仿真軟件在《數字信號處理》教學中的應用探討性論文

2021-06-15 論文

　　摘要：數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：數字信號處理 Matlab Labview 教學改革

　　數字信號處理是電子、通信專業一門重要的專業基礎課。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，對于現在培養應用型、技術技能型人才來說，迫切需要改變傳統的教學模式。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。數字信號處理本質上是利用數學的方法和數字系統來實現對信號的處理，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，即建立數學模型;二是算法的實現，包括采用計算機軟件實現，和采用專用的電子系統實現[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節。比如，采樣定理的驗證、傅里葉變換、FFT的應用、數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。這樣可以培養學生的團隊協作精神和創新能力，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字信號處理涉及較深的數學功底，其內容以傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、復變函數的環路積分為數學基礎，這些內容對數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`數字信號處理技能，又不致陷入繁瑣的數學推導之中，以大量的數字信號處理實例訓練他們數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。

　　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環境，具有豐富的函數、數值分析、信號處理和設備驅動等優點，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，輸入數據即能完成，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。