时间:2023-01-09 02:53:37
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在发端输人的信息先调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱,展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩,再经信息解调,恢复成原始信息输出。可见,一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较,多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征:(1)数字传输方式;(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽;(3)带宽的展宽,是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的;(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩),求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。
二、扩频通信技术的特点
扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号,其带宽远大于要传输的数据(信息)带宽,同时接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频系统具有以下特点。
1.抗干扰性强
扩频信号的不可预测性,使扩频系统具有很强的抗干扰能力。干扰者很难通过观察进行干扰,干扰起不了太大作用。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽,所以即使信噪比很低,甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下,仍能不受干扰、高质量地进行通信,扩展的频谱越宽,其抗干扰性越强。
2.低截获性
扩频信号的功率均匀分布在很宽的频带上,传输信号的功率密度很低,侦察接收机很难监测到,因此扩频通信系统截获概率很低。
3.抗多路径干扰性能好
多路径干扰是电波传播过程中因遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起的反射或散射,在接收端的这些反射或散射信号与直达路径信号相互干涉而造成的干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程,利用扩频码序列间的相关特性,在接收端解扩时,从多径信号中分离出最强的有用信号,或将多径信号中的相同码序列信号叠加,这样就可有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象,使扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。
4.保密性好
在一定的发射功率下,扩频信号分布在很宽的频带内,无线信道中有用信号功率谱密度极低,这样信号可以在强噪声背景下,甚至在有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信,使外界很难截获传送的信息,要想进一步检测出信号的特征参数就更难了.所以扩频系统可实现隐蔽通信。同时,对不同用户使用不同码,旁人无法窃听通信,因而扩频系统具有高保密性。
5.易于实现码分多址
在通信系统中,可充分利用在扩频调制中使用的扩频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性,接收端利用相关检测技术进行解扩,在分配给不同用户不同码型的情况下,系统可以区分不同用户的信号,这样同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。三、扩频技术的发展与应用
在过去由于技术的限制,人们一直在走增加信号功率,减少噪声,提高信噪比的道路。即使到了70年代,伪码技术已经出现,但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事.近几年,由于大规模集成电路的发展,几十兆赫兹,甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实,扩频通信获得极其迅速的发展.通信的发展史又到了一个转折点,由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代.从最佳通信系统的角度看扩频通信.最佳通信系统一最佳发射机+最佳接收机.几十年来,最佳接收理论已经很成熟,但最佳发射问题一直没有很好解决,伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度,构成了最佳发射机.因此,有了最佳通信系统一伪码扩频+相关接收这种认识,人们就不难预测扩频通信的未来前景.从9O年代无线通信开始步人扩频通信和自适应通信的年代.扩频通信的热浪已经波及短波、超微波、微波通信和卫星通信,码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路,发挥越来越大的作用.接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统,逐步发展、演变和升级而形成的.现代电信网络分为3部分:传输网、交换网和接入网.由于接入网发展较晚,往往成为电信发展的“瓶颈”,各国都很重视接入网的发展,因此各类接人技术和系统应运而生.由于ISM(IndustryScientificMedica1)频段的开放性,经营者和用户不需申请授权就可以自由地使用这些频段,而无线扩频技术所使用的频段(2.400~2.483)正是全世界通用的ISM频段,包括IEEE802.11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段.在无线接人系统中,扩频微波与常规微波相比有着3个显著的优点:抗干扰性强、频点问题容易处理、价格比较便宜.而且,扩频微波接入技术相对有线接入技术来说,有成本低、使用灵活、建设快捷的优势,在接入网中起着不可替代的作用.
扩频微波主要应用在以下几个方面.语音接入(点对点);数据接入;视频接入;多媒体接入;因特网(Internet)接入。
四、结语
扩频通信是通信的一个重要分支和发展方向,是扩频技术与通信相结合的产物。本文主要论述了扩频通信的特点、理论可行性及典型的工作方式。扩频通信的强抗干扰性、低截获性、良好的抗多路径干扰性和安全性等特点,使它的应用迅速从军用扩展到民用通信中,它的易于实现码分多址的特点,使它能与第三代移动通信系统完美结合,发展前景极为广阔。
参考文献:
2移动AdHoc技术原理
2.1移动AdHoc主要特点
移动AdHoc网络有以下几个显著的特征:a节点的移动性。网络中的每个节点并非静止不动,每一个节点都可以独立地做随机的运动。b动态的网络拓扑结构。由于网络中的每一个节点都可以自由地、相对对立地运动,使得AdHoc网络没有固定的拓扑。更糟糕的是,网络拓扑的改变是随机的、频繁的,而且是不可预测的。c传输带宽受限且链路的容量是时变的。通常情况下,无线链路的容量比相应的有线链路的容量低很多。如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声和干扰等不利因素的影响,实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低很多。d节点能量受限。一般来说,AdHoc网络的节点都是一些便携式的移动终端,它们都要靠随身携带的电池或者其他消耗性的手段提供能源。为了能够延长节点的运行时间,一个最重要的系统设计准则就是要尽量的节约能量,采用较小的发射功率。分布式随机接入协议,节点基于信道忙闲状态的监测结果来决定是否发送分组。由于在AdHoc网络中,每一个节点的无线覆盖范围是有限的,因此简单的采用CSMA多址接入方式不可避免地带来了隐藏终端和暴露终端问题,如图2所示。隐藏终端问题是在目的节点的载波监听范围内而未在源节点监听范围内,在目的节点处发生冲突;暴露终端问题是在源节点的载波监听范围内而未在目的节点监听范围内,在源节点处发生冲突。图1移动AdHoc网络示意图以上这些特点决定了AdHoc网络独特的运行机制,其网络示意图如图1所示。由于每一个节点的无线覆盖范围相对整个网络的覆盖区域来说较小,那么网络中从一个节点到另一个节点可能要经过多个其他节点的转发,也就是说是多跳的。网络中不存在固定的路由器,每一个节点在完成自身的功能之外,还必须充当一个路由器,转发其他节点的分组。网络的运行是完全分布式的,与网络的组织和控制有关的任务被分配到各个节点。AdHoc网络中无需中心控制实体,所有的协议只能分布式的运行。
2.2移动AdHoc多址接入技术
多址接入技术是一种用来解决多个用户共享一个通信信道的技术。多址接入技术是否设计得当或者选择合理直接影响到无线资源的利用率和通信质量。根据对无线信道共享的方式不同,多址接入技术可以分为三大类:固定多址接入(如FDMA,TDMA等);随机多址接入(如ALOHA,CSMA),预约型的多址接入(如PRMA,DSA等)。目前,在AdHoc网络中的多址接入协议通常都是基于载波侦听的随机多址协议CSMA。CSMA是一种简单的图2隐藏终端问题和暴露终端问题移动AdHoc网络在MAC层和PHY层采用的典型协议是IEEE802.11系列协议。IEEE802.11的MAC协议具有两种信道接入方式:分布式协调方式DCF和点协调方式PCF。其中DCF为竞争型的信道访问机制;PCF为无竞争的信道访问机制,有中心控制点(通常成为AP)进行集中控制。DCF中采用载波检测与碰撞避免(CSMA/CA)协议,其中有两种基本的信道接入方式:简单的CSMA方式和增强型的接入方式(即RTS/CTS方式)。基本的CSMA/CA协议采用两次握手机制,接收方正确接收业务分组后,立即发送ACK。而发送方收到该ACK后,就知道业务分组己被成功接收。在增强型接入方式中,RTS/CTS方式采用四次握手机制,即在发送有效数据之前,先通过采用RTS/CTS预约信道。这样不仅能够解决发送长业务分组时发生分组碰撞导致信道利用率急剧下降的问题,而且可以有效减少“隐藏终端”问题。在增强型接入方式中如果在发送完RTS的规定时间内没有收到CTS,则发送节点认为RTS发送出错。在这两种情况下,发送节点都会按照“二进制指数退避算法”进行退避与重传操作。
2.3移动AdHoc路由技术
移动AdHoc网络中的路由技术给网络的设计和维护都提出了严峻的考验。这主要是由于在移动AdHoc网络中节点是运动的、网络节点间的通信需要进行多次中继、无线链路的不可靠性以及供电设备能量的限制。移动AdHoc网络的路由必须在受到多重约束条件和动态环境下,能够保证数据的可靠传输。因此,动态分布式的路山算法成为了AdHoc网络中研究的一个关键问题。路由协议主要分为单播路由和多播路由算法,其中以单播路由应用最为广泛。所谓的单播路由,实际上就是从网络中的某一个节点到另一个节点的可用路径。传统的路由算法基本上是为有线网络设计的,没有考虑到网络的动态特性。移动AdHoc网络还面临着无线信道的不可靠性、高速移动环境下链路频繁出现故障以及节点的有限电能等情况。很显然,上述这些传统的路由算法不可能直接应用到AdHoc网络中。更为重要的是,传统的路由算法中都存在着一些致命的缺陷,如路由闭环、收敛速度慢等问题,因此,我们必须研究新的路由策略来适应移动AdHoc网络的特殊性。
总的来说,单播AdHoc路由算法分为三种,具体分类见图4。(1)平面式路由(FlatRouting)算法,即网络中的所有节点都处于同一层次上,各节点获得的网络中的路由信息基本相同。我们又根据其设计的具体原则进一步的将平面式路由分为ProactiveRouting算法和ReactiveRouting算法。(2)分层路由(HierarchicalRouting)算法,即网络按一定的规则分为多个不同的层次,在不同层次中又可以有不同的路由策略。分层的路由策略比较容易进行网络规模的扩充。(3)地理位置辅助的路由(GeographicpositionassistedRouting)算法,即网络中的节点可以获得.
3移动AdHoc应用展望
由于移动AdHoc网络不需要架设固定的通信基础设施,组网迅速、灵活,抗毁性强,因此具有极高的军用价值和商用价值。
(1)军队通信系统需要具有抗毁性、自组织性和机动性。移动AdHoc网络不依赖固定的有线设备,节点自行组织和管理。采用分布式技术,即使网络中某些节点或链路发生故障,也可以通过其他节点继续通信,很适合战场的恶劣通信环境,另外移动AdHoc网络组建简单、迅速、机动性强。因此,移动AdHoc网络技术已经成为数字化战场通信的首选技术。
(2)在地震、洪水、台风等自然灾害发生后,固定的通信网络设施可能被毁坏而无法正常工作。这时就需要移动AdHoc这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术来满足抢险救灾的通信需要。另外,移动AdHoc还可用于临时通信需求,如商务会议中参会人员之间的通信交流等。
(3)与移动通信系统的结合。移动AdHoc网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合,利用移动节点的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围,均衡相邻小区的业务量,提高小区边缘的数据速率等。
(4)个域通信。可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信。还可用于个人局域网之间的多跳通信,蓝牙技术中的超网、VANET就是典型的应用案例。
(5)传感器网络。传感器网络是移动AdHoc网络技术的一大应用领域,很多应用场合的传感器网络只能使用无线通信技术,同时受体积和节能的图3DCF工作时隙及原理图点的地理位置信息,通过这些信息可以有效的减低路由算法中用户路由建立或维护的开销。影响,传感器的发射功率不可能很大。使用移动AdHoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成移动AdHoc网络。可以很好地实现信息的传递和收集。
一、扩频通信的工作原理
在发端输人的信息先调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱,展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩,再经信息解调,恢复成原始信息输出。可见,一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较,多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征:(1)数字传输方式;(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽;(3)带宽的展宽,是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的;(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩),求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。
二、扩频通信技术的特点
扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号,其带宽远大于要传输的数据(信息)带宽,同时接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频系统具有以下特点。
1.抗干扰性强
扩频信号的不可预测性,使扩频系统具有很强的抗干扰能力。干扰者很难通过观察进行干扰,干扰起不了太大作用。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽,所以即使信噪比很低,甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下,仍能不受干扰、高质量地进行通信,扩展的频谱越宽,其抗干扰性越强。
2.低截获性
扩频信号的功率均匀分布在很宽的频带上,传输信号的功率密度很低,侦察接收机很难监测到,因此扩频通信系统截获概率很低。
3.抗多路径干扰性能好
多路径干扰是电波传播过程中因遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起的反射或散射,在接收端的这些反射或散射信号与直达路径信号相互干涉而造成的干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程,利用扩频码序列间的相关特性,在接收端解扩时,从多径信号中分离出最强的有用信号,或将多径信号中的相同码序列信号叠加,这样就可有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象,使扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。
4.保密性好
在一定的发射功率下,扩频信号分布在很宽的频带内,无线信道中有用信号功率谱密度极低,这样信号可以在强噪声背景下,甚至在有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信,使外界很难截获传送的信息,要想进一步检测出信号的特征参数就更难了.所以扩频系统可实现隐蔽通信。同时,对不同用户使用不同码,旁人无法窃听通信,因而扩频系统具有高保密性。
5.易于实现码分多址
在通信系统中,可充分利用在扩频调制中使用的扩频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性,接收端利用相关检测技术进行解扩,在分配给不同用户不同码型的情况下,系统可以区分不同用户的信号,这样同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。
三、扩频技术的发展与应用
在过去由于技术的限制,人们一直在走增加信号功率,减少噪声,提高信噪比的道路。即使到了70年代,伪码技术已经出现,但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事.近几年,由于大规模集成电路的发展,几十兆赫兹,甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实,扩频通信获得极其迅速的发展.通信的发展史又到了一个转折点,由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代.从最佳通信系统的角度看扩频通信.最佳通信系统一最佳发射机+最佳接收机.几十年来,最佳接收理论已经很成熟,但最佳发射问题一直没有很好解决,伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度,构成了最佳发射机.因此,有了最佳通信系统一伪码扩频+相关接收这种认识,人们就不难预测扩频通信的未来前景.从9O年代无线通信开始步人扩频通信和自适应通信的年代.扩频通信的热浪已经波及短波、超微波、微波通信和卫星通信,码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路,发挥越来越大的作用.接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统,逐步发展、演变和升级而形成的.现代电信网络分为3部分:传输网、交换网和接入网.由于接入网发展较晚,往往成为电信发展的“瓶颈”,各国都很重视接入网的发展,因此各类接人技术和系统应运而生.由于ISM(IndustryScientificMedica1)频段的开放性,经营者和用户不需申请授权就可以自由地使用这些频段,而无线扩频技术所使用的频段(2.400~2.483)正是全世界通用的ISM频段,包括IEEE802.11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段.在无线接人系统中,扩频微波与常规微波相比有着3个显着的优点:抗干扰性强、频点问题容易处理、价格比较便宜.而且,扩频微波接入技术相对有线接入技术来说,有成本低、使用灵活、建设快捷的优势,在接入网中起着不可替代的作用。扩频微波主要应用在以下几个方面.语音接入(点对点);数据接入;视频接入;多媒体接入;因特网(Internet)接入。
四、结语
扩频通信是通信的一个重要分支和发展方向,是扩频技术与通信相结合的产物。本文主要论述了扩频通信的特点、理论可行性及典型的工作方式。扩频通信的强抗干扰性、低截获性、良好的抗多路径干扰性和安全性等特点,使它的应用迅速从军用扩展到民用通信中,它的易于实现码分多址的特点,使它能与第三代移动通信系统完美结合,发展前景极为广阔。
参考文献:
数据通信的发展迅猛,在移动通信中从第一代模拟窝蜂移动通信系统产生至今,新技术不断涌现。我们经历了2G、3G时代,现在已经是4G时代了,而GSM技术已过时。这些都是学生身边的例子。那么就可以通过实际例子让学生了解具体通信专业的研究内容,知道所学的基础理论有什么用,让学生有目的性的来学习这门专业课。下面就结合实际应用的教学方式做具体介绍。例如在讲解数据通信中的差错控制原理时,可以先列举出一些实际例子,如在网上汇款时除了要输入密码还需要输入一个动态码,或银行汇款时除了要写汇款金额外要写中文字样的总款额,这里的动态码和中文字样的款额都是多余的内容,那么这些多余的内容起到什么了作用?它可以保证用户的安全和确保信息的可靠性。在通信中的发送端我们要传递一些有用的信息,为了确保在接受端能正确接收这些信息,我们也需要增加一些多余的信息来保证有用信息的可靠。这些多余的信息在通信中称为监督码。这就引出了差错控制的概念。那么究竟信息码后要加几位监督码才能保证接收端能收到正确的信息呢?这里以“打篮球”为例,收发双方约定好,用“1”表示球进了,用“0”表示球没进。当接受端接收到一个“1”时认为球进了,接受端接收到一个“0”时认为球没进。假设传输过程中出现了错码,发送端发送一个“0”时,接收端接收的是“1”,此时接收端是无法知道接收的信息是错的。我们加一些监督码来观察一下是否可以发现错码,在原来“1”和“0”后分别多加一位监督码“1”和“0”,此时收发双方约定用“11”表示球进了,用“00”表示球没进。通常在传输过程中要么没有错码要么错一位码,假设传输过程中出现了错码,发送端发送“11”时,接收端接收的是“10”,此时接收端知道产生了错吗,但究竟发送的是“11”还是“00”呢,不知道。这时我们再多加一位监督码来验证一下可以得出结论,当没有监督码时检测不出错误,当加一位监督码时可以检测到错误但不能纠正错误,当加两位监督码时可以检测到错误并能纠正错误。这就引出了差错控制的原理。我们发现监督码加的越多纠检错能力越强,那是不是越多越好的?从数据通信的性能指标出发,监督码越多传输效率越低,在回到网上汇款那个例子来看,如果动态码越多花费的时间也就越多,相当于在信道中传输的多余信息多,那么必然影响传输效率。那么究竟监督码加几位号呢?之后便可以给学生引入一些概念了,如汉明码、循环码和线性分组码。这些例子形象具体便于学生理解,其中在每讲完一个知识点后提出新的问题让学生思考,在与学习探讨的过程中引出新的解决方案,导出方法和原理。运用学生身边例子可以深入浅出的加深学生对知识点的理解,对于复杂问题要引导学生自主思考,从简单现象入手总结一般性,以提高学生思维能力。
1.2更新教学手段
教学手段改革是提高教学质量的重要方式。在教学手段上采用传统手段和现代多媒体技术相结合。传统教学手段是采用黑板和粉笔,这用方式在“数据通信原理”的教学中有利有弊。由于这门课涉及的公式推导很多,如果单纯的在黑板上写公式这样既效率低,教学效果也不好。如果简单的把教学内容制成课件,这样内容的信息量虽然大,但学生在理解上有困难。因此不能片面强调单一教学手段。对于复杂公式、各种波形图、频谱图则使用多媒体,这样教学内容既生动又直观,对于难理解的地方在板书作出强调,这样的教学手段事半功倍,提高了教学效果。
2.实验教学改革
课堂教学改革是课程改革系统工程中的一个重要组成部分,其具体目标是实现学生学习方式的转变,即促使学生自主、合作、探索的学习方法。“数据通信原理”是一门理论与实践结合性较强的工具式课程。课堂上的内容是可以在学生操作的过程中,通过思索能够获得的。理论结合实际应用是学好本门课的有效手段,这也就决定了实验课重要性。传统的实验教学方式是“模仿式”教学,即老师对所做实验进行原理分析,给学生做具体演示,然后学生进行模仿,当实验结果达到规定的数据要求时认为实验成功。这种传统教学方法的教学不佳,下面列举几种改革方法。
2.1“创新法”实验教学模式
“创新法”是事先给学生做出一个实验,演示具体的波形,在此基础上提出一些改良方案,让学生“创新”。最后让学生演示所得结果,进行讨论。这种方法是把大部分时间交给学生,让学生通过所学知识进行拓展,加深对课程内容的理解,进而提到学习自主学习和创新能力。
2.2“开放式”实验教学模式
在规定学时之外开放一周实验室,开放时间段是每天晚上19:00—21:00,事先对学生进行分组,每组3个人,每组发放一本实验指导书,老师给出10个实验题目,每组选择其中的三个题目去完成。为了提高学生的学习热情,相应的给出一些“优惠政策”,如具体完成时间自己掌握,可以天天来也可以不用天天来。对最先提出设计方案并能完成实验的前5组学生进行答辩,如实验结果达到要求的话,平时成绩满分。对实验完成质量高并有创新点的学生,期末卷面成绩上会给予加分。结合我院情况,往往实验课积极思考并能提前完成实验规定任务的学生期末的考试成绩也是名列前茅的。
2.3利用Matlab仿真
Matlab是这门课的先修课程,学生对这个软件比较熟悉,所以可以利用Matlab让学生仿真对数据通信课程所涉及内容。进行仿真具有形式生动、形象直观、启发性强的优点。它既能增强学生更好的学习这门课,又能弥补实验场地、仪器设备和经费缺乏的不足。具体的方法是提前把要进行的实验任务布置给学生,让学生自行仿真,在实验课时检查学生的仿真结果。对此实验的基础上对学生提出新的问题和任务,培养学生的自主学习能力和创新精神。