仿真軟件在《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)中的應(yīng)用探討性論文
摘要：數(shù)字信號(hào)處理課程概念抽象，理論性很強(qiáng)，算法的推導(dǎo)和證明比較繁瑣，在教與學(xué)方面都有很大的難度。本文提出了將Matlab與Labview仿真軟件應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理課堂教學(xué)之中，介紹了Matlab與Labview仿真軟件的特點(diǎn)，給出了Matlab與Labview在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例，闡述了提高教學(xué)質(zhì)量的改進(jìn)方法。實(shí)踐表明，將仿真軟件用在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)改革中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能力，取得了較好的效果。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 Matlab Labview 教學(xué)改革
數(shù)字信號(hào)處理是電子、通信專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。這門課程概念抽象、理論性很強(qiáng)，教師在課堂上講授抽象的理論知識(shí)很難給學(xué)生留下深刻的印象，更談不上學(xué)以致用的能力。因此，對(duì)于現(xiàn)在培養(yǎng)應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才來說，迫切需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式。本文提出一種基Matlab和Labview的輔助教學(xué)方法，課堂上采用PowerPoint和仿真軟件相互結(jié)合的多媒體教學(xué)方法，將抽象的理論知識(shí)用生動(dòng)有趣的圖形界面來驗(yàn)證和演示，加深學(xué)生對(duì)理論問題的理解;在教學(xué)內(nèi)容上試著采用模塊化教學(xué)方法，將枯燥的理論逐漸滲入到日常實(shí)際應(yīng)用中，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率[1]。
1 提高教學(xué)質(zhì)量的改進(jìn)方法
本課程是一門理論性和技術(shù)性都很強(qiáng)的課程。數(shù)字信號(hào)處理本質(zhì)上是利用數(shù)學(xué)的方法和數(shù)字系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，它主要研究兩個(gè)方面的問題：一是研究信號(hào)處理的各種算法，即建立數(shù)學(xué)模型;二是算法的實(shí)現(xiàn)，包括采用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，和采用專用的電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[2]。因此，從教學(xué)的角度來說，必須既強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)，使學(xué)生掌握基本的概念和分析方法，也要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系，使學(xué)生具有一定動(dòng)手能力、編程能力和解決一些簡單問題的實(shí)際能力。針對(duì)該課程的特點(diǎn)，借助仿真軟件進(jìn)行課堂教學(xué)是十分必要的。
在應(yīng)用型人才的培養(yǎng)過程中，應(yīng)以學(xué)生為中心，在課程教學(xué)過程中，對(duì)于重點(diǎn)知識(shí)設(shè)置項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)。比如，采樣定理的驗(yàn)證、傅里葉變換、FFT的應(yīng)用、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用等設(shè)置具體項(xiàng)目，然后學(xué)生以4~6人組成一個(gè)學(xué)習(xí)小組，利用課余時(shí)間去查閱資料和仿真，對(duì)完成的結(jié)果制作成PPT進(jìn)行匯報(bào)，匯報(bào)完后進(jìn)行交流總結(jié)，并對(duì)項(xiàng)目內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，項(xiàng)目討論部分列入期末考核成績。這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，有效的來提高教學(xué)質(zhì)量。
1.1 Matlab仿真軟件的應(yīng)用
學(xué)生普遍反映難是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理涉及較深的數(shù)學(xué)功底，其內(nèi)容以傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、復(fù)變函數(shù)的環(huán)路積分為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這些內(nèi)容對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱的人來說掌握起來有一定的困難。為了使學(xué)生既能掌握足夠的數(shù)字信號(hào)處理技能，又不致陷入繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，以大量的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)例訓(xùn)練他們數(shù)字信號(hào)處理的技能是一種可行的思路。而Matlab是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的高級(jí)語言，它具有強(qiáng)大的計(jì)算功能、計(jì)算結(jié)果和編程可視化一體及較高的效率，已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程計(jì)算不可缺少的工具軟件，因此Matlab軟件的引入使得通過實(shí)踐掌握數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的學(xué)習(xí)方式變得非常容易，比如離散卷積的計(jì)算、FFT的應(yīng)用和濾波器的設(shè)計(jì)等，都可以借助Matlab仿真來實(shí)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(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)有趣[3]。目前，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的虛擬技術(shù)已成為一種趨勢，圖形化的用戶界面，點(diǎn)擊鼠標(biāo)，輸入數(shù)據(jù)即能完成，使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會(huì)和理解信號(hào)處理課程的分析方法和處理結(jié)果。例如模擬信號(hào)的采樣、濾波器的濾波技術(shù)等。這些重要的理論如果在講解的時(shí)候加以逼真的演示，會(huì)給同學(xué)們留下深刻的印象，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。
2 仿真軟件的具體應(yīng)用
信號(hào)可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來描述，有的信號(hào)時(shí)域波形雜亂無章，但是轉(zhuǎn)換到頻域會(huì)變得很簡單，比如說不同頻率的正弦信號(hào)疊加在一起，時(shí)域表現(xiàn)的很復(fù)雜，轉(zhuǎn)換到頻域卻是簡單的幾根譜線。因此，信號(hào)的頻譜分析在數(shù)字信號(hào)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(hào)的特征。對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行譜分析時(shí)，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(xué)生很難理解頻域形式。而此時(shí)，可以借助Matlab使公式更形象化，便于理解。設(shè)序列x(n)=[0 1 2 3],則傅里葉變換公式寫為 計(jì)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(gè)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(yùn)算蘊(yùn)含在矩陣相乘的運(yùn)算中。
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