MATLAB在数字信号处理实验教学中应用

1、148科技创新导报 ScienceandTechnologyInnovationHerald 2010 NO.26ScienceandTechnologyInnovationHerald 创新教育科技创新导报1 引言数字信号处理课程是电子信息类专业必修的一门专业技术基础课,该课程的理论知识和实践性都较强,内容包括:信号与系统基本概念及描述方法,离散信号和系统时域分析、频域分析及复频域分析,离散傅立叶变换及快速傅立叶变换,数字滤波器结构及设计方法等12。该课程实践性较强,是进一步学习后续课程,是培养工程意识的基础课程,因此电工电子实验在学校教学中具有非常重要的地位。在实际的理论教学和实验教学过程

2、中,我们发现很多学生对信号和系统分析基本方法、基本原理掌握不够深入,导致操作能力和分析问题、解决问题的能力差,从而使这些学生从不理解理论到敷衍实验操作,再对理论失去兴趣的恶性循环。为解决数字信号处理课程教学枯燥、抽象、困难和乏味,学生易产生厌教和厌学情绪的上述问题,欧美一些国家的大学已将MATLAB 仿真软件引入到数字信号处理课程教学中3,MATLAB 的信号处理工具箱使它在在信号处理方面更具有得天独厚的优势。本文通过建立基于MATLAB 的虚拟实验的课前仿真实验操作预习、分析及课堂实验环节构成的“虚实结合”的实验教学模式,最大限度地拓展了数字信号处理实验教学的内容、形式、时间和空间,取得较好

3、教学效果。2 基于MATLAB 软件的课前预习我们在数字信号处理教学中经常发现学生在进行实验的时候,对实验涉及的信号分析理论和方法并不了解,面对复杂分析公式、不太熟悉的编程语言、参数设置和实验结果分析,往往不知所措,胡乱地在调节参数,一次实验课下来少有学生独自完成编程、调试、参数和结果分析。针对以上问题,我们考虑若能在进行实验之前,提供一个仿真软件,把要做实验的理论知识、实验方法、目的和实验结果形象具体地展现给学生,学生可以在这个仿真平台上调节信号和参数、形象地观察参数对结果的影响,减少他们在做实验时盲目性,并让学生预先了解实验中注意问题,弄懂程序,对涉及理论知识有较充分准备。在实验教学中,引

4、入Matlab 仿真软件,可以形象地演示信号处理前、后结果,进一步提高教学质量。而且利用仿真工具软件,学生可以不受规定实验时间和项目限制,分析研究一些自己感兴趣的信号处理方法应用电路,充分发挥他们的主观能动性,学习分析问题和解决问题方法。3 虚实结合的实验教学模式“虚实结合”的实验教学模式中主要包含三个相互关联的组成部分,即基本理论教学、虚拟实验和面向应用的实践性实验。如图1所示。基本理论教学主要向学生讲授实验中涉及信号与系统基本概念、基本方法,如:离散信号和系统的时域分析、频域分析及复频域(z 域分析,离散傅立叶变换及快速傅立叶变换,数字滤波器结构,数字滤波器设计方法和过程等。在介绍这些内容

5、时,学生容易感到枯燥难懂,采用理论讲解与仿真工具相结合方式,在理论知识讲解同时,穿插MATLAB 仿真,这样既可以使学生对所学知识增加感性的认识,又可以巩固和加深对基本理论和概念的理解及掌握。同时,学生也可以在学习理论知识的同时,掌握先进的仿真工具,为以后进一步学习或工作奠定良好的基础。虚拟实验部分主要完成从基本理论到应用性实践之间的过渡,加深对理论的理解。通过虚拟仿真实验让学生弄懂所学复杂理论的物理含义和因果关系,然后再进行面向应用的实践性实验,达到事半功倍的效果。虚实实验借助我们开发的信号处理虚拟实验平台,该平台包含实验的完整执行演示程序和开放式自主编程模块。在演示程序模块中,学生不需要动

6、手编程,也不需要对信号处理的原理有深入的理解,仅仅按照简单的程序操作流程即可以在计算机屏幕上观察到所学理论分析的图形结果或数值输出,实现对所学理论直观形象的理解。在开放式自主编程模块中,学生可以在该模块内编写关键模块的程序代码, 然后利用平台进行验证调试,学生可以控制、调试每一步程序执行结果,结果直接在计算机屏幕上显示。程序演示模块可作为自主编程模块中学生完成程序后最终结果参考。另外,自主编程模块为面向应用的实践性实验提供了理论原型及实现思路,并可将工程实践中的想法在虚拟实验平台中进行原理性验证,节省开发调试时间。通过虚拟实验环节,学生可以迅速掌握信号分析与处理中的基本原理知识,提高教学效率,

7、实现培养学生利用仿真平台验证基本原理的目的。面向应用的实践性实验是信号处理课程教学的最后一个阶段,是检验所学理论知识综合运用能力有效手段。这部分要突出与数字信号处理应用的有机链接,通过DSP 演示平台、实验箱、设置综合性实验项目和课程设计题目形式,加深学生对课堂上授课内容的深层次理解,使学生对信号处理的具体应用有直观理解。实验内容设计需要综合考虑理论知识、实际应用和仿真工具3个因素,使学生利用所学理论知识和 MATLAB 仿真软件,分析解决实际应用问题。例如,可以结合数字滤波器设计有关内容,设计立体声延时音效处理或语音信号处理实验;结合窗函数和FFT 有关内容,设计图像2维吉布斯效应实验等。4

8、 结语应用信号处理最流行的软件仿真工具MATLAB 改进数字信号处理实验方法,加强和巩固电子信息类专业学生学好数字信号处理基本概念、原理、方法的理解具有积极作用,对提高该课程的教学质量和对学生后续课程的学习以及将来的就业都有着极其重要的意义。通过实验课前预习阶段消除了基本理论不熟悉的问题,以“虚”的理论知识仿真演示和自主设计方法,结合“实”的实验项目和课程设计的全新“虚实结合”实验教学模式,实现学以致用的目的,从而激发学生学习积极性、培养学生的综合能力和创新意识。参考文献1Vinay K Ingle, John G Proakis.数字信号处理-应用MA TLAB (英文影印版M.北京:科学出版社,2003.2丁玉美.数字信号处理M.西安:西安电子科技大学出版社,2001.3唐向宏,岳恒立,郑雪峰.MATLAB 及在电子信息类课程中的应用M.北京:电子工业出版社,2006.图1 虚实结合的实验教学模式MATLAB 在数字信号处理实验教学中应用刘焕淋1 陈勇2(1.重庆邮电大学通信与信息工程学院; 2.重庆邮电大学图书馆 重庆 400065摘要:数字信号处理课程是电子信息类专业的重要基础课之一。本文分析了数字信号处理课程实验教学中存在的问题,根据MATLAB 仿真软件特点