SPTool在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

李英華　張盼盼

【摘 要】數(shù)字信號(hào)處理是高等院校重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，然而由于課程理論性強(qiáng)，抽象概念多，學(xué)生難以理解，教師難以講解演示。筆者從自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，以濾波器為例，將圖形化信號(hào)處理設(shè)計(jì)工具SPTool、FDATool引入課堂教學(xué)中，將抽象概念和復(fù)雜的公式以易于理解的圖形化形式加以演示，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力。同時(shí)針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的重要內(nèi)容，以一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)為例，利用圖形化設(shè)計(jì)工具SPTool來實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。理論和實(shí)踐教學(xué)證明，面向?qū)ο蟮男盘?hào)處理工具SPTool設(shè)計(jì)很方便，仿真效果也很好，將之應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，效果很好，非常適合高職高專、三本院校的學(xué)生。

【關(guān)鍵詞】SPTool；數(shù)字信號(hào)處理；課程教學(xué)；FDATool

0 引言

目前，數(shù)字信號(hào)處理理論和方法已成為眾多領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，并被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域。作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，數(shù)字信號(hào)處理對(duì)于學(xué)生整個(gè)課程體系的建立起著重要作用。然而由于課程抽象概念多，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，學(xué)生難以理解，教師難以講解演示，這必然在某種程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。作為任課教師，除了注重基礎(chǔ)理論知識(shí)的講授，更要善于引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。這就對(duì)我們過去以“單純授課”為主的教學(xué)方式提出了挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，將圖形化信號(hào)處理設(shè)計(jì)工具—SPTool引人教學(xué)中，利用簡(jiǎn)單的指令操作將抽象概念和復(fù)雜的公式以圖形化形式加以演示，給學(xué)生以直觀的印象，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力。在對(duì)SPTool介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例，對(duì)在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。教學(xué)實(shí)踐證明，結(jié)合SPTool信號(hào)處理設(shè)計(jì)工具的課程教學(xué)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

1 圖形化信號(hào)處理設(shè)計(jì)工具--SPTool

SPTool是MATLAB信號(hào)處理工具箱中自帶的交互式圖形用戶界面工具，它提供四個(gè)基本的信號(hào)處理圖形用戶界面（GUI）程序，它們分別是：（1）信號(hào)瀏覽器：用于瀏覽可視化的信號(hào)圖像；（2）濾波器設(shè)計(jì)器：可用于設(shè)計(jì)和編輯FIR和IIR數(shù)字濾波器；（3）濾波器的分析瀏覽器：這個(gè)工具主要用于分析濾波器的特性，有幅值響應(yīng)、相位響應(yīng)、群延遲和脈沖響應(yīng)等；（4）頻譜瀏覽器：用于頻譜分析。另外也可以直接用FDATool工具來專門設(shè)計(jì)和分析FIR濾波器、IIR濾波器等。

2 SPTool在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

SPTool在課堂教學(xué)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在將理論教學(xué)與圖形演示結(jié)合起來，教師在講解公式推導(dǎo)的同時(shí)，利用實(shí)例演示相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)結(jié)果，從而更加生動(dòng)直觀地揭示出公式所包含的物理含義和現(xiàn)象，或者給出數(shù)字信號(hào)處理的設(shè)計(jì)方法，克服理論上的空洞講解和學(xué)生的一知半解。但是，在肯定輔助教學(xué)功能的同時(shí)，也要避免簡(jiǎn)單的應(yīng)用而忽視相關(guān)的理論知識(shí)掌握。下面以濾波器為例，對(duì)SPTool在課堂教學(xué)中的應(yīng)用加以探討。例如在講解數(shù)字濾波器時(shí)，可利用sptool或者FDAtool（Filter Design & Analysis）工具將濾波器的特性以圖形的形勢(shì)展示出來，如圖1是巴特沃斯帶通IIR濾波器的幅頻特性和脈沖響應(yīng)特性，與純理論的講授相比，它更直觀更生動(dòng)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更容易理解和接受。

3 SPTool在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

SPTool是面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)很方便仿真效果也很好。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要優(yōu)勢(shì)是代碼編寫相對(duì)比較簡(jiǎn)單，易學(xué)而直觀。對(duì)于高職高專、三本院校學(xué)生來說，非常合適采用這種輔助工具來實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。我們知道數(shù)字信號(hào)處理課程劃分為以下3個(gè)重要的部分：時(shí)域離散信號(hào)部分、信號(hào)分析部分和信號(hào)處理部分，因此，本文針對(duì)以上內(nèi)容，以一個(gè)具體的綜合性實(shí)驗(yàn)為例，利用圖形化設(shè)計(jì)工具SPTool來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

該實(shí)例主要包括以下過程：①使用sptool來導(dǎo)入和命令一個(gè)時(shí)域信號(hào)；②使用濾波器設(shè)計(jì)工具FDATool設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器；③在sptool中，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的濾波信號(hào)；④使用信號(hào)濾波器來查看原始信號(hào)和濾波信號(hào)的時(shí)間域信號(hào)；⑤使用頻譜分析器來比較信號(hào)之間的頻譜差異。具體過程和仿真結(jié)果如下：

1.首先在MATLAB Command Window中輸入正弦信號(hào)和余弦信號(hào)疊加而生成的原始信號(hào)，代碼如下：

>> n=0：100；T=0.04；

>> x=sin（2*pi*T*n）+cos（8*pi*T*n）；

>> sptool

2.在SPTool導(dǎo)入原始信號(hào)的時(shí)域波形，在SPTool中設(shè)計(jì)IIR巴特波斯帶通濾波器，其幅頻特性如圖1所示，則原始信號(hào)通過巴特沃斯帶通濾波器前后的時(shí)域波形圖2中a圖所示。

3.為比較兩個(gè)信號(hào)的頻譜，首先創(chuàng)建一個(gè)功率譜密度對(duì)象spect1，同樣可創(chuàng)建濾波后的頻譜圖spect2。然后在頻譜列表中使用shift同時(shí)選中兩個(gè)頻譜，單擊View就可顯示在頻譜瀏覽器中，以比較濾波前后的頻譜變化如圖2中b圖所示。

4 總結(jié)

本文筆者從自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)和研究論證了圖形化信號(hào)處理設(shè)計(jì)工具SPTool在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的應(yīng)用。首先，簡(jiǎn)單介紹為什么要引入SPTool這個(gè)工具以及這個(gè)工具的主要功能，讓大家初步認(rèn)識(shí)和熟悉它；其次，通過課堂實(shí)例，在多媒體教學(xué)中現(xiàn)場(chǎng)圖形演示，展示SPTool在課堂教學(xué)中發(fā)揮的作用。最后，通過綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步驗(yàn)證SPTool在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的重要作用。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]