仿真案例在數(shù)字信號(hào)處理課程中的應(yīng)用研究

姜運(yùn)芳　李立新　張瑾琳

【摘 要】文章針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程中存在的抽象、難理解等問題，探索課程實(shí)踐教學(xué)改革新模式，提出基于LabVIEW和Matlab的課程案例庫(kù)設(shè)計(jì)思路。將案例與仿真相結(jié)合作為一種交互式教學(xué)方法，既有助于課堂教學(xué)，又為學(xué)生課后實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】案例設(shè)計(jì) 信號(hào)處理 仿真

一、引言

數(shù)字信號(hào)處理課程作為通信工程專業(yè)的核心課程，教學(xué)質(zhì)量直接影響學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。但課程內(nèi)容繁雜抽象，理論與實(shí)踐結(jié)合難度大，導(dǎo)致教師難教、學(xué)生難學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師和教材為中心，缺乏對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的物理意義和幾何模型的闡述，導(dǎo)致學(xué)用脫節(jié)，對(duì)實(shí)際工程信號(hào)不能應(yīng)變，沒有對(duì)新技術(shù)和新方法合理利用。

二、案例教學(xué)優(yōu)勢(shì)

案例教學(xué)法是基于案例驅(qū)動(dòng)的全新教學(xué)方法。教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，設(shè)計(jì)具體案例，讓學(xué)生在具體問題情境中積極思考、主動(dòng)探索，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的綜合能力[1]。在數(shù)字信號(hào)處理課程中，通過仿真案例設(shè)計(jì)、演示、分析和模仿創(chuàng)新，使理論、實(shí)驗(yàn)及工程案例有機(jī)結(jié)合，直觀感受實(shí)驗(yàn)過程，提高教與學(xué)的效果。

三、案例教學(xué)現(xiàn)狀

（一）案例建設(shè)

案例應(yīng)具有針對(duì)性、典型性和具體性，解決好與信號(hào)系統(tǒng)課程“內(nèi)容有重疊，銜接不流暢”[2]的問題。注意課程交叉融合，強(qiáng)化課程內(nèi)在聯(lián)系，整合實(shí)驗(yàn)資源。

（二）知識(shí)點(diǎn)選取

引入工程案例，就是選擇、運(yùn)用支撐課程的典型知識(shí)點(diǎn)。本課程知識(shí)點(diǎn)分散且抽象煩瑣，如何將所選案例限定化描述給學(xué)生，也是需要解決的問題。

（三）仿真軟件

信號(hào)處理常用Matlab仿真，其可讀性、可重用性和可擴(kuò)展性相對(duì)較差。美國(guó)NI的LabVIEW具備靈活的用戶界面和強(qiáng)大的交互性，工程應(yīng)用更為廣泛。但二者適用范圍不同，需要根據(jù)信號(hào)合理選用。

（四）學(xué)時(shí)限制

本課程學(xué)時(shí)少、任務(wù)重，教師需要把握正常課堂教學(xué)與案例教學(xué)的關(guān)系，使案例應(yīng)用恰到好處。必須精心設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃案例切入點(diǎn)，確保案例教學(xué)順利進(jìn)行。

四、仿真案例設(shè)計(jì)思路

在數(shù)字信號(hào)處理課程中引入仿真案例需注意以下幾點(diǎn)。

（一）知識(shí)點(diǎn)選取

對(duì)重要內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，知識(shí)點(diǎn)過多會(huì)造成思維混亂，不利于知識(shí)傳授[3]。我們將內(nèi)容劃分為“離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、DFT和FFT、數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”四個(gè)模塊，以保證結(jié)構(gòu)和思路的清晰。

（二）仿真軟件選用

信號(hào)處理的目標(biāo)是突出或提取隱藏在時(shí)間序列里的特征，需要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理[4]。LabVIEW可對(duì)平穩(wěn)和非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域分析。分析和處理平穩(wěn)信號(hào)則應(yīng)采用Matlab。

（三）案例設(shè)計(jì)

1.Matlab仿真案例

模塊1：離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)。案例：離散時(shí)間信號(hào)/系統(tǒng)，序列，卷積，差分方程。

模塊2：DFT和FFT。案例：DFT，F(xiàn)FT，頻譜分析，自相關(guān)、互相關(guān)。

模塊3：數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。案例：數(shù)字/擬濾波器，IIR，F(xiàn)IR，低通，高通，帶通。

模塊4：數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。案例：采樣，量化，時(shí)域分析。

2.LabVIEW仿真案例

模塊1：初級(jí)信號(hào)處理。案例：自相關(guān)，時(shí)域卷積，互相關(guān)。

模塊2：高級(jí)信號(hào)處理。案例：倒譜，Delta函數(shù)，諧振，總諧波失真，波形和頻譜。

模塊3：濾波。案例：FIR，IIR，濾波器響應(yīng)時(shí)間，低通濾波器，中值濾波器。

模塊4：時(shí)域分析。案例：信號(hào)識(shí)別，信號(hào)積分，函數(shù)。

模塊5：頻域分析。案例：FFT，時(shí)移，頻移，相位。

（四）仿真效果對(duì)比

以上仿真案例涵蓋了教學(xué)主要內(nèi)容，層次清晰易懂。以FIR窗函數(shù)設(shè)計(jì)為例，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形對(duì)比，二者仿真效果和精度基本一致。但LabVIEW更加高效直觀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬信號(hào)、實(shí)際信號(hào)的時(shí)/頻域及時(shí)頻域分析。

五、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，將基于仿真案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式引入傳統(tǒng)教學(xué)，使教學(xué)成為動(dòng)態(tài)、開放和探索的教學(xué)模式，提升了課程教學(xué)效果和學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情，提高了綜合應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮杰. 基于案例驅(qū)動(dòng)的《DSP應(yīng)用技術(shù)》教學(xué)改革探索[J].科技信息，2011（33）：23.

[2]歐陽(yáng)華.“信號(hào)與信息處理”課程群教學(xué)改革研究[J]. 中國(guó)電力教育，2013（19）：70.

[3]萬(wàn)懿.案例教學(xué)法在經(jīng)濟(jì)作物栽培學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的理論與實(shí)踐[J].科技信息，2008（16）：10.

[4]劉霞.基于LabVIEW的信號(hào)處理演示及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（10）：6.