MATLAB用于數(shù)字信號處理課程教學研究

劉偉偉++唐蕾

【摘 要】數(shù)字信號處理課程是電子信息類本科教學中非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論性強、涉及的數(shù)學概念和公式推導多等特點。針對數(shù)字信號處理教學中的現(xiàn)狀，本文提出利用Matlab的強大數(shù)字信號處理工具箱和計算模擬功能進行計算機輔助課堂教學，將抽象的數(shù)字信號處理理論用易于理解的圖形進行可視化演示，加強基礎(chǔ)理論實驗的比重，引導學生進行綜合性課程設(shè)計。既豐富了教師的教學手段，又提高了學生積極性和解決問題的能力，從而有效地提高了教學質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理 MATLAB仿真

【中圖分類號】T N 911 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）32-0033-01

引言

數(shù)字信號處理目前已成為大多數(shù)電子信息類相關(guān)本科專業(yè)的主干課程，涉及到微積分、隨機過程、數(shù)值分析、傅里葉復變函數(shù)和Z變換等，需要高數(shù)、概率、復變函數(shù)、信號與系統(tǒng)等理論基礎(chǔ)，在通信系統(tǒng)、雷達信號處理、人工智能、模式識別、圖像語音處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

學生在學習數(shù)字信號處理課程時，常常會面對枯燥乏味的數(shù)學概念，為了有利于學生系統(tǒng)地理解和掌握課程中的基本內(nèi)容，充分鍛煉實驗的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，本人對“數(shù)字信號處理”課程的教學大綱制定、教學方法的多樣化、實踐教學環(huán)節(jié)等進行了針對性的改革與探討。

1.優(yōu)化教學大綱

在制定教學大綱上，充分考慮數(shù)字信號處理課程實際需求、不同學生在數(shù)學理論基礎(chǔ)和專業(yè)背景等方面存在差異，因而在教學內(nèi)容的選擇上，要加強基礎(chǔ)理論、側(cè)重課程應(yīng)用性，有針對性地講解基礎(chǔ)理論知識、模擬和數(shù)字濾波器設(shè)計、不同變換等部分。

本人在教學過程中一直推崇簡化和細致不同知識點，通過對某些知識點的深入細致的分析和研究，進而掌握分析該類知識的手段，舉一反三，分析該類下的其他知識點，數(shù)字信號處理領(lǐng)域知識不斷更新，只有掌握了經(jīng)典分析方法，在面對新知識的時候能夠從容不迫，迅速地學習和掌握新出現(xiàn)的知識。以數(shù)字濾波器模塊結(jié)構(gòu)為例，可分為 IIR和FIR數(shù)字濾波器。在IIR數(shù)字濾波器設(shè)計中就有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法，濾波器又分為低通、帶通、高通、阻帶四種，首先簡單分析理解兩種具體設(shè)計方法的特點和區(qū)別，四種不同形態(tài)濾波器之間的差別，進而細致地深入的講解脈沖不變法設(shè)計低通濾波器。在掌握了低通方法上，進而經(jīng)過簡單的變換得到高通等其他形態(tài)濾波器。窗函數(shù)法和頻率采樣法是設(shè)計FIR濾波器基本方法，簡單了解不同窗函數(shù)對濾波器性能的影響，以某一窗函數(shù)為例來設(shè)計FIR濾波器。

變換域的知識結(jié)構(gòu)是該課程的另一模塊，其中涉及了DTFT、DFS、ZT（IZT）、DFT等不同變換。其中每個變換都遵循嚴密的數(shù)學推理，在教學過程中除了詳細講解各個知識點之外，還要建立之間的聯(lián)系，從數(shù)學公式上進行某一變換詳細證明，使學生能夠完全掌握該種變換，進而引導學生自主主動地去進行其他變換的證明和深入學習。

2.綜合形象化的教學教學方法

數(shù)字信號處理課程中大量的抽象概念都涉及繁瑣的數(shù)學公式，其推導過程也相當復雜。在一些基本原理、基本方法的推導和證明中，教師需要采用課程板書的形式，從公式所代表的具體意義去講解公式，分析公式推導過程。對于難以理解的抽象概念，需要借助多媒體教學手段，可以節(jié)約大量的板書時間，可以化抽象為形象，化枯燥為生動，增加課堂信息量，使學生把重點放到加深對抽象概念的理解上。同時，PPT可以適當?shù)卣迟N一些框圖，在講解PPT中速度要放慢，必要時采用板書對多媒體的推導細節(jié)進行補充。多媒體教學手段與傳統(tǒng)的板書教學相融合，不但可以發(fā)揮多媒體手段信息量大、形象、直觀等優(yōu)勢，具有良好的教學效果。

另外針對數(shù)字信號處理課堂教學中實際存在的計算量大、單純筆算繁瑣、占用時間長的特點，仿真教學就顯得尤為重要。MATLAB軟件在數(shù)字信號處理方面具有強大的計算分析和仿真演示功能，用MATLAB軟件進行輔助教學，將枯燥的數(shù)學理論用仿真手段進行演示和驗證，可以促進學生的學習主動性，吸引學生對該課程的興趣。教師在講解完該節(jié)課的基本理論知識后，可以通過MATLAB編制相應(yīng)的程序例題，仿真出相應(yīng)的結(jié)果波形來驗證和強化該知識點，當然在具體的MATLAB進行輔助教學中，教師進行課堂仿真舉例的教學中，應(yīng)側(cè)重引導方法設(shè)計思路，例如在濾波器設(shè)計中，教師在給出脈沖不變法設(shè)計濾波器中，應(yīng)該具體講解濾波器的設(shè)計思路和步驟，并給出仿真結(jié)果，至于程序中如何根據(jù)需要進行濾波器設(shè)計，如果驗證其特性，需要學生在實驗中面對具體問題具體分析，通過調(diào)整不同實驗參數(shù)，培養(yǎng)學生的學習主動性和面對問題的解決能力。 并且通過課后習題和課堂測驗等方式，了解同學基礎(chǔ)知識掌握情況，針對大家解題中難點，給予課堂板書詳細講解推導，力爭每個同學都對抽象概念和公式意義有足夠的理解，并能利用所學理論知識去解決實際問題。

3.加強基礎(chǔ)實驗教學

數(shù)字信號處理課程具有理論性強和應(yīng)用性強等特點，教師要加強基礎(chǔ)實驗教學。實驗教學平臺可以選擇MATLAB軟件平臺，用于演示數(shù)字信號處理的概念、性質(zhì)和原理。例如時域采樣與頻域采樣、離散傅立葉變換用FFT、Z變換、循環(huán)卷積、對信號作頻譜分析、IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及軟件實現(xiàn)、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與軟件實現(xiàn)等，通過加強基礎(chǔ)實驗教學比重，引導學生利用MATLAB語言實驗教學內(nèi)容，實現(xiàn)建模和可視化，實驗教學的設(shè)計可以更好地讓學生理解理論教學內(nèi)容，具有啟發(fā)性，能培養(yǎng)學生的思考能力和科研能力。通過在實驗課堂上和學生的交流，引導學生在編程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，讓學生親自去體會數(shù)字信號處理課程所帶來的巨大樂趣和編程實現(xiàn)某功能后所帶來的強烈的成就感。在基礎(chǔ)實驗課中，除了規(guī)定的必做的實驗外，可以讓學生根據(jù)自己的個人情況來增加實驗內(nèi)容，設(shè)置實驗思考，鼓勵學生通過編寫MATLAB程序來驗證和解答。

4.強化綜合性課程設(shè)計

基礎(chǔ)實驗教學可以更好地讓學生理解理論教學內(nèi)容，具有啟發(fā)性，能培養(yǎng)學生的思考能力和科研能力。在基礎(chǔ)理論實驗的基礎(chǔ)上，為了充分調(diào)動學生主動學習的積極性，提高學生鉆研科學的興趣，綜合性課程設(shè)計是非常有必要的。其可以充分發(fā)揮學生的主觀能動性，更有利于培養(yǎng)他們獨立思考、善于創(chuàng)造、綜合運用知識的能力。通過引導學生通過MATLAB數(shù)字信號處理工具箱來設(shè)計某個完整的小型系統(tǒng)。例如一個簡單的語音信號處理系統(tǒng)，其中用到了A/D變換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進行數(shù)字信號濾波處理與識別，通過該設(shè)計課程學生可以掌握序列的離散化，濾波器電路的設(shè)計方法和驗證方法，通過語音信號是否失真，可以培養(yǎng)學生發(fā)散性思維，采用不同的濾波設(shè)計方法來改善信號失真，從而使學生養(yǎng)成在面對問題時分析和解決的習慣，為進一步學習相關(guān)專業(yè)打好基礎(chǔ)。

5.結(jié)論

隨著數(shù)字信號處理教學內(nèi)容和方法的不斷更新和調(diào)整，筆者在教學方法和教學實踐等方面，做了一些嘗試和改革，取得了一些良好的效果。今后在不斷的教學過程中，也將會繼續(xù)進行教學改革研究，完善教學手段和方法，提高學生對本課程的學習積極性和主動性，力爭將課程打造成深受學生喜歡的精品課程。

6.致謝

感謝南京工程學院校引進人才基金 YKJ201417 YKJ201419

參考文獻：

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[3]程佩青， 數(shù)字信號處理教程（第三版）[M]， 清華大學出版社， 2008.5.

[4]陳懷琛， 數(shù)字信號處理教程[M]， 電子工業(yè)出版社，2008.8.