数字信号处理教学改革的探索

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数字信号处理教学改革的探索

聂小燕,鲁　才

a

b

(电子科技大学　a1成都学院电子信息工程系;b1通信与信息工程学院,成都　611731)

摘要:分析了数字信号处理课程教学中存在的问题,提出了提高教学效果的各种措施,通过制作多媒体课件引入多媒体教学、利用仿真工具MATLAB进行课堂演示和实验教学等,强调了理论与实践的结合,取得了满意的教学效果。关　键　词:数字信号处理;教学改革;MATLAB语言中图分类号:G642・4　　文献标识码:A　　文章编号:1672-4550(2008)06-0125-03

ExplorationonDigitalSignalProcessingTeachingReform

NIEXiao2yan,LUCai

(a1DepartmentofElectronicandInformationEngineeringofChengduCollege;b1SchoolofCommunicationandInformationEngineering,

UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu　610054,China)

Abstract:Afteranalyzingtheexistingprobleminteachingprinciplesofsignalsprocessing,variousmeasuresarebroughtforwardtoimproveteachingeffects,suchasinductingmultimediateaching,MATLABexperimentofthedigitalsignalprocessing1Thereformofteachingmethodsandmeansemphasizethecombiningofthetheorywithpractice,inordertoimprovestudentsπqualitiesandbasicskills1

Keywords:Digitalsignalprocessing;teachingreform;MATLAB

1　引　言

随着全球信息化的发展,数字信号处理的理论、方法和应用得到了飞跃式的发展,其地位和作用变得越来越重要。学生在学习这门课程时,普遍反映课程中的公式太多、推导繁琐、概念抽象、难以理解与掌握。因此,如何帮助学生理解与掌握该课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法,并能够培养综合应用所学知识解决实际问题的能力,是数字信号处理课程教学所要解决的关键问题。下面结合电子科技大学成都学院电子信息工程系数字信号处理的教学实际情况,谈谈课程改革的经验和体会。

211　采用多媒体教学手段在教学过程中,辅以多媒体教学,用形象直观的演示来提高教学效果。例如学生普遍对采样定理难于理解,为此我们制作了多媒体采样定理的Flash动画演示课件,用来说明为什么采样频率要

至少大于等于信号最高频率成分的2倍。图形演示形象直观,而且说明简洁确切,从而加深了学生对采样定理的理解和记忆。

212　引入生动形象的MATLAB演示

在课堂教学中采用MATLAB软件进行演示,不但可以帮助学生理解和掌握基本概念,而且可以使课堂教学更生动、更具有吸引力,从而激发学生的学习兴趣,提高教学质量。

例如,在用模拟滤波器设计IIR数字滤波器时,非常重要的知识点就是脉冲响应不变法和双线性变换法。如果只是通过公式来讲解,十分抽象,难以理解。为了让学生更好的理解这2种方法。可以给定一个设计指标,分别用脉冲响应不变法和双线性变换法设计一个三阶Butterworth数字低通滤波器,利用Matlab可以得到数字滤波器的幅频特性曲线。如图1所示。

对于双线性变换法,由于频率的非线性变换,使截止区的衰减越来越快,最后在折叠频率2000Hz处形成一个三阶传输零点。因此,双线性变换

2　课堂教学手段和教学方法的改革

现代大学的教学应该是理论教学、实践教学和科学研究的三元一体。理论教学主要是通过课堂教

学环节完成的。在教学过程中,应强调基本概念的建立和基本内容的深刻理解,淡化公式的推导和解题技巧,强化所学知识的综合应用能力与创新能力的培养。这就要求教师不断地更新教学手段,改进教学方法。

收稿日期:2008-04-19;修改日期:2008-07-04

作者简介:聂小燕(1981-),女,硕士,从事数字信号处

理方面的教学和科研工作。

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实验科学与技术2008年12月

(a)　N=20时截取的时域信号

图1　脉冲响应不变法和双线性变换法比较

法使过渡带变窄,对频率的选择性改善,而脉冲响应不变法存在混淆,且没有传输零点。

在课堂教学时,通过引入生动形象的Matlab演示,帮助学生深刻理解和掌握了2种方法各自的特点。

(b)　N=20时DFT频谱分析结果3　利用实践教学提高教学质量

实践教学即是现有理论的源头,又是未来发明的源泉。实践教学体系的设计,应具有多样化、综合化、分层次、重创新的目标。在实践教学环节中应该充分利用各种仿真工具和开发平台,开展各种实验、课程设计、科技竞赛和创新活动。实践的内容由认知性、验证性实践开始,逐步增加设计性、开放性和综合性实践。这样不但可以帮助学生理解和掌握基本概念,而且可以使实践教学更生动、更具有吸引力,从而激发学生的学习兴趣,提高教学质量。311　用DFT进行频谱分析

(c)　N=16时截取的时域信号

用DFT对连续信号进行频谱分析,学生普遍感到是一个难点,尤其对采样和截断后的连续信号的谱分析引起的现象难以理解。如果只是通过公式来讲解,十分抽象难以理解。通过实验来讲解栅栏效应、频谱泄漏和谱间干扰等现象,形象生动,直观明确。

例如,对于连续的单一频率周期信号xa(t)=πfat),fa是信号的频率,按采样频率fS=8fasin(2

采样,截取长度N分别选N=20和N=16,用DFT分析其频谱结构。

(d)　N=16时DFT频谱分析结果

图2　不同截取长度的正弦信号及其DFT结果

断。图2中的(a)和(b)分别是N=20时的截取信

号和DFT结果,由于截取了215个周期,频谱出现泄漏;(c)和(d)分别是N=16时的截取信号和DFT结果,由于截取了2个整周期,得到单一谱线的频谱(其中横坐标的单位T为采样周期)。上述

利用MATLAB软件进行编程和仿真,绘出如图2所示的频谱图。

连续周期信号是时间无限的信号,用DFT进行频谱分析,在采样的同时必须在时域中对其截

频谱的误差主要是由于时域中对信号的非整周期截断产生的频谱泄漏。

实验中观察栅栏效应可以对同一个截取采样后

(下转第140页)

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实验科学与技术2008年12月

获50万元建设经费,申请到省级教学研究课题2项,校级5项,国家级2项,是山东农业大学首批进入省级骨干学科基础实验教学中心的实验室。2006年山东农业大学的《作物栽培学》被评为国家级精品课程,对《作物栽培学实验课》的改革是一个巨大的推动。作物科学实验教学中心2006年被山东省教育厅批准为“高等学校骨干学科基础实验教学中心———农业生物科学基础实验教学中心”建设经费200万元。2007年农业生物科学基础实验(上接第126页)

教学中心被批准为国家级实验教学中心。

参考文献

[1]　李桂梅1加强实验教学,培养综合社会需求人才

[J]1实验室科学,2007(1):23-241

[2]　忠婧,佟春玉,冯振月1《细胞生物学》实验教学改革

初探[J]1实验科学与技术,2007,5(2):101-1041

[3]　张伟,于雷1加强实验教学改革,培养学生实验技

能[J]1高等农业教育,2002(8):80-811

的信号进行不同N点DFT变换,N值越大,则使

原来漏掉的某些频谱分量被检测出来,但是频谱包络线不变,因此并不能提高频谱分辨率。

通过matlab实验,加深了学生对利用DFT进行频谱分析的认识,克服了理论上的空洞讲解,增强了理论的可信性。312　数字滤波器的设计

数字滤波器设计在数字信号处理课程中非常重要,但是这部分内容公式多、计算比较繁琐,而且得到的也都是数值结果,其幅频特性不直观。为了提高学生的学习兴趣,可以利用MATLAB实现数字滤波器的设计。

例如:要求将含有噪声频率分别为80Hz、160Hz和200Hz的时域合成信号x(t)=sin(160πt)+cos(320πt)+sin(400πt)进行频谱分析,并设计滤波器滤除干扰信号。图3是采用Matlab编程仿真得到的结果。

图3(a)是原始的时域信号,图3(b)是原始信号的频谱。图3(c)是叠加了噪声后的时域信号,图3(d)是叠加了噪声后的时域信号的频谱。图3(e)是一个带通滤波器,图3(f)是叠加了噪声的时域信号经过滤波后的效果。通过这样的直观结果可

以增强学生的感性认识,加深对频谱和滤波器概念的理解。

(e)　带通滤波器　　　　(f)　叠加了噪声的时域信号滤波后的结果图3　用Matlab进行频谱分析和滤波后的结果通过上述的几个实例可以看出,实践环节可以使学生把重点放在加深对抽象概念的理解上,将抽象的概念变为形象、生动、直观的图形,能达到事半功倍的效果。

4　结束语

数字信号处理这门课程是电子信息类专业的一门重要专业基础课,教学质量的好坏,对学生后继课程的学习有重要影响。因此,我们从课堂教学和实践教学2个方面进行探讨,强调教学方法和教学手段的改进,并通过实践教学来激发学生的学习积极性、主动性,从而提高学生的创新能力和动手能力。

参考文献

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(a)　原始的时域信号　　　(b)　原始信号的频谱

实践[J]1电气电子教学学报,2006,26(4):98-1011

[2]　王霞,高军萍,李琦1MATLAB在数字信号课程教

学改革中的应用[J]1河北工业大学成人教育学院学

报,2005,20(3):12-141

[3]　周巧喜,郭业才,吴造林1如何提高《数字信号处

理》课程的教学质量[J]1科技情报开发与经济,

(c)　(d)　叠加了噪声后叠回了噪声后的

的时域信号时域信号的频谱

2007,17(10):249-2501

[4]　李力利1“数字信号处理”教学过程中的探索与体会

[J]1电气电子教学学报,2003,25(2):86-891