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摘要：通信工程专业的课程理论抽象、公式繁多、推导繁琐等特点，导致专业学习难度较大，为了提高学生的专业学习能力，需要针对不同课程开展课程分析。论文结合《信道编码》课程特点制定具体的教学方法，同时采用多措并举的方法，既激发学生的学习兴趣，又提升学生的学习能力，促进专业知识的学习。
关键词：专业课程；信道编码；教学方法
本文引用格式：高丽娟，等.《信道编码》课程教学方法研究[J].教育现代化,2019,6(44):174-176,186.
Teaching Method Research for Channel Code Course
GAO Li-juan,DAI Jian-mei,CHEN Long
(Space Engineering University,Beijing)
Abstract:The communication professional course has the characteristics of pure theory,various formula,fussy deducing,and so on.It is hard to study professional course.In order to enhance the students’study ability,it needs to analyze the characteristics of different courses,such as“Channel Code”.Then according the characteristics,it can use the different ways to inspire study interesting and advance the study capability.
Key words:Professional course;Channel code;Teaching method
一 引言
通信的目的是要把对方不知道的消息及时可靠地传送给对方。在通信系统中总是存在噪声的随机干扰，从而会在传输的信号中引入失真，导致接收端信号判决错误。信道编码的目的是提高数字通信系统传输的可靠性，采用不同的编码方法达到检错和纠错的作用。《信道编码》课程是通信工程专业本科生的一门专业必修课。课程专业性较强，对强化相关专业学生的业务技能，提高学生的工程实践和应用能力具有重要作用。然而课程涉及代数、矩阵分析、编码等多种理论知识，难度较大，为了更好地开展课程教学工作，课程组针对课程的基本特点，教学方法进行深入研究，确保学生能够听懂、悟透。
二 专业课程的特点与难点分析
（一） 公式繁多，比较枯燥
《信道编码》课程涉及到很多代数概念，如域、线性空间、子空间、多项式、生成矩阵、校验矩阵等，这些知识公式繁多，讲解过程很枯燥，学生学习难度较大。如线性分组码的生成矩阵是k×n维矩阵
（三） 理论抽象，难以理解
有的知识点在讲解过程中，理论知识比较抽象，学生不好理解和把握。如何把抽象的知识点直观形象地进行讲解，也对教员的授课能力提出很大的考验。如卷积码的栅格图，对于卷积码而言是很重要的一种表现形式，而且在译码过程中也要用到栅格图。如何引导学生将生成矩阵与栅格图建立联系，将公式与图联系起来，加深认识和理解。如何将抽象的理论通过仿真演示，辅助学生加深理解，都是课程教学需要探讨和研究的问题。
三 主要教学方法研究
（一） 深入浅出，简单化
专业课程的理论知识都比较复杂，需要将复杂的知识简单化，通过深入浅出地讲解，使学生能够掌握关键知识，找出知识点之间的关联性，并将理论与实际结合起来，从而学会在实际中利用所学的理论知识来分析问题，解决问题。
如线性分组码(n,k)中的系统码，其最大特点是生成矩阵的前k×k维为单元矩阵，即G0=(Ik P)这个关键点建立之后，引导学生思考，这种码型在实际应用中有什么优势呢？其优势在于解码时，前几位码字可以直接解出来，因而编解码器的设计较为简单。后续在卷积码的学习中也会涉及到系统码，两种码字的系统码本质特性是一致的，“输出子码中有k位是原输入的信息元”，引导学生练习开展系统卷积码的判断，加深对系统码的认识，将前后所学知识融会贯通。
（二） 分步讲解，找规律
很多知识点，理论推导过程较为复杂，在给学生讲解过程中，一方面要通过分步讲解的方法讲清楚理论的基本原理，将理论知识分成几个过程，通过不同的过程逐渐深入，引导学生学习关键知识；另一方面要学会查找规律，通过一些规律性，可以方便快捷地得到对应的数学关系。比如，线性分组码的生成矩阵的特性之一“每个行矢量都是一个码字”，引导学生学习使用这个规律，快速写出生成矩阵。通过不同举例，在给定线性分组码(n,k)的情况，通过选择k个码字可以直接写出相应的(k×n)维生成矩阵。进一步加深对生成矩阵特性的掌握和运用。
再比如，卷积码的表示中，生成矩阵描述涉及到生成矩阵、生成元、子生成元等概念，如何直接通过电路图的抽头可以写出这些矩阵呢？首先通过实例，利用简单的编码电路和输入信息，一步步推导得出输出码字，同时分析数学推导得到输入码字、输出码字以及生成矩阵的关系。进而分析生成矩阵的组成，和生成元的关系。根据给出的生成元与编码电路对应分析，查找规律。子生成元正好与编码器输出电路的抽头相对应，从而能够方便快捷地直接由编码器电路写出生成矩阵。
（三） 对比分析，重理解
信道编码的理论学习，逻辑性比较强。通过理论分析，建立知识体系，将推导公式转换成图表的理解，能够便于学生的理解。同时将编码和译码结合起来，能够增强理论知识的学习和巩固，并且形成完整的知识结构。卷积码的学习中将生成矩阵、生成多项式这些解析描述与树图、栅格图等图解表述练习起来，通过对比分析可以加深理解，从而对卷积码有更透彻地理解和掌握。同时，利用栅格图将编码和译码结合起来，学生能够成体系地理解卷积码的理论。
栅格图可以描述卷积码的状态随时间推移而转移的情况，是卷积码学习的重要内容尤其是在卷积码的概率译码，特别是Viterbi译码中非常重要，它综合了状态图法直观简单和树图法时序关系清晰的特点。从t=3时刻之后S0、S1、S2、S3的状态转移形成规律性，引导学生利用这种规律可以快捷地画出状态图。在Viterbi译码中则利用栅格图，将各路径的距离进行计算，无论是硬判决汉明距离度量还是软判决的比特度量，取最小值或者最大值即可得出最大似然路径。
将编码和译码对比分析可以更有助于学生理解编译码原理，能够把基本理论串联起来，便于理解和掌握。译码时遵循和编码同样的过程，只是增加了路径度量，在译码一定长度的码字后选择最小汉明距离或者最大比特度量。以硬判决为例，译码过程中的栅格图和编码过程类似，选择具有最小汉明距离的路径为最佳路径。通过信道送入译码器的接收码序列的R=(10 10 00 01 11 00 11 11)，通过前3步的汉明距离比较得出译码输出为（11 10 00），纠正一位错误，状态转移为S0S1S2S1。以此类推，可以得出整个接收码序列的译码输出。将编码和译码进行对比分析和详细讲解，能够使得学生能够深层次的理解编码和译码的理论，同时结合后续的实验，从而在脑海中形成深刻的印象。
（四）仿真演示，更直观
由于信道编码的编码方法和译码算法理论性都很强，经过详细地讲解和推导，学生会对基本理论有一定的认识和理解。然而理论知识还很难转化成实际的印象，通过仿真，可以使学生把抽象的理论形象化，能够更直观地了解。通过仿真实验学生一方面对编码理论和译码算法有了更深的认识，另一方面学习利用仿真软件进行编程、分析问题、解决问题的能力，为后续工作和学习奠定基础。
比如，通过仿真可以清除地了解输入信息、编码信号、调制信号、信道传输后加噪声的信号、译码输出信号之间的关系。编程得到信噪比与误码率之间的函数关系，信噪比越大，经信道传输后译码出现差错的概率越大，即误码率越大。同时将没有进行卷积码的信号也计算误码率，通过误码率的比较可以看出卷积码的优势，能够极大地降低误码率，提高通信系统传输的可靠性。
（五） 应用举例，提兴趣
数字通信系统设计中，如何选择合适的信道编码方法和译码算法等是决定系统复杂性和信息传输可靠性的重要问题。学生会产生疑问，到底信道编码在实际系统中有什么用处呢？可以通过具体的案例，将理论学习和实际应用结合起来，进一步激发学生学习信道编码的兴趣。比如，卷积码在深空探测器中的应用，Turbo码的编码增益11.2dB，这个增益可用于弥补深空通信的远距离产生的路径损失。一般而言探测距离增加一倍，路径损失约增加6dB。因而采用信道编码可以极大地增加探测距离，如Turbo码可以将探测距离增加到比月球探测更远的约
10万千米以外的空间。因此，信道编码对于提高通信系统性能具有重要作用，在很多深空探测中都采用信道编码作为一种方法手段，可以产生一定的增益，弥补一部分的路径损失。1976年发射的海盗一号采用（32，6）分组码；1980年发射的旅行者号探测器采用卷积码；1986年发射的旅行者2号采用卷积码和RS码组成的级联码；20世纪90年代发射的伽利略号木星探测器采用了卷积码和RS码级联。
四 结束语
在本科专业课程的教学过程中需要根据教学对象的知识结构和理解能力分析课程的基本特点，针对特点找准教学方法，将不同的教学方法结合使用，既增长学生的基础理论知识，又培养学生的思考能力，同时增强学生利用理论知识解决实际问题的能力，进而从基础知识和专业技能两个方面得到提升。通过学员反馈的意见可以看出采用多种方法结合，能够极大的调动学生的积极性，并且将理论知识进行深化，从而提升学员的知识与技能。
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