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高等教育创新与实践 电子信息类工程实践教程(通识教育分册)

本书配有源代码,相关资源可在资源中心免费下载。
  • 作 者:马建国 王大岚
  • 书代号:400500
  • I S B N:978-7-5606-3713-6
  • 出版日期:2015-11
  • 印刷日期:2015-11
  • 业务分类:本科;
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内容简介
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本书由通识教育分册和专业技能分册组成,其中,通识教育分册主要为基础知识,介绍了基本通信理论的应用实例,专业技能分册属高级专业内容,介绍了复杂的应用实例,如无线网络WiFi等。

本书是电子信息类工程实践教程的通识教育分册,共三章和四个附录。第一章介绍了通信系统的基本概念和主要应用技术。第二章介绍了开发环境的硬件和软件知识以及开发工具的使用方法,并以一个应用实例详细介绍开发项目的操作过程。第三章汇总了五个实践课题,每一课题都反映一项在手机中使用的通信技术,具有很强的实践意义。书末的四个附录包括补充知识、数字资源包介绍和书中问题的参考答案。

通过对本书内容的学习不仅可以加深对理论知识的理解,同时也可以学会如何实现一个应用题目,提高学生专业实践能力。

信息技术近年来有了革命性的发展,许多新技术和新产品被创造出来,它们彻底改变了人们的生活。人们已广泛使用计算机和互联网,用更快捷和更方便的方式完成日常工作,交换信息和获取知识。

在信息技术领域,有两个神奇的发明家这里应该提到,即比尔?盖茨和史蒂夫?乔布斯。他们被广泛描述为在商务、发明和产品设计领域中具有想象力和创造力的领军人物。不夸张地说,他们两人改变了现代世界的面貌:成千上万的计算机依靠微软视窗操作系统工作;苹果公司的iPhone、iPad等产品被大众所喜爱。一个有趣的事实是:这两个最成功的发明家都有一个共同的特点,即他们总是有崭新的想法并持之以恒去实现他们的梦想。他们两个人都没有完成高等教育,而为了实现他们的梦,他们在人生的早期阶段开始了自我完善的实践活动。

读者可能会问:为什么我们没有培养出中国的乔布斯? 我们的大学是否应该改进教学方法,增加更多的实践活动以跟上信息技术的快速发展?

另一个值得思考的问题是,传统的由元器件构成的数字系统和设备近年来已经被通用的或专用的信号处理器所取代。我们的课程应该让学生接触数字技术的最新发展,熟悉用信号处理的技术来实现信息通信。

为了解决这个问题,天津大学近年来启动了卓越工程师计划,本实践课程就是高等教育创新与实践的一部分。我们的课程从2010年开始实施,至今已经连续开设了八个学期。信息学院新生九月份刚刚入学,十月份学生就进入实验室参加这一实践课程,连续六个学期直到大三结束,然后是一门选修课程,再到大四最后一学期的毕业设计。在这期间,学生每年参与不同的实践项目,直到毕业。

我们的理念是遵循北洋大学(天津大学前身)老校长茅以升先生的话:“先习后学,边习边学”。此课程的目的是提高学生的实践能力,鼔励他们创造和实现一个新的想法。实践课程的主要方法是让学生自己完成课题项目,所有的课题项目都取自工业界的实际应用并随着技术的进步年年更新。课题的硬件内容涉及项目开发平台,包括数字信号处理器、接口设备、显示器等。课题的软件内容涉及数字信号处理算法实施、C语言编程技术和实时编程技术等。学生通过完成课题可以学到信息科学领域的最新知识和技能。因此,我们选用开发平台时瞄准的是未来几年工业界的主流平台,以此作为学生的实践教育平台,这样可以使得学生经过四年训练所学到的技能恰好是毕业时工业界的主流。

本教程由课堂讲课部分和实践部分共同组成。讲课部分介绍基本的数字通信概念和应用,占用少量课时。实践部分详细介绍每一个课题的基本理论、实施方案、源码分析、调试方法、源码修改(可加深理解)和进一步的研究方向。实践部分占用大多数课时。

实践内容涉及的信息科学领域有:

● 信号与系统

● 数字信号处理

● 现代数字通信系统

● 无线通信(WiFi)

● 网络通信TCP/IP协议

● 数字信号处理器结构和实时编程技术

由于这部教程是面向实践课程的,每一章节集中介绍一个具体应用的实施方法,而不是企图详细进行理论分析,因为我们假设读者将从有关理论课程学习中了解或理解该理论的概念,或者读者在完成课题实践的同时通过阅读有关资料可获得所需知识。本实践课程希望学生能够在学习大量理论课程之前有一个感性的认识,明了为什么要学习这些理论。比如我们针对刚入学不到一个月的新生讲述频率域的概念时,利用麦克风现场录制指导老师的讲课声音,实时地通过投影仪播放出来,学生看到的是时间域内一个连续跳动变化的信号,当经过快速傅里叶变换(FFT)以后,在频率域内看到的是几个有限的点!很干净!两个老师说同样的话,在时间域内很难看出不同,但FFT以后可以看到明显的不同。这样学生马上会感到惊奇。这些令人惊奇的知识将会在高等数学和信号处理课程中分别详细介绍。

如果我们把大学类比为驾驶学校,我们的目的是培养职业司机。课堂教学介绍了理论;而传统的实验课教学则相当于驾驶学校的模拟教学,用来理解和消化学到的理论和规则。驾驶学校需要到练车场用真车练习,而我们的传统工程教育缺少“真车”实练。我们开发本课程的目的之一就是从工业界的实际开发中提取出真实的案例,让学生练习,早日摸到“真车”!

本教程配备大量实践练习的源代码,不但可以供学生效仿练习,还可供初级工程师学习、参考。

本教程由通识教育分册和专业技能分册两册组成,其中,通识教育分册可供信息科学类一年级学生使用,专业技能分册可供信息科学类二、三年级学生和工程师培训课程使用。

对大一的学生来说,我们的目的是让学生“拷贝”,能够重复我们给出的设计,来实现预设好的功能。这样,学生可以通过反复地实现已有的功能,了解所需要的基础知识,对于电子信息工程有一个初步的感性认识。对大二学生的实践,本书则是介绍设计平台以及详细描述已经给出的设计案例,让学生针对这些设计案例进一步增加可以支持的功能,比如合并一些现有的演示功能等,使得学生可以有一些简单的开发意识和相关训练。对大三的学生来说,重点则是介绍开发平台,以及此平台可以支撑怎样的功能,鼓励学生根据平台来构思自己的开发设计。经过老师的评价、讲述,学生实现自己的开发设计,使得学生具备初步的设计创新开发能力。

通识教育分册涵盖的题目从简单到复杂。以下是每一课题的简要描述:

● 取样定理

这个课题示范了取样定理的概念。使用不同的取样频率在开发平台上运行模拟信号转变为数字信号和数字信号转变为模拟信号的过程,观察输出信号的变化。让学生感性地了解如何从实际的模拟世界转换到人造的数字世界,思考模拟到数字的转换所基于的基础和受到的限制是什么,同时也了解到学习数学的重要性,增加学习高等数学的兴趣和目的。

● 国际电联ITU-T G711语音压缩算法的实施

国际电联G711 A律和μ律语音压缩编码器和解码器被安装在开发平台上运行。从源码分析中可看出,模拟信号转换成16位数据,经语音压缩编码器变换成8位数据传送,接收端将8位数据转换成16位数据后转换成模拟信号输出。让学生感性地了解信息在此传输之前都是先被压缩的,而不是简单的原始信号;了解为什么要压缩,压缩的现象和基本解压缩还原,直至还原的模拟信号;同时也使学生体会到压缩所基于的原理,懂得以后学习相关课程如信号处理、通信原理等的原因和所需要的必备基础,为将来学习这些相应的课程打好基础。

● DTMF双音多频信号的发生和识别

手机已经成为每个人的必备工具,电话的拨号声音、占线的忙音等都是大家所熟知的现象,但是如何产生这些声音呢? 这个课题在开发平台上实现双音多频信号的发生和识别,观察双音多频信号特性以及使用格策尔(Goertzel)算法来识别DTMF信号,让学生感性地了解如何产生信号和如何识别信号,同时也了解“信号”与“信息”的差别。

● 多路通报用博多机的实施

我们的手机采用所谓的双工模式,但什么为双工? 如何实现双工? 移动通信中传送的信号都是经过调制的,接收到信号以后再解调,那么何为调制和解调? 对讲机或蓝牙则是采用时分模式来实现多路。

TIA/EIA-825 Baudot多路通报用博多机采用频移键控调制方式,以半双工模式运作。这个课题在开发平台上实现Baudot FSK信号的调制和解调,实现文字通信。通过这样一个简单的实践,学生可以初步感性地接触到这些通信中的基本概念和最基本的实现方式。

● 国际电联V21调制解调器的实施

V21是频移键控调制方式,以全双工模式运作。这个课题在两个开发平台上实现V21 FSK信号调制和解调,实现文字通信。所有课题源码均包含在本教材附有的资源包内,读者可在西安电子科技大学出版社网站下载。

通过上述几个基本实践项目,学生可以感性了解信息传输的全过程:模拟信号的数字化、数字化后信号的压缩(与解压缩)、传输信号的编码、调制到载波上并解调回原始数字信号。希望通过这样一些基本的实践,使得学生对实践案例背后的原理产生学习的欲望。不仅是“知其然”,而且想“知其所以然”。这样学生会对基本的通信方式和信息处理方式有一个基本的理解,为日后学习相应的课程打下良好的基础。

感谢

我们在这里感谢以下有关单位和个人的热情帮助:天津大学校领导创造了条件使这个工程实践课程能够在电子信息工程学院顺利开办达四年(连续八个学期)之久,参与课程的老师和同学对这个课程的开设给予的积极支持。特别感谢参与课程指导的刘敬浩副教授。

著 者

2015年10月

马建国 教授 天津大学电信学院院长,教指委专家,长江学者特聘教授,博士生导师,IEEE大学计划委员会委员,加拿大Carlton大学兼职教授,天津市集成电路与计算系统工程中心主任。因在微波电子和射频集成电路的应用方面的杰出成就2015年当选IEEE Fellow。领衔承担了国家“863计划”等科研项目十余项,其主要研究领域包括射频集成电路与微波单片集成电路、微波与毫米波系统、RFID与无线传感器网络、混合信号集成系统、工业物联网与工业智能化。美国授权RFIC专利六项、中国授权/公示专利13项。 王大岚 博士(清华大学本科、硕士毕业),是恢复高考后第一届研究生,毕业后赴英国攻读博士。博士毕业后短暂在大学做研究工作、然后加入工业界。直至英国Lolan科技有限公司的CTO(首席技术官)。具有几十年的工业实践经历——通信方向嵌入式系统开发经验,一直在开展大学生动手实践的尝试。
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