仿真軟件在《數(shù)字信號處理》教學中的應用探討性論文

2021-06-15 論文

　　摘要：數(shù)字信號處理課程概念抽象，理論性很強，算法的推導和證明比較繁瑣，在教與學方面都有很大的難度。本文提出了將Matlab與Labview仿真軟件應用于數(shù)字信號處理課堂教學之中，介紹了Matlab與Labview仿真軟件的特點，給出了Matlab與Labview在數(shù)字信號處理教學中的應用實例，闡述了提高教學質量的改進方法。實踐表明，將仿真軟件用在數(shù)字信號處理教學改革中，提高了學生的學習興趣和能力，取得了較好的效果。

　　關鍵詞：數(shù)字信號處理 Matlab Labview 教學改革

　　數(shù)字信號處理是電子、通信專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。這門課程概念抽象、理論性很強，教師在課堂上講授抽象的理論知識很難給學生留下深刻的印象，更談不上學以致用的能力。因此，對于現(xiàn)在培養(yǎng)應用型、技術技能型人才來說，迫切需要改變傳統(tǒng)的教學模式。本文提出一種基Matlab和Labview的輔助教學方法，課堂上采用PowerPoint和仿真軟件相互結合的多媒體教學方法，將抽象的理論知識用生動有趣的圖形界面來驗證和演示，加深學生對理論問題的理解;在教學內容上試著采用模塊化教學方法，將枯燥的理論逐漸滲入到日常實際應用中，從而提高學生的學習興趣和學習效率[1]。

　　1 提高教學質量的改進方法

　　本課程是一門理論性和技術性都很強的課程。數(shù)字信號處理本質上是利用數(shù)學的方法和數(shù)字系統(tǒng)來實現(xiàn)對信號的處理，它主要研究兩個方面的問題：一是研究信號處理的各種算法，即建立數(shù)學模型;二是算法的實現(xiàn)，包括采用計算機軟件實現(xiàn)，和采用專用的電子系統(tǒng)實現(xiàn)[2]。因此，從教學的角度來說，必須既強調理論教學，使學生掌握基本的概念和分析方法，也要加強實驗教學，強調理論聯(lián)系，使學生具有一定動手能力、編程能力和解決一些簡單問題的實際能力。針對該課程的特點，借助仿真軟件進行課堂教學是十分必要的。

　　在應用型人才的培養(yǎng)過程中，應以學生為中心，在課程教學過程中，對于重點知識設置項目教學環(huán)節(jié)。比如，采樣定理的驗證、傅里葉變換、FFT的應用、數(shù)字濾波器的設計及應用等設置具體項目，然后學生以4~6人組成一個學習小組，利用課余時間去查閱資料和仿真，對完成的結果制作成PPT進行匯報，匯報完后進行交流總結，并對項目內容和結果進行點評，項目討論部分列入期末考核成績。這樣可以培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新能力，提高學生的綜合素質，有效的來提高教學質量。

　　1.1 Matlab仿真軟件的應用

　　學生普遍反映難是因為數(shù)字信號處理涉及較深的數(shù)學功底，其內容以傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、復變函數(shù)的環(huán)路積分為數(shù)學基礎，這些內容對數(shù)學基礎比較薄弱的人來說掌握起來有一定的困難。為了使學生既能掌握足夠的`數(shù)字信號處理技能，又不致陷入繁瑣的數(shù)學推導之中，以大量的數(shù)字信號處理實例訓練他們數(shù)字信號處理的技能是一種可行的思路。而Matlab是一種面向科學和工程計算的高級語言，它具有強大的計算功能、計算結果和編程可視化一體及較高的效率，已經(jīng)成為科學研究和工程計算不可缺少的工具軟件，因此Matlab軟件的引入使得通過實踐掌握數(shù)字信號處理技術的學習方式變得非常容易，比如離散卷積的計算、FFT的應用和濾波器的設計等，都可以借助Matlab仿真來實現(xiàn)。

　　1.2 Labview軟件

　　Labview軟件是一種基于“圖形”化方式的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，具有豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理和設備驅動等優(yōu)點，利用它可以方便的建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣[3]。目前，利用計算機仿真技術模擬一些實驗現(xiàn)象的虛擬技術已成為一種趨勢，圖形化的用戶界面，點擊鼠標，輸入數(shù)據(jù)即能完成，使學生能直觀地領會和理解信號處理課程的分析方法和處理結果。例如模擬信號的采樣、濾波器的濾波技術等。這些重要的理論如果在講解的時候加以逼真的演示，會給同學們留下深刻的印象，加深對知識點的理解。

　　2 仿真軟件的具體應用

　　信號可以從時域和頻域兩個方面來描述，有的信號時域波形雜亂無章，但是轉換到頻域會變得很簡單，比如說不同頻率的正弦信號疊加在一起，時域表現(xiàn)的很復雜，轉換到頻域卻是簡單的幾根譜線。因此，信號的頻譜分析在數(shù)字信號處理中具有很重要的作用。而離散傅里葉變換是分析數(shù)字頻譜的重要工具，意義在于人們能夠從頻域中觀察信號的特征。對連續(xù)信號進行譜分析時，采用離散傅里葉變換。離散傅里葉變換的公式如下：

　　可以看出，該公式比較抽象，學生很難理解頻域形式。而此時，可以借助Matlab使公式更形象化，便于理解。設序列x(n)=[0 1 2 3],則傅里葉變換公式寫為計算可得根據(jù)該例的解法，可以將傅里葉變換寫成下面的程序： function[XK]=dfs(xn,N)

　　n=[0:1:N-1];

　　k=[0:1:N-1];

　　WN=exp(-j*2*pi/N);

　　nk=n’*k;

　　WNnk=WN.^nk;

　　XK=xn*WNnk;

　　這里巧妙的利用Matlab中矩陣相乘的概念可以使程序簡化，式中

　　也是一個4*4的矩陣。利用矩陣xn=[0 1 2 3]與矩陣WNnk相乘中的相加，即相加的運算蘊含在矩陣相乘的運算中。