“電子信息系統概論”研究生課程教學建設初探

李保國，伍 微，楊 鵬

（國防科技大學 電子科學學院，湖南 長沙 410073）

一、“電子信息系統概論”課程背景

電子信息系統理論與技術應用覆蓋雷達、通信、導航、電子偵察、精確制導、目標識別、智能感知等領域?！半娮有畔⑾到y概論”是我校電子科學學院的核心課程之一，是我院電子信息類研究生的重要專業基礎課程。2020年全國研究生教育會議后，三部委聯合出臺綱領性文件《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》，要求加強課程教材建設，提升研究生課程教學質量［1］。該課程面向我?！半p一流”建設、雙重建設需求，教師隊伍和教學內容、教學模式等課程建設任務，緊密圍繞上述需求而展開。

“電子信息系統概論”“現代通信工程”“數字信號處理與應用”是我校電子信息類研究生專業基礎課程的“三駕馬車”?！半娮有畔⑾到y概論”旨在使學員理解并掌握電子信息系統的總體框架、各組成部分基本原理及其典型應用，是后續具體方向專業課的引領性課程。通過該課程的學習，可使學生理順整個電子信息系統的內在邏輯關系，掌握電子信息系統設計的一般方法，實現對于電子系統、信號與信息系統功能原理的全面認知，并能熟練運用于典型電子信息系統的分析與設計之中。課程總共54學時，其中理論知識講授42學時，案例設計講授12學時。

本文針對“電子信息系統概論”授課對象和課程特點，說明課程建設思路，提出課程教學內容建設的若干方法與理念，以理清電子信息系統內在邏輯和物理內涵為基礎，構建知識體系，拓展知識能力，導向知識應用，為我?！半p一流”建設、雙重建設發揮應有的作用。

二、課程特點與建設思路

“電子信息系統概論”課程面向工程應用，具有應用廣泛、知識點多、理論性強等特點。如何使學員在有限學時的學習過程中，扎實、有重點地掌握關鍵的電子信息系統基礎知識，并能將課程中學到的知識，有效地運用于將來從事的電子信息系統設計應用中，以及如何在突出重點的同時兼顧內容的系統性，這些都是教師在課程建設中需要重點考慮的問題。課程建設的主要思路與方法主要有以下幾點。

（一）建立課程組，精研課程規劃

采用組建課程建設小組的形式，集合我院雷達、導航、通信等多個相關子學科方向的骨干力量，突出系統籌劃，打牢理論基礎，聚焦前沿引領，著眼工程實用，把課程建設的著力點放在培養學生分析、解決電子信息系統設計問題的能力上面。課程選用了阿里埃勒·盧扎托等著的《無線收發器設計指南：現代無線設備與系統篇》等經典教材，貼合實際應用，將基礎理論與技術結合起來，全面系統地分析各種無線收發系統的架構與設計思路。案例設計方面引入課程思政元素，兼顧先進性與基礎性，做好從科學研究成果向教育教學資源的轉化。

（二）開展調研，制定課程目標

通過課程需求調研，本著“厚基礎、寬口徑”的人才培養思路，結合崗位任職需求，明確學員應具備的知識與能力目標：一是知識目標，以電子信息系統的通用設計方法為牽引，從總體框架、信號發射技術、信號接收技術、軟件無線電技術、信號/信息處理技術等方面全面講解電子信息系統的基本原理和設計方法。二是技能目標，面向工程應用，以電子信息系統各環節的具體案例為落腳點，通過典型電子信息系統案例，幫助學生建立電子信息系統設計的全局意識，為其將來從事相關領域專業工作打下基礎。三是素質目標，通過課程教學環節的嚴格要求和教育訓練，培養學生一絲不茍、嚴謹求實的工作作風和獨立思考、自主創新的科學精神，使學生具有較強的創新意識、團隊精神及設計溝通能力。

（三）理清重難點，夯實課程內容

本課程理論知識方面的重點在于電子信息系統的通用設計方法；案例設計方面的重點在于電子信息系統各環節的具體案例和大系統典型案例，難點在于系統總體框架、信號產生與發射技術、信號接收技術、軟件無線電技術、信號處理技術、信息處理技術等方面的基本原理和設計理念方法。課程設計采用理論分析和案例拆解，幫助學生建立電子信息系統設計的全局意識，為學生將來從事相關領域專業工作打下基礎。

三、課程教學內容建設的若干方法與理念

課程內容全面涵蓋了工程應用中電子信息系統設計相關的知識點，比如超外差接收機、無線收發架構、靈敏度和噪聲系數、互調抑制和半中頻抑制特性、峰均比、頻譜再生長等。通過這些內容的講授，學生能夠切實掌握電子信息系統設計和指標分析方面的基礎知識，提升工程應用、分析和設計能力。

（一）構建電子信息系統知識體系

為了幫助學生形成系統、全面的知識結構，“電子信息系統概論”課程分為理論知識教學和案例設計教學，案例設計教學又可分為大系統案例設計與子環節案例設計，子環節案例設計穿插分布于理論知識教學專題中。課程主要講授收發器架構、發射機系統、接收機系統、軟件無線電等方面的知識。表1列出了各專題主要教學內容。

表1 “電子信息系統概論”課程專題劃分及教學內容

其中，收發器架構、發射機系統、接收機系統三個方面的專題內容關聯緊密，從時間域、頻率域的維度，全方位覆蓋系統級、子系統級及模塊級的射頻設計理論與技術方法。軟件無線電專題是課程主要教學內容的拓展與延伸，收發機環路中越來越多的硬件射頻模塊被替換為相應的軟件算法，引領現代信號處理速率不斷提高、計算能力不斷增強的趨勢。

為了強化理論與實際的聯系，案例設計引入了我院最新的科研成果，例如，多率信號處理在雷達、導航、通信信號處理中的應用，峰均比抑制方法在智能通信、多系統導航中的應用，超外差接收機在雷達系統、通信系統、衛星導航、電子偵察等領域的應用及異同。隨著我院科研的持續發展，課程案例庫的廣度不斷拓寬，案例的深度也在不斷融合深化。

（二）拓展電子信息系統知識能力

為了幫助學生深入透徹地掌握知識技能，課程教學內容建設注重兩個“講清楚”。

1.講清楚知識點的內在邏輯：橫向鋪開，對于重要的知識點，全面系統地講深講透，輔以課外閱讀，幫助學生建立大局觀。

比如，峰均比定義為“信號瞬時峰值功率和平均功率之比”，既直觀又簡單，但學生要掌握這一知識點并不容易。授課時，給學生重點梳理了如圖1所示的內在邏輯關系。從橫向角度看，峰均比的定義與工作原理是理論基礎，是數學層面的精準表述；峰均比的計算與測量是技術基礎，是使用數學表達式計算仿真或實測的直觀結論；信號調制對峰均比的影響及峰均比對發射性能的影響，是發射機分析的重要環節，新的通信技術標準使用了更快信息速率、多載波的信號調制方式，高階QAM、OFDM等新的信號調制技術的應用惡化了信號的峰均比，使得功放不再工作在線性區域，傳統的功率回退方案不再高效，進而影響動態范圍，這對發射機的性能、尺寸、成本都有很大的負面影響；由此引出削峰、編碼等硬限幅、軟限幅方法，降低信號的峰值，減小高峰均比的系統性能的影響。這樣從理論到技術再到應用，層層遞進，把峰均比問題的來龍去脈都講清楚了，學生也容易理解和掌握。

圖1 峰均比知識結構示意圖

2.講清楚知識點的物理內涵：縱深擴展，對于有一定理論深度的重要知識點，重點是講清楚機理，公式形象化，方便學生理解。仍以峰均比為例。圖1中的準靜態射頻信號峰均比理論性較強，學生理解起來有一定的難度。授課時，抓住準靜態峰均比物理概念的兩個關鍵點：一是準靜態條件，重點在于瞬時時段的選擇，使得該時段相對于基帶低頻信號足夠長，以至于信號幅度和相位大致恒定；相對于載波高頻信號足夠短，以至于Riemann-Lebesgue引理成立。二是Riemann-Lebesgue引理，重點在于理解緩慢變化的基帶信號調制到快速振蕩的載波上，從數學上相當于慢變函數乘以余弦函數在一個周期內的積分，其結果接近于零。最后利用峰均比的定義，就可以得到準靜態射頻信號峰均比的電壓表示形式。由此簡化了復雜的數學推導過程，使學生重點掌握知識點的物理內涵。

（三）導向電子信息系統知識應用

1.為電子信息系統各子環節引入案例，強化教學成效。對于研究生學員，為了加深所學知識的整理、概括、消化、吸收，只有教材和課堂教學并不足夠，有必要圍繞課堂教學內容，通過啟發性案例引入，強化知識教學與應用，鍛煉學生查閱各類資料及書籍，提升自學能力和團隊工作能力。比如，講授軟件無線電中的正交低通采樣時，在課程引入時說明美軍“聯合戰術無線電系統（JTRS）”使用軟件無線電結構體系，引出車載、機載、艦載、單兵背負、固定平臺、小型內置式等多種場景的電臺案例，學生學習的積極性就調動起來了。接著說明JTRS支持工作頻率范圍約為2MHz～2GHz，那么如何確定采樣頻率呢？這正是軟件無線電需要解決的關鍵的電子信息技術問題，只有這樣寬的頻段才能具有廣泛的適應性。但是，這樣寬的頻帶直接采用奈奎斯特低通采樣，所需的采樣速率至少大于4GHz，這從目前來看顯然是不現實的。所以，軟件無線電中的低通采樣一般采用正交混頻等方法來實現。上述案例從概念和邏輯上來說，學生都非常容易理解，后面就可以順理成章地轉入正交低通采樣的學習。

講解完正交低通采樣的基本架構和基礎原理之后，我們還在課程內容中設計了面向工程類教學實踐的重要環節——深化知識應用，其關鍵在于使學生理解知識點對應的技術有哪些優勢和不足。正交低通采樣的最大好處是可以降低采樣率，可以直接獲得兩個正交信號，有利于后續進行各種信號處理，如解調、參數測量、信號識別等。但是，正交混頻器的不足則是學生理解的難點。我們引入GSM移動通信公司采用200kHz單一信道進行正交采樣數字化，給學生直觀介紹實際工程中正交混頻器帶寬較窄的案例，引導學生了解電子信息類終端中的正交采樣；然后從理論上說明帶寬較寬的情況，不同頻點的相位累積可能導致不穩定或電路振蕩，正交混頻做得不理想也會存在正交誤差，產生難以克服的虛假信號，影響正常工作，這些因素都對正交低通采樣體制的寬帶應用產生了約束。這樣，工程實際與理論相結合，不僅增強了學生的感性認識，還進一步深化了學生的理性認知。

講解完正交混頻器理論及應用的優缺點之后，我們通過課程設計，使學生將學到的知識進一步拓展延伸到正交混頻的各種應用中：正交調制、收發機混頻、笛卡爾反饋等。特別是發射增強技術中的笛卡爾反饋，我們在案例深化過程中，展開討論引發學生思考：為什么該技術非常適合窄帶系統卻不適用于寬帶系統呢？原因就在于前面課程中學過的正交混頻器技術的優勢和不足，使學生深刻認識到知識的衍生拓展與深化應用。具體課程教學案例引入流程見圖2。

圖2 課程教學案例引入流程

這樣，課程建設注重前后呼應，重要知識點的理論、應用和深化，通過通俗易懂的案例串聯起來。先通過直觀案例，提高學生的注意力與專注度，引出相對深奧的理論基礎知識；接著通過實際工程案例，由淺入深地剖析知識要點，關聯知識應用，加深學生對知識的理解；然后，衍生拓展知識的應用，在對案例的深化講解中，強化學生對知識的熟悉和掌握程度。教學設計的全過程中，注重學生對知識的理解與掌握，提高學習效率，達到優秀案例對學生學習知識點的引導和深化作用。

2.對課程重點知識采用問題引導方式，激發學員思考。為了調動學生學習的積極性，采用貼近生活、貼近應用的問題引導方式，結合案例分析，有意識地拉近學生和課程之間的距離。比如，在講解衛星導航典型設計時，一開始就提出問題：同樣是廣泛使用的電子信息系統，GPS與移動通信能否互相替代？學生雖有疑惑，但還是有越來越多的人開始搖頭。然后緊接著提出“星鏈能否替代4G/5G通信？”這樣一個開放性問題，學生的興趣立馬就提起來了，聽課的積極性也比較高，后面再接著講解自由空間傳播損耗、直接序列擴頻調制增益、信噪比與載噪比等概念時，引導學生聽課時把關注的重點放在衛星導航的特性上，并有意識地與常規移動通信進行對比，使學生主動學習，發掘這兩類廣泛應用的電子信息系統的異同。課程知識點講授完畢后，再回到問題，從用戶需求、系統容量、信息傳輸速率等方面與學生展開交流研討，完成知識應用和問題閉環，基礎理論學習與應用實踐結合起來，增強了學生學習的系統性與實用性。授課期間適時引入分組討論與報告環節，在培養學生團隊協作能力的同時，還鍛煉了學生表達交流溝通的能力。

需要說明的是，“電子信息系統概論”研究生課程目前采用大班教學，聽課學生約有100人，很難進行覆蓋全體學生的分組討論。在課程設計時，一方面是針對典型案例，合理設計論題，激發學生興趣的同時緊密關聯知識點，合理分組，明確討論范圍和方向，教師注重在課堂上維護秩序、控制討論時間，討論不強求人人發言，不要求面面俱到，重在全員參與，可以報告的形式延伸到課后，課程考核將課堂討論與課后報告結合起來。另一方面是針對電子信息系統各子環節案例和知識點，把“課堂上思考”提前到“上課前思考”，提前發布預習內容，激發學生主動思考，然后帶著思考成果和疑問進入課堂，有重點地展開學習。

比如，在講授頻譜罩相關知識前，預先要求學生查閱IEEE802.11標準相關知識，學生在重點明確的前提下，經歷了自主學習相關知識概念、閱讀專業資料的過程，這個過程強調學生是教育的主體，教師是教育的引導者。然后在課堂上提問“在人比較多的商場或飯店使用公用Wi-Fi時，為什么經常遇到網速較慢，甚至無法訪問聯網信息的情況？”，引出IEEE802.11標準對應的信息速率與頻譜帶寬；通過提問“為什么旅館往往每間房都設有獨立的Wi-Fi？”，引出有效信道和頻點工作的有效物理范圍；這些問題結合學生前期的自主學習和課堂上教師的講解，可以有效幫助學生理解和掌握頻譜罩、相鄰信道功率比等相關知識。這樣，通過貼近生活、容易理解的常見問題，引出解決問題背后的基礎原理與邏輯，實現了學生自主學習與教師課堂教學的有機融合。通過“交互式”教學，改變了“獨白式”教學方法“一言堂”的弊端，克服了傳統教學方法從教師到學生的單向傳輸，建立起教師與學生溝通和對話的有效渠道，提高了學生的參與度，構建起課堂教學的共同體。這不僅鍛煉了學生的主動自學能力、文獻資料閱讀能力和分析能力，促進了學生對關鍵原理與過程的理解，加深了對知識和應用場景的理解，還尊重了學生在學習過程中的差異性，鼓勵大膽思考，在促進學生熟練掌握知識點奧秘的同時，重視培養創造力，并通過教育教學把學生的創造力釋放出來，提升了教學效果。

結語

“電子信息系統概論”課程是我校電子信息專業的核心課程之一，課程建設結合實際應用現狀，緊跟電子信息系統理論與技術的最新發展成果，在我?！半p一流”建設和雙重建設中，發揮了應有的作用。