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衛星通信導論范文1
[關鍵詞]無線網絡；傳輸；現場直播
1引言
現場直播是廣播電視節目播出的重要組成部分，不斷使用先進的直播技術使現場直播節目更豐富多彩是技術人員一直追求的目標。由河北省主辦的《世界園藝博覽會》于2016年4月在唐山市南湖公園開幕，河北廣播電視臺對開幕式進行了現場直播。為了充分展現唐山世園會的博大、宏偉和巧奪天工的藝術設計及開幕式現場的隆重，河北廣播電視臺首次采用了多點同步移動直播方式，并創造性地實現了多點的主持人和嘉賓的互動直播，使現場直播形式更多樣，內容更豐滿，技術質量更高。為滿足直播要求，全程使用了無線4G網絡作為傳輸介質。
2直播現場概況及直播技術要求
本次《世界園藝開幕式》直播現場在唐山市南湖公園舉行，南湖公園由原采煤作業區沉淀后經過數次改造、擴建而成，方圓數萬平米，開幕式現場由位于鳳凰廣場的主會場和分布在公園四周的4個分會場組成，現場直播文案要求直播以主會場為中心，中間穿插3個分會場以及穿行于公園的移動直播和空中熱氣球等5個直播點完成整個開幕式的現場直播。除了主會場可作為固定直播點，其余4個點都為移動直播點，并且在直播中要穿插各點主持人的互動。
3多點直播的實現
本次開幕式現場直播的特點是多點同步直播，只有一個固定點，其余都為移動點，因此技術方案都圍繞這個特點來制定。作為主會場的固定直播點使用大型衛星直播車，車內直播間作為現場主直播間，使用衛星[1-3]和有線網絡等不同路由的傳輸手段完成現場到臺內直播間的信號傳輸，保證信號傳輸的不中斷。其中有線網絡使用固定IP模式，以實現其余5個移動點到衛星直播車的信號傳輸。3個場館和升空熱氣球直播點使用便攜式音頻傳輸器完成音頻信號的傳輸，這種音頻傳輸器可使用4張不同運營商的數據通信卡，可把4張數據通信卡的傳輸帶寬進行疊加，并且4張卡同時在線，滿足信號傳輸帶寬要求的同時還可避免因某個運營商信號質量差導致的信號傳輸中斷。流動直播點使用小型直播車完成，車內配備機架式無線4G傳輸器[4-5]，可實現小型直播車到固定點衛星直播車的雙向信號傳輸[6]。直播現場系統框圖如圖1所示。
4直播中無線網絡的使用
本次直播最大的特點是直播點多、固定點少和移動點多，意味著直播過程中要依賴移動網絡才能完成各點之間的信號傳輸。在開幕式現場的南湖公園內分別有3家移動運營商的數個基站，為確保開幕式的順利進行，在開幕式當天還配備了數臺應急通信車。同時，為保證直播的順利進行，運營商還專門為移動網絡做了“帶寬保持”服務，保證直播中有充足的傳輸帶寬可用。為保證直播中信號傳輸，使用了業界領先的3G/4G音頻傳輸器。3G/4G網絡用于廣播級音頻信號傳輸還是存在一些挑戰，因為3G/4G網絡帶寬雖然較高，但在一個蜂窩中同時使用的用戶數太多，將造成基站帶寬飽和。在本次活動中，大約有10萬人次聚集在開幕式現場，3G/4G終端的實際帶寬可能無法滿足傳輸高質量音頻信號。因此所采用的音頻傳輸器所有內置和擴展通信線路，無論類型和制式，均可混合傳輸，互為冗余，最大程度保證傳輸穩定性，適應跨運營商的互聯互通問題。擴展無線通信模塊最大可支持4條不同通信運營商的線路，創新性地解決了將3G/4G網絡和其他IP網絡用于穩定可靠地傳輸高質量音頻的技術難題，通過同時使用不同3G/4G運營商的基站，極大地解決了單一基站帶寬容易飽和的問題。為實現移動點之間的信號傳輸，使用了服務器模式，即設備A服務器B；B服務器A。此時2臺傳輸器不分客戶端和服務端，傳輸時只要保證2臺機器均能使用移動網絡上網（連接到目錄服務器）即可。工作模式為A/B機器將音頻傳輸給服務器，服務器轉發給B/A機器。直播時確定各傳輸器都在線，設置為模式，連接到服務器，從服務器獲取一個ID，臺端/服務端將收取該ID的音頻信息，在客戶端填寫服務端獲取的ID號，就實現了個移動點之間的雙向限號傳輸。
5互動直播的實現
本次現場直播要求實現各方主持人和嘉賓的互動，為此，各點之間及各點到臺內直播間都需要實現雙向、雙工信號傳輸。經過幾輪的技術方案修改和實驗，采用以下方式實現信號的雙向傳輸：①固定點的衛星直播車與臺內直播間因為都有固定公網IP地址，因此可以自動完成雙向傳輸；②其他移動點沒有固定公網IP地址，使用移動網絡進行信號傳輸，采用了“服務器”模式，直播之前，租用某公司的云端服務器，通過云端服務器為各個移動點的音頻傳輸器獲得唯一的地址代碼，使各音頻傳輸器透過移動網絡可以“看到”對方，從而實現點與點之間的雙向傳輸。同時為各點的主持人配備了無線個人監聽系統，使主持人可以同步聽到現場直播內容。
6結束語
現場直播以往多以點對點直播為主，這次多點直播是首次完成。通過本次直播，經過技術人員的不懈努力，探索出了移動直播、多點直播及互動直播等多種直播新方式，積累了經驗，同時也發現了直播中的瑕疵，比如在音頻傳輸器與個人無線監聽系統配合使用時有大約0.5s的延遲，盡管不影響播出質量，但有時會讓主持人在互動環節感到不適應。在以后的使用中將不斷調整，不斷摸索，找出最終的解決辦法，使現場直播更安全，技術質量更完美，充分利用日新月異的新技術，把現場直播水平提升到一個新高度。
參考文獻
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衛星通信導論范文2
關鍵詞：公共安全；物聯網 ；移動互聯網；數字單兵；位置服務
中圖分類號：TN99 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2013）10-0070-03
0 引 言
物聯網技術的日新月異，成為推動我國經濟社會快速發展的重要引擎。發展面向公共安全的物聯網，對于公安機關提高打擊與預防犯罪，提高服務社會的能力具有重要的作用。公安物聯網以公安機關關心的“人、車、物、事件”等為感知對象，通過各類傳感器設備和公安信息化的信息、網絡資源，對相關信息進行全天候的自動采集、跨地域的全面共享，以及數據的融合、挖掘和處理，來實現自動化的識別、定位、跟蹤、監控和管理[1]。
公安部門的工作具有突發性、移動性、緊迫性等特點，廣大民警在外出執法及偵破案件、抓捕逃犯、核查車輛及打擊和預防犯罪時，利用移動警務設備實時采集、核實及綜合處理嫌疑人身份證件、人臉圖像、指紋、位置等信息，及時地訪問公安部門內部的警務信息來輔助破案和執行公務，極大地提高公安干警的高科技辦案水準和效率。因此，公安物聯網移動應用對于實現在任何時間、任何地點發生的任何公共安全事件進行有效感知，進而進行決策處理具有突出的作用，已成為公安工作的核心應用方向之一。
近年來，飛速發展的移動互聯網對公安物聯網移動應用產生巨大的牽引與推動作用。根據百度公司2013年一季度的研究數據，移動互聯網人均上網時間已超過個人電腦上網時間，這種趨勢還在逐漸擴大。移動互聯網應用主要集中在社交、瀏覽、搜索、影音、地圖、網購支付等方面[2]。公安物聯網移動應用是移動互聯網在公共安全行業的具體應用，移動互聯網的快速發展將催生大量的共性技術及應用模式，移植推廣到公安移動物聯網中加以運用。由于移動警務應用涉及行業敏感數據，必須與移動國際互聯網進行安全隔離，保證移動警務應用系統及數據安全。
公安數字化單兵系統（PDD）是公安物聯網移動應用的典型系統，其發展需要積聚與整合大量新興信息產業關鍵技術。該系統的發展對于實現傳統單警裝備向數字化時代轉型應用，提高廣大一線干警的執法效率與水平，提升服務社會的能力具有重要的作用。
1 公安物聯網移動應用業務體系
公共安全涵蓋面非常之廣，涉及交通、治安、戶籍、刑事偵查、出入境管理、預防打擊經濟犯罪、網絡安全監控、查緝、監獄管理等等，各個警種之間移動業務既有相同之處，更多的是自己的特色。公共物聯網移動應用模型既要體現共性，又要呈現各警種個性。
廣義上的公安物聯網移動應用應包括運用各種無線通信網絡為公安機關提供數據采集、處理、傳輸及業務應用，包括應用電信運營商的移動通信設施、公安數字集群的數據業務應用、應用衛星通信以及應急通信設施進行視頻采集傳輸等等。目前，公安機關常用的移動應用主要基于電信運營商的GSM/GPRS/ TD-SCDMA/WCDMA移動通信設施，應用安全邊界接入控制技術，接入公安專網實現，也可稱為狹義上的公安物聯網移動應用，在公安機關內部一般稱之為移動警務，即警用移動通信終端+移動通信網絡+公安安全邊界接入控制+公安信息網。移動警務業務體系主要包括：話音通信；移動電子警務，包括瀏覽、查詢、搜索等；現場執法，包括現場取證，如錄音、攝像、照相、采集識別各類證件，現場打印罰單，移動罰單支付；移動定位、地圖及導航服務；移動視頻采集與實時傳輸；移動指揮調度、移動任務分配、任務控制等。公安物聯網移動應用業務體系模型如圖1所示。
2 公安物聯網移動應用總體架構
根據物聯網的總體架構，公安物聯網移動應用總體架構也分為四個層次，分別是傳感層、通信網絡層、數據層以及應用服務層，如圖2所示。
公安物聯網主要感知對象為人、車、物、事件。感知的傳感器主要有聲音、圖像、視頻、RFID、指紋、位置、震動、速度等，隨著傳感器處理能力的不斷增強，基于異構融合智能傳感大大提升了數據采集與信息融合能力。
通信網絡層基于的通信網絡主要包括基于電信運營商的GSM/GPRS/ TD-SCDMA/WCDMA移動通信設施、公安機關的集群通信數據業務、衛星通信、340M應急無線寬帶通信、無線寬帶組網設施等，同時逐步實現多種異構通信網絡的融合通信能力。
數據層主要基于公安專網實現，利用公安信息數據庫、視頻數據、地理信息數據、社會共享數據、警情數據等，同時實現用戶管理、任務管理及資源管理等功能。
服務層主要實現公安物聯網移動業務，主要包括位置應用服務、移動執法、集群數據及音視頻服務、扁平化指揮、警情推送等。
3 公安物聯網移動應用關鍵技術
移動互聯網的快速發展極大地推動與牽引了公安物聯網移動應用，終端平臺、海量的移動應用程序以及成熟的商業應用模式，成為公安移動互聯網發展可借鑒參考的對象?；谖恢玫木瘎辗帐枪惨苿討藐P鍵方向之一，發展安全可信的警用終端是公安移動應用的特殊要求，實現多種異構寬帶通信融合是公安移動物聯網發展的方向。
3.1 基于位置服務的公安物聯網移動應用技術[3]
目前，在公安實戰中對移動人員和車輛定位追蹤是非常重要的業務需求。在人員精確管控方面，監管、消防、指揮等警務作業中都需要對人員位置的精確定位，尤其是在室內環境下的定位。在車輛定位跟蹤方面，需實現車輛的跨地域管理和服務，統一平臺在全國范圍內實現對盜搶車輛、走私車輛、套牌車輛、非法營運車輛、交通違章車輛等違法車輛的打擊，實現車輛運行狀態查控及軌跡回溯、重點防范區域的車輛準入管制、黑名單車輛偵查布控、區域通流實時獲取與交通預警、全樣本車輛信息自動采集與分析、全程交通違規章監管與數字化處罰管理等管理和服務。
公安機關現有的定位手段比較單一，對于多種定位技術融合使用的情況比較薄弱。而公安機關的應用，決定了需要整合室內外的多種定位技術，如衛星定位技術、基站定位技術、WiFi定位技術，RFID定位技術，開展LBS應用。通過整合多種無線定位技術，設計新型索引機制，探索高效不確定信息管理技術，以提供可靠、高效無縫的現代警務LBS服務，解決海量移動數據中存在的數據規模大、用戶多、更新頻繁、實時性要求高等難題，為公安LBS提供技術支撐。警用位置服務關鍵技術發展需求如下：
（1）警用位置服務業務需求分析技術。深入研究分析公安位置服務應用的現狀、不足及需求，細致分析該領域的技術發展趨勢，提出警用位置服務業務需求及趨勢。
（2）研究發展海量移動數據的組織技術。移動數據不同于文本數據和關系數據，需要研究有效的移動數據組織模型，進行可信的數據儲存表示，運用半結構化的XML數據來組織，分別表示地理數據、相關的位置變化及位置關聯等元數據，以一種有組織、易訪問的形式進行底層數據表示。
（3）研究新型索引技術。索引技術是影響LBS性能的關鍵技術，要研究針對移動對象數據的索引技術，尤其是針對不確定數據的索引技術。
（4）研究新型數據分析技術。要研究針對海量移動數據的分析方法，如聚類、數據挖掘等。從而為決策支持系統提供工具支持。
（5）研究無縫化的LBS服務技術。由于各種定位技術差異顯著，要研究針對多種定位技術的無縫化切換服務技術，使得場景切換對于用戶而言是透明的。
（6）面向LBS的警用移動數據管理支撐平臺的開發研制。目前的系統與平臺僅支持基于文本的數據儲存和簡單的文件讀取功能，如何對移動對象進行有效的數據服務管理，還是一個空白。要開發實現開放環境下的移動數據服務支撐平臺的關鍵技術，提供可靠的、可用的、可擴展的移動數據服務接口。
3.2 安全可信的警用終端技術[4]
安全可信是公安移動應用終端的基本要求，其需求主要包括終端操作系統的安全性，用戶數據和個人信息的安全性，語音信息的安全性，終端的應用軟件安全，終端的位置信息安全。
其中，終端安全技術需要以安全驗證系統為核心，配以安全存儲、安全傳輸、安全語音、抗攻擊、防騷擾、遠程防盜等為基本功能，身份認證、簽名認證、安全審計、備份/恢復為基礎，結合硬件TF智能卡加解密管理和物理保障等來設計的完整智能終端安全體系架構如圖3所示。
3.3 集群數字通信技術[6-9]
公安物聯網移動應用的另一種重要技術為集群通信技術，該技術擁有獨特的群呼、優先級等豐富的警用功能，是一種最具警察特色的通信手段，具有快速、便捷、可靠、靈活等特點，成為公安工作中不可替代的通信手段。與基于GSM/GPRS/TD-SCDMA/WCDMA警用移動通信技術不同的是，集群通信系統一般由公安部門組織建立，擁有系統的自主使用權。目前，我國警用數字集群系統已從模擬集群系統發展到數字集群系統，網絡結構上從相對獨立的系統向區域聯網發展，并已實現定位、指揮控制等多種數據應用業務。作為數字集群代表的TETRA系統已經在多個直轄市、省會級城市以及沿海發達城市建成使用。目前，我國在建TETRA系統主要供應商都為國外企業，受政治原因影響，這些企業不對中國開放加密接口，因此無法使用具有國密算法的加密設備。由于沒有加密，不能保證通信的安全性，雖然是公安無線專網，但因存在安全風險，仍不允許接入公安信息網進行數據通信。因此，基于數字集群的公安物聯網移動應用目前尚不廣泛。但是，實現數字集群與公安專網的互聯互通，是實現公安物聯網移動應用的一個努力目標。公安部門已于2008年開始嘗試發展具有自主知識產權的數字集群通信技術，期望能安全可信地實現公安信息專網與警用數字集群的互聯互通。
4 數字化單兵系統是公安物聯網移動應用典型系統
數字化單兵系統就是在公安現有單警裝備的基礎上，通過增配數字化設備或對現有裝備進行數字化改造，使單警裝備具有集采集、處理、傳輸、控制于一體的綜合能力，使外出執法辦案的干警通過多種無線通信手段，與警務中心及公安信息化平臺進行暢通無阻的雙向交流，提高警務作業效率，為服務社會、保障公共安全提供更為先進的技術手段。
公安數字化單警系統發展的總體思路是對警察的穿戴及裝備進行數字化設計改裝，使之具備較強的信息采集、處理、傳輸及控制等功能。發展具有中國特色的數字化單警系統必需結合中國實際，以公安服務實戰為宗旨，逐步改進發展，突破相關關鍵技術，實現單警裝備向數字化方向的更新換代。數字化單警技術由數字共性技術及相關警用專用技術組成。共性技術包括芯片技術、無線通信技術、移動操作系統、材料技術等。專用技術包括數字化單警系統一體化設計技術、數字單兵終端安全操作系統開發、移動環境下高效安全的自組織無線寬帶通信技術以及實現基于移動多傳感器的融合感知技術等。
5 結 語
公安物聯網移動應用目前尚處于初級階段，尚有較多關鍵技術需要突破，同時其應用模式也尚在不斷地探索創新。本文對公安物聯網移動應用發展進行了初步的研究，希望能推廣和推進公安物聯網移動應用工作，提高服務公安水平。
參 考 文 獻
[1]唐前進.物聯網總體架構及關鍵技術研究（協同融合）研究報告[R]. 上海：公安部第三研究所，2013
[2]百度移動·云事業部&百度商業分析部.百度移動互聯網發展趨勢報告2013Q1[R].北京，2013
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[7]蔣慶生.陳研. PDT在公安無線通信“模轉數”中的作用[J] 警察技術，2010（6）：23-26.
衛星通信導論范文3
關鍵詞:神經網絡; BP網絡; 天線; EDA
中圖分類號:TP18文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)15-0071-03
Application of Neural Network in Antenna Design
ZHANG Shan-shan
(Xi’an Institute of Electronic Engineering, Xi’an 710100, China)
Abstract: The application of neural network in antenna design is put forward because the processing speed of many antenna design softwares is not fast enough. A neural network-based optimization is to train the neural network with the input and output of a system, and by its associative memory self-learning function to make the output of the network is similar to the output of the original system in the case of the same input. In this way, the network can be used to simulate the output of the original system to achieve the fast calculation since the processing speed of neural networks is generally fast enough.
Keywords: neural network; BP network; antenna; EDA
0 引 言
隨著通信技術和計算機技術的日趨成熟和完善,微波通信、移動通信、衛星通信等無線通信都在高速的發展,人們預計無線通信將在通信行業占領愈來愈重要的地位。天線是無線通信領域中非常重要的元器件,對天線的研究是無線通信研究中的一個重要的課題。目前,有很多電磁仿真軟件可以用來輔助天線設計,應用較為廣泛的Agilent公司的ADS和Ansoft公司HFSS,分別基于矩量法(Method of Moments,MoM)與有限元法(Finite Element Method,FEM),均具有較精確的天線設計方案,但是處理速度一般都不是很理想。隨著天線設計的復雜程度提高,而設計周期卻在減小,提高微波EDA的處理速度成為迫切需要解決的問題。如果在不大幅度降低精確性的同時對處理速度進行改進,就要找到一種處理方法,它必須滿足兩點:第一,可以充分逼近任意復雜的非線性關系;第二,使得快速進行大量運算成為可能[1]。
而神經網絡就滿足這兩個條件,基于神經網絡的優化計算就是利用神經網絡的聯想存儲及自學習功能,以某一系統的輸入作為網絡的輸入,以這一系統的輸出作為網絡的目標,反復訓練網絡,最終使網絡具有與原系統相似的輸出。這樣,在相同的輸入下,就可以用網絡的輸出來模擬原系統的輸出。這里以天線設計中某些要變化的參數作為網絡的輸入,以天線的某些性能指標為網絡的訓練目標,用少量的原始數據(由微波EDA得出)訓練網絡,直到誤差符合要求,并且用一定量的數據來測試網絡,以確保網絡的輸出接近真實值。訓練完畢后,就可以用所訓練的網絡來代替原EDA進行計算,而神經網絡的處理速度要快得多,從而達到了加速的目的。
1 神經網絡簡介
人工神經網絡(Artificial Neural Network,ANN)早期的研究工作應追溯至20世紀40年代,W.Mcculloch和W.Pitts首先提出神經元的數學模型。1982年和1984年美國物理學家Hopfield在美國科學院院刊上發表了兩篇關于人工神經網絡研究的論文,引起了巨大的反響。隨即,一大批學者和研究人員圍繞著 Hopfield提出的方法展開了進一步的工作,形成了上世紀80年代中期以來人工神經網絡的研究熱潮[2]。
表征神經網絡需要3個方面:網絡拓撲結構、神經元特性、以及學習(或訓練)方法。人工神經網絡是由簡單的處理單元所組成的大量并行分布的處理機,這種處理機具有存儲和應用經驗知識的自然特性,它與人腦的相似之處概括為兩方面:一是通過學習過程利用神經網絡從外部環境中獲取知識;二是內部神經元用來存儲獲取的知識信息[3]。
2 天線饋電匹配設計
微帶貼片天線以其體積小、重量輕、易與載體共形、電氣性能多樣化等特點,在無線通信領域得到越來越廣泛的應用,因此,本文以貼片天線的貼片尺寸對S11參數影響為例說明神經網絡在天線饋電匹配設計中的應用。
利用Ansoft公司HFSS建立天線模型,如圖1所示?；?中心坐標(-30,-30,0) mm,x軸90 mm,y軸80 mm,z軸1.6 mm,介電常數4.4。貼片:中心坐標(0,0,1.6) mm,x軸37.5 mm,y軸25 mm。饋電探針:中心坐標(2.76,10,0) mm,方向z軸,直徑0.63 mm,高16 mm。接地探針:中心坐標(1,10,0) mm,方向z軸,直徑0.32 mm,高1.6 mm。以貼片長寬為變量,設為fx,fy,在本例中fx范圍[3.5,4.0] cm,步長01 cm;fy范圍[2.2,2.7] cm,步長01 cm;頻率范圍[22,24] GHz, 步長0002 GHz。以fx,fy,f為變量進行掃描,共掃描點數:3 636個。
圖1 貼片天線HFSS模型
目前,神經網絡結構的選擇尚無一種統一而完整的理論指導,一般只能由經驗選定。而網絡的結構直接影響網絡的逼近能力及推廣性質。因此,應用中如何選擇合適的網絡結構是一個重要的問題。本文中采取三層的BP網絡,BP網絡實質上是實現了一個從輸入到輸出的映射功能,而數學理論已證明它具有實現任何復雜非線性映射的功能。這使得它特別適合于求解內部機制復雜的問題,而且網絡能通過學習帶正確答案的實例集自動提取合理的求解規則,即具有自學習能力,并具有一定的推廣、概括能力[4]。
為了使網絡收斂速度加快對訓練樣本(輸入和輸出),一般采取先歸一化再訓練的方法[5],即樣本的取值范圍都是[0,1]。中間層訓練函數tansig,輸出層訓練函數tansig的定義域都是[-1,+1],都包括了樣本的取值范圍。在這里學習函數設為trainlm收斂速度較其他學習函數要快。誤差設為0000 1,是因為訓練樣本采取了先歸一化再訓練的方法,其結果的誤差會隨著反歸一化變換時被放大,所以目標誤差設定要小一點,但是不能太小,否則會產生過擬和現象。
Matlab程序(BP網絡的訓練部分):
net=newff(Pr,[75,1],{′tansig′,′tansig′},′trainlm′); net.trainParam.epochs=1 500; net.trainParam.goal=0000 1;
net.trainParam.show=1; net.trainParam.lr=0.08; net =train(net,p,T);
網絡的逼近、推廣能力同學習樣本的典型性密切相關,而從問題中選取典型樣本實例組成訓練集是一個很困難的問題。一般來說,要保證BP網絡模擬曲線逼近原參數曲線,在選取訓練點時注意兩個條件:第一,盡量使訓練點分布平均,即在各個S參數曲線上的訓練點盡量相等[6];第二,盡量在S參數曲線上保持平均分布。本文為了說明BP網絡性質是隨機選取的訓練點,可能不滿足這兩個條件,但是在應用HFSS時,就可以在平均在各個S參數曲線上取訓練點,而且在各個S參數曲線上按一定步長選取訓練點,這樣就可以保證上述兩個條件,使BP網絡模擬曲線盡量逼近原參數曲線,獲得一定數量的預測值[7]。
2.1 改變樣本點數量
圖2為樣本點為2 500時的模擬S11曲線。圖3為樣本點為1 500時的模擬S11曲線。訓練誤為差0000 1,學習效率為008,中間層數為75,中間層訓練函數tansig,輸出層訓練函數tansig,學習函數trainlm。
圖2 樣本點為2 500時的模擬S11曲線
由圖2,圖3可知,在訓練目標誤差為0000 10的情況下,用1 500個點頻值模擬3 600個值的S11參數曲線,減小了多一半的工作量,可以看出,隨著樣本數量的減少,網絡逼近能力變差。
一般來說,隨著樣本數量的減少,網絡的泛化能力將變差。泛化能力差,預測能力(也稱逼近能力)也差,并且一定程度上,隨訓練能力地提高,預測能力也提高。但這種趨勢有一個極限,當達到此極限時,隨訓練能力的提高,預測能力反而下降,即出現所謂“過擬合”現象[8]。此時,網絡學習了過多的樣本細節,而不能反映樣本內含的規律。
圖3 樣本點為1 500時的模擬S11曲線
2.2 改變中間層數量
圖4(a)是中間層為200的情況,訓練目標誤差為0000 10,訓練達到目標誤差所用步數為98步。圖4(b)是中間層為75 的情況,訓練目標誤差為0000 10,訓練達到目標誤差所用步數為153步。圖4(c)是中間層為50的情況,訓練目標誤差為0000 10,訓練達到目標誤差所用步數為512步。
由圖4可知,中間層數量對訓練函數所用迭代次數有影響,這實質上是網絡容量的可能性與可行性的關系問題,即學習復雜性問題。同時中間層數量對訓練函數的收斂性也有重要的影響,中間層數過少,可能會導致訓練函數過程的不收斂[9]。從數學角度看,BP算法為┮恢知局部搜索的優化方法,但它要解決的問題為求解復雜非線性函數的全局極值,因此,中間層數量過少時,算法很有可能陷入局部極值,使訓練失敗[10]。
2.3 改變學習效率
圖5(a)是學習效率為0.08的情況,訓練達到目標誤差所用步數為153步。圖5(b)是學習效率為0.04的情況,訓練達到目標誤差所用步數209步。圖5(c)是學習效率為0.02的情況,訓練達到目標誤差所用步數為296步。
由圖5可知,學習效率對BP網絡預測效果,即泛化能力影響不大,對訓練達到目標誤差所用迭代次數有影響。由于BP算法本質上為梯度下降法,而它所要優化的目標函數又非常復雜,因此,隨著學習效率降低,必然會出現鋸齒形現象,這使得BP算法低效,而且由于優化的目標函數很復雜,它必然會在神經元輸出接近0或1的情況下,出現一些平坦區,在這些區域內,權值誤差改變很小,使訓練過程幾乎停頓,即存在麻痹現象[7]。
圖4 不同中間層數的模擬S11曲線
圖5 不同學習效率下的模擬S11曲線
3 結 語
本文以計算貼片天線的S11參數為例,具體說明了神經網絡(這里用的是BP網絡)在天線設計中的應用, 基于神經網絡的優化計算是用某系統的輸入輸出來訓練網絡,利用神經網絡的聯想存儲及自學習功能,在相同的輸入下,使網絡具有與原系統相似的輸出。這樣,就可以用網絡的輸出來模擬原系統的輸出,而神經網絡的處理速度一般來說是很快的,從而達到加快計算的目的。隨著天線設計的復雜程度提高,設計周期在減小,本方法具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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關鍵詞：教師教育；日本；特征；借鑒
教師教育質量直接關系到教師素質的培養，影響著教師上崗后的育人質量。近年來，隨著我國教師教育培養機構的開放化和高師院校發展的綜合化，教師教育質量已經成為人們關注和研究的主要內容。明治時期，日本就提出了教師持證上崗的規定。第二次世界大戰后，日本《教師資格鑒定合格證書》的實施，使教師教育走向更為規范化的道路，積累了豐富的經驗，這對我國教師教育的改革與發展提供了借鑒。
一、日本教師教育的主要特征
(一)完善的教師教育課程體系
課程是教師教育活動賴以開展的主要依托和重要載體，完善的課程體系是確保教師教育的基本前提，日本不斷加強教師教育課程種類和課程結構的改革，突顯出以下特征：
一是課程類型多樣化。20世紀70年代，日本就已經形成了由基礎教育科目(普通教育和學科專業課的混合)、共同教育科目(相當于教育專業課)和專修專業科目(類似專業課程)組成的教師教育課程體系，為教師教育提供了依據。目前為止，日本大學教師教育課程主要由九類構成：(1)有關教育的本質及目標的課程，如教育原理、教育理論、教育基礎論、教育哲學等；(2)有關青少年身心發展及學習過程的課程，如教育心理學、發展與學習心理學、教育一青年心理學等；(3)有關學生指導、教育商談指導的課程，如生活指導論、教育指導論、學生指導一心理輔導等；(4)有關教育方法及技術(包括靈活運用情報機器及教材)的課程，如教育工學、教育媒介論、視聽覺教育、學習指導論、教育實踐論等；(5)有關學科教育法的課程，此類科目沒有特別規定，由各學校根據各自學科自行設定；(6)有關教育與社會、制度、經濟有關的課程，如教育史、教育法學、社會教育、教育經濟學等；(7)有關特別活動的課程，此類科目沒有特別規定，由各學校自行設定，但要進行課外活動的研究；(8)有關教育實習課程，如教育實踐研究、教育設計等；(9)其他課程，主要用于學生選修。如終身學習論、人權教育研究、教師表現法、環境教育、社會教育、教職演習、視聽覺教育等。
二是教育類課程比重不斷加大。1997年7月，日本教育職員養成審議會通過了《關于面向新時代的教員養成改革策略》咨詢報告，加強教師教育課程改革，加大教育類課程的比例，增設了“與執教學科或教職相關的科目”，進一步完善教師教育課程體系。1998年以來，隨著日本《部分修改教職員許可法》《關于在與教育有關職員研修中推進活用衛星通信》《積極活用碩士課程的師資培養，推進現職教師的再教育》等政策、條例的頒布，教師教育的課程結構得到調整，減少了學科專業課程，加大了教育專業課程的比重。以初中教師教育專業課程增加幅度最大，由原來的1分增加到31學分，高中教師教育專業課程學分也增加了4學分。教育專業課程的增加，使學生有充足的時間進行教育類課程的學習，教師教育的職業特點進一步加強。
三是針對教師未來就業取向的不同，調整課程結構。培養小學和幼兒園的教師比較注重教育技能、技巧等教學藝術類課程的比例，培養初中和高中的教師比較關注專業課程以及教育理論課程的設置。為培養具有全球行動能力的教師，日本教師教育還開設了屬于“綜合演習”課程。這類課程是基于全球化時代所面J臨的地球環境、多元文化、地域糾紛、人類生存等人類共同關注的課題所設置的課程，通過相關內容的學習和虛擬情景的設置，使學生對國際環境及不同國家的教育現象有所認識，為今后開展相應教育莫定基礎。
(二)規范的實踐教學環節日本十分重視教師教育的實踐環節，在教育職員養成審議會的咨詢報告中，曾多次增加教育實習的比重和各類教師資格培訓課程的教育實踐學分，并明確規定，要取得小學和初中教師的資格證書，必須取得5個教育實習學分，占課程學分總數的20％；要獲得高中教師資格，則必須取得3個教育實習學分，占課程學分總數的13％。在內容上，已不局限于專業知識的運用，而更重視教師能力的測試、人品的考察、個性的評價，音、體、美、外語、計算機等技能水平的測驗，以及處理教材、板書、編寫教案、課堂教學等實際教學能力的考核。日本教師教育實踐時間一般為15周以上，其中見習時間一般在7周左右，實習時間一般在8周以上；主要采取分散式和連續式兩種方式進行。分散式通常安排在學年末，主要進行集中的強化式職業技能訓練。連續式一般安排在學期末，依據課程內容進度進行階段性的職業能力訓練；日本愛知教育大學提出了“四年實習制度”，即由原來的在第三年為期五周的教育實習，改為由第一年為“體驗實習”、第二年為“基礎實習”、第三年為“教育實習”、第四年為“研究實習”構成的實踐教學體系，并相應增加了教學實踐時間。
為確保實踐教學質量，日本教師教育機構十分重視與中小學實踐基地的交流與溝通，共同成立教師教育實訓研究組織。高校研究者可以隨時深入中小學，及時了解中小學的需要；中小學也能及時得到高校信息或指導，共同提高實踐教學質量。在實踐教學評價上，注重評價的全面性，內容上不僅評價學生的學科專業知識，還對學生的教學組織、教學管理、教學創新等方面的能力進行評價；方法上不僅采用考試的辦法，還采取觀察、座談、測評等靈活的評價方法；結果是既有數量上的嚴格評判，又有文字上的定性描述。
(三)嚴格的教師資格認證制度
教師資格認證是教師專業化的重要體現，是教師教育質量的重要保障。嚴格、科學的教師資格認證是日本教師教育的又一特征。其主要表現在兩個方面：一是具有較高的教師任職標準。日本《教師許可法》對教師任職學歷作了明確的規定：中小學教師必須是大學畢業者，且要經過國家規定標準的考試，合格者才能取得教師資格。1983年，日本《關于改善教員的培養和許可制度》對教師任職資格提出了新的要求：與高中教師許可證一樣，給幼兒園、小學、初中和聾啞校、盲校、養護學校的教師增設以“碩士學位”為基本資格的教師許可證，促進了日本教師學歷層次的提高。二是建立了明晰的資格等級制度。20世紀40年代至80年代初，日本的教師許可證分為“普通許可證”和“臨時許可證”兩種。“普通許可證”又分小學教育、初中教育和高中教育三種，每一種又分為一級和二級。1983年日本首相中曾根在國會總選舉中提出“教育改革七條設想”，把教員許可證分為三種，即“標準許可證”、“初級許可證”和“特修許可證”。1989年4月，日本頒布的《教育職員許可證法》中將教師資格證書等級劃分為三種類型：“專修許可證”、“一種許可證”、“二種許可證”；其中獲得“專修許可證”的基礎是達到研究生院碩士課程結業程度，目的在于促使研究生院
結業者任教，并鼓勵在職教師進修?！耙环N許可證”的獲得要求是大學本科畢業者；“二種許可證”的獲得者要求必須是短期大學畢業者。同時，為實現適應學校教育多樣化，新設“特別許可證”，目的在于招聘有社會經驗者任教，主要集中于小學音樂、圖畫、體育和高中電子計算機等課程。一種資格證書則是一種標準資格，二種資格證書的獲得者則必須不斷提高，方能獲得標準資格。這種清晰的資格層級制度，可以遴選出適合某一層級的優秀教師，同時也激勵教師向高一層級努力。
二、日本教師教育對我國教師教育的啟示
他山之石，可以攻玉，日本教師教育的成功經驗，給我們以下啟示。
(一)重構教師教育課程體系
重構課程體系，就是對目前教師教育課程體系進行革命性調整，從根本上改變以“老三門”為標簽認識教師教育的滯后理念，重新建構教師教育的課程模塊及其運行機制。要以系統的觀點，加強教師教育的獨立性思考，建議加快確立“教師教育”二級學科的地位，實施重點建設。借鑒日本教師教育的成功經驗，實施“寬、精、新、強”的改革應成為目前教師教育課程改革的主要著力點。
寬，一是專業基礎知識寬，加快建立與學科內容密切相通的基礎課程體系，培養學生寬厚的專業基礎。每個專業的建設要首先明確專業知識的構成體系，厘清其間的內在邏輯、主次關系，依次確立相應的課程和內容。二是綜合文化素質課程涉獵要寬，對于理工類的學生要加強社會學、文化學的課程設置，對人文類學生要加強數學、科學學科等相關課程建設，做到文理相通、相容。
精，一是專業主干課程要精選，以構成專業基礎的核心內容為主線，重構課程內容，去除重復、交叉部分，精簡課程門數，精選課程內容；二是對于核心課程、重點內容要做到教師精講、學生精練，“講”、“練”結合，把學科專業知識和教師必備的教學素養融會貫通。
新，即課程名稱與課程內容要緊跟時展，要反應學術研究的最新成果，陳舊過時、“正確廢話”的內容要予以刪除。尤其是教師基本功的練習，在傳承傳統“三字一話”的基礎上，應加強現代教育技術運用技能的培養，充分發揮現代教育技術的教學促進作用。
強，是指強化教師教育類課程設置，在優化傳統教育類課程的基礎上，突出教師職業養成、職場中的職業道德、教師職業及其使命等課程的開設，提高教師的專業綜合素養。
(二)加大實踐教學環節改革
一是調整實踐時間。目前我國教師專業技能實踐環節時間一般在12學分，占總學分比重不足lO％，且集中在第七或第八學期。由于第七學期學生面臨考研、撰寫畢業論文，第八學期學生要參加考研復試、就業等學生密切關注的事項，結果使應有的實踐時間既得不到保障，也不能使學生安心實習，學生在實習中得不到真正的鍛煉，專業技能不能切實提高。學習日本的經驗，建議進一步增加教師教育實踐環節比重，力爭使實踐環節學分達到總學分的15％左右，約20周。時間分布上采取分散與集中相結合的方式進行，把實踐環節融入每個學期。
二是加強實踐基地建設。做好高校與實踐基地的協調與溝通，增強實踐的計劃性和目的性。把實踐基地建設納入教學基礎建設，堅決消除“這是實習基地的事情”的偏頗認識，加強投入和溝通，多思考、多運作。不斷加大實踐基地硬件投入，尤其是微格教室、教學研究室以及相關教學設備、場所的建設，搭建師生交流實踐教學體驗的空間和平臺。
三是完善并落實好實習考評制度。學生教學實踐成效考核的主體理應包括教師教育機構的指導教師、實踐基地指導教師、實踐對象、實踐學生自身四大主體，而目前只是關注了前兩者的評價。實踐效果如何，應該由實踐對象(實習基地的學生)進行評價，而在實踐考核制度上，該主體評價一直處于忽略狀態；同樣，實習學生的自我評價也沒有重視起來，學生主體反思沒有發揮應有的作用。完善多元化主體考核機制，加大考核的客觀性、規范性，抵制隨意性。
(三)修訂教師資格證書制度
一是提高任職教師的學歷要求。我國《教師法》規定，取得小學教師資格，應當具備中等師范學校畢業及其以上學歷；取得初級中學教師、初級職業學校文化、專業課教師資格，應當具備高等師范?？茖W?；蛘咂渌髮W?？飘厴I及其以上學歷；取得高級中學教師資格和中等專業學校、技工學校、職業高中文化課、專業課教師資格，應當具備高等師范院校本科或者其他大學本科畢業及其以上學歷。值得肯定的是，《教師法》的頒布規范了教師資格認證制度，對于提高教師學歷層次起到了很大的推進作用。十多年來，隨著高等教育大眾化的推進和三級教師教育制度向兩級教育制度的順利轉變，目前新任教師的學歷層次已遠遠高于法律規定。在學歷上要求上，《教師法》對教師任職資格的制約作用已經不大；相反，由于較低的門檻，使部分臨學歷界值的人員占據了較多崗位，造成多數高學歷畢業生難以上崗。為此，加快修訂教師法，提高教師學歷的準入條件，勢在必行。
二是明確教師實踐教學技能任職標準。我國《教師資格條例》對非師范院校畢業生從事教師職業，提出了進行“面試和試講，考察其教育教學能力；”以及“補修教育學、心理學等課程”的要求，然而對實踐教學經歷和應達到的學分和等級要求沒有做出明確的規定。在教師遴選上，實踐教學技能考核成為彈性最大的部分，公立學校比民辦學校更加明顯。學習日本的經驗，教師上崗以前，有必要增加“臨床”教學經歷的考察內容，強化教師職業的實踐生成性；對不具備教師任職條件的人員，不能進人教師行列。
