi)容的最新知識(shí)、最新信息，充實(shí)自己的教學(xué)內(nèi)容。endprint

在通信人家園網(wǎng)站中，不乏一些學(xué)貫中西、博古通今的人士，為了幫這些讀者答疑解惑，他們最先在論壇上發(fā)帖，之后隨著帖子網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)擊量的增多，便整理成一部部深入淺出引人入勝的好書。比如《大話通信——通信基礎(chǔ)知識(shí)讀本》[5]，從通信的起源歷史到姍姍而來(lái)的3G技術(shù)，再到各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，種種復(fù)雜的概念在作者的筆下妙趣橫生，用別開生面的語(yǔ)言梳理相關(guān)知識(shí)框架的；如《大話無(wú)線通信》[6]、《大話移動(dòng)通信》[7]和《3G技術(shù)問(wèn)答》[8]以GSM、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE、LTE-Advanced和WiMAX技術(shù)為核心，采用知識(shí)問(wèn)答的方式，讓讀者知其然也知其所以然；《實(shí)戰(zhàn)無(wú)線通信應(yīng)知應(yīng)會(huì)——新手入門，老手溫故》[9]將枯燥乏味的通信術(shù)語(yǔ)和鮮活的生活案例串聯(lián)起來(lái)，并用風(fēng)趣幽默的語(yǔ)言娓娓道來(lái)，春風(fēng)化雨般讓人們理解各種術(shù)語(yǔ)；此外，還有《大話TD-SCDMA》[10]、《大話物聯(lián)網(wǎng)》[11]等，這些經(jīng)典書籍處處透出理性與思辨，啟發(fā)每位讀者，用別開生面的方式介紹了通信技術(shù)的常識(shí)，用風(fēng)趣幽默的語(yǔ)言梳理相關(guān)知識(shí)框架，讀起來(lái)津津有味，令人茅塞頓開。這些書籍完全可引薦給學(xué)生，相信能靜下心來(lái)去研讀這些書籍的學(xué)生會(huì)對(duì)通信技術(shù)有新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也豐富了學(xué)生的課外學(xué)習(xí)。

在通信人家園網(wǎng)站中，還有一位陳老師在百忙之中抽空寫了一篇“深入淺出通信原理”的帖子[12]。開貼于2010年4月，歷時(shí)6年之久，目前點(diǎn)擊率已破500萬(wàn)。陳老師透過(guò)公式看本質(zhì)，從多項(xiàng)式相乘開始引入卷積，接著揭開傅里葉級(jí)數(shù)展開的本質(zhì)。卷積的概念從未如此明晰。陳老師在講到MIMO（多入多出）技術(shù)部分時(shí)，采用抽絲剝繭的方式，從最簡(jiǎn)單的SISO（單入單出）講起，接著到MIMO矩陣的秩，得出矩陣的秩能夠反映MIMO系統(tǒng)可以并行傳送的路數(shù)。每每講授此門課程時(shí)，筆者都會(huì)把陳老師對(duì)通信技術(shù)的理解融入到自己教學(xué)中，并力薦學(xué)生課后認(rèn)真研讀陳老師的帖子，相信看過(guò)的同學(xué)肯定會(huì)有較好成長(zhǎng)，起到立竿見影、以湯沃雪的效果。

此外，微信也提供了豐富的資料。比如物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù)，用最新最快的方式匯編物聯(lián)網(wǎng)新聞，每天都提供三分鐘的物聯(lián)網(wǎng)頭條。有AI人工智能的盤點(diǎn)、各大公司專利大戰(zhàn)的爭(zhēng)斗、穿越迷霧的5G技術(shù)、意想不到的智能硬件等，頗有“忽如一夜春風(fēng)來(lái)，千樹萬(wàn)樹梨花開”之勢(shì)。不僅提供概要的文字信息，還提供語(yǔ)音信息。入門者對(duì)這些技術(shù)可以有選擇性的學(xué)習(xí)，既可以淺嘗輒止，也可以深入研究。采用這種碎片化的閱讀方式，學(xué)生們會(huì)有可喜的收獲。

2.3 以點(diǎn)帶面尋找規(guī)律，做到觸類旁通

“通信技術(shù)”知識(shí)錯(cuò)綜復(fù)雜，很多學(xué)生面對(duì)數(shù)學(xué)公式和原理框圖時(shí)往往一頭霧水，看不明白，漸漸失去了對(duì)學(xué)習(xí)的信心。但經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)有規(guī)律可循。比如利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的正交性實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制。IQ正交調(diào)制的發(fā)射原理框圖是相乘、然后相加，接收框圖是相乘、積分模式，如圖1所示。OFDM利用了{(lán)cos（ω0t），cos（2ω0t），…，cos（nω0t）}和{sin（ω0t），sin（2ω0t），…，sin（nω0t）}之間的正交性。IQ調(diào)制學(xué)懂之后，OFDM的問(wèn)題也就迎刃而解。同理，PSK（相移鍵控）、QAM（正交振幅調(diào)制）方式都可以用IQ調(diào)制實(shí)現(xiàn)。在調(diào)制之前添加一個(gè)映射模塊，在解調(diào)之后添加一個(gè)逆映射即可。不同的調(diào)制方式只是映射關(guān)系不同，這種映射關(guān)系可用星座圖來(lái)表示。

BPSK比較簡(jiǎn)單，發(fā)送的碼只有兩種，0或1。信號(hào)矢量的位置落在單位圓的實(shí)軸上，如圖2（a）所示；在QPSK中，單位圓被4個(gè)位置點(diǎn)平分為π/2，為保證信號(hào)的實(shí)偶對(duì)稱特性，進(jìn)一步平分，所以第一象限點(diǎn)的方向角為π/4。星座圖上點(diǎn)的編碼按格雷碼的方式排列，相鄰碼組之間只能有一位不同，QPSK的狀態(tài)數(shù)有四種，可以用兩位格雷碼描述，即00、01、11、10，如圖2所示，相應(yīng)的映射關(guān)系如圖2（b）所示。其他進(jìn)制的PSK同理可得，如圖2（c）所示的8PSK。QAM調(diào)制從幅度和相位兩個(gè)維度來(lái)區(qū)分信號(hào)，各種MPSK的星座映射圖學(xué)懂了，MQAM也就變簡(jiǎn)單了。

利用4階Walsh碼同時(shí)傳送多路數(shù)CDMA的原理與IQ調(diào)制的原理如出一轍，如圖3所示。把IQ正交調(diào)制解調(diào)過(guò)程學(xué)懂了，其他如OFDM、BPSK、QPSK、8PSK、16PSK、8QAM、16QAM、CDMA、新型多址、新型多載波等很容易就做到觸類旁通，可以用最少的課時(shí)掌握盡可能多的數(shù)字調(diào)制知識(shí)。

2.4 問(wèn)答式對(duì)話交流

學(xué)生的視角受限，有些問(wèn)題未必想得深刻，在授課過(guò)程中，以理論講授為主，以問(wèn)題作為牽引?？梢宰寣W(xué)生思考如下問(wèn)題，如在講授基帶傳輸系統(tǒng)時(shí)，占空比對(duì)帶寬有影響嗎？基帶信號(hào)頻譜沒(méi)有加絕對(duì)值能判斷頻譜是實(shí)函數(shù)嗎？若以高于Tb速率傳輸為什么會(huì)串?dāng)_？為什么長(zhǎng)時(shí)間連0或連1不利于提取定時(shí)信息？在講授2FSK解調(diào)時(shí)，讓學(xué)生思考兩頻點(diǎn)相距較近時(shí)帶通濾波器可行嗎？效果好嗎？比如講授13折線PCM脈沖編碼調(diào)制時(shí)，7位PCM編碼（不包括極性）的線性碼是11位均勻量化碼，譯碼時(shí)應(yīng)盡量減少誤差，用12位線性碼表示，多出來(lái)的第12位應(yīng)放在最高位還是最低位？為什么？這樣放有什么好處？

把一個(gè)個(gè)看似簡(jiǎn)單實(shí)則發(fā)人深思的問(wèn)題拋給學(xué)生，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。使他們的學(xué)習(xí)不能建立在虛無(wú)縹緲的想象和晦澀的課本內(nèi)容之上，必須建立抽象到現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系，依靠教師的合理引導(dǎo)及教授，幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容。

2.5 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”不是一門孤立的課程，它是后續(xù)RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)等課程的基礎(chǔ)。而實(shí)驗(yàn)課也要兼顧后續(xù)課程的平滑過(guò)渡。

如果是仿真實(shí)驗(yàn)，Matlab語(yǔ)言因其公式化的描述、可視化的展示和方便的矩陣運(yùn)算受到了通信人的青睞。比如在講解幅度調(diào)制AM的包絡(luò)時(shí)，調(diào)制信號(hào)為m（t）=1.2+sin（20000πt），載波信號(hào)c（t）=cos（20 000πt），已調(diào)信號(hào)為s（t）=m（t）c（t）。接著利用Matlab的plot函數(shù)畫出調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)圖。圖形往往比文字更能吸引人的眼球。學(xué)生可以很容易的從可視化結(jié)果中理解包絡(luò)解調(diào)的原理。比如在計(jì)算（n，k）漢明碼時(shí)（n表示碼長(zhǎng)，k表示信息位數(shù)，r=n-k表示監(jiān)督位數(shù)），已知生成矩陣G，利用“Q=G（1∶k，k+1∶n）；P=Q；H=[P eye（r）]；”這三條語(yǔ)句很輕松就可求出監(jiān)督矩陣H；反之亦然，已知監(jiān)督矩陣H，利用“P=H（1∶r，k）；Q=P；G=[eye（k） Q]；”這三條語(yǔ)句求出生成矩陣G。借助仿真軟件，將學(xué)生從復(fù)雜公式計(jì)算中解脫出來(lái)，并且從可視化的結(jié)果顯示，中學(xué)生也能深刻感受到“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”是一門云蒸霞蔚的課程，就會(huì)興致勃勃的投入到課程學(xué)習(xí)中，一步步成長(zhǎng)。endprint

筆者所在學(xué)校購(gòu)買的是HD-TX-IV型試驗(yàn)箱，可供學(xué)生做幅度鍵控（ASK）調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、模擬調(diào)制解調(diào)、CMI、HDB3/AMI脈沖編碼調(diào)制解調(diào)（PCM）及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、PCM編碼時(shí)分多路復(fù)用時(shí)序分析實(shí)驗(yàn)、二相BPSK、DPSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)等通信原理基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。除此之外，為了能對(duì)后續(xù)“傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程起到鋪墊作用，可以讓學(xué)生嘗試?yán)?CC2530 的ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，也可讓學(xué)生用CC2540模塊的藍(lán)牙協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語(yǔ)

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”是一門實(shí)用有趣的技術(shù)。各種技術(shù)從噱頭走向務(wù)實(shí)，各種調(diào)制解調(diào)技術(shù)、編碼解碼技術(shù)、多天線技術(shù)、多載波技術(shù)、新型多址技術(shù)已遍地開花。通信技術(shù)學(xué)習(xí)之路布滿荊棘，在教學(xué)過(guò)程中利用好網(wǎng)絡(luò)資源、以點(diǎn)帶面尋找規(guī)律和問(wèn)答交流等方式進(jìn)行教學(xué)，相信學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的“山重水復(fù)”之后，會(huì)呈現(xiàn)“柳暗花明”的結(jié)果。

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