SPTool在數字信號處理課程教學中的應用

李英華　張盼盼

【摘 要】數字信號處理是高等院校重要的專業基礎課程，然而由于課程理論性強，抽象概念多，學生難以理解，教師難以講解演示。筆者從自身的教學經驗出發，以濾波器為例，將圖形化信號處理設計工具SPTool、FDATool引入課堂教學中，將抽象概念和復雜的公式以易于理解的圖形化形式加以演示，提高了學生的學習興趣和理解能力。同時針對數字信號處理的重要內容，以一個具體實驗為例，利用圖形化設計工具SPTool來實現綜合實驗的設計。理論和實踐教學證明，面向對象的信號處理工具SPTool設計很方便，仿真效果也很好，將之應用于數字信號處理實驗教學中，效果很好，非常適合高職高專、三本院校的學生。

【關鍵詞】SPTool；數字信號處理；課程教學；FDATool

0 引言

目前，數字信號處理理論和方法已成為眾多領域的重要研究內容，并被廣泛應用于數字通信、模式識別、自動控制等眾多領域。作為專業基礎課程，數字信號處理對于學生整個課程體系的建立起著重要作用。然而由于課程抽象概念多，對數學基礎要求高，學生難以理解，教師難以講解演示，這必然在某種程度上影響學生的學習主動性和積極性。作為任課教師，除了注重基礎理論知識的講授，更要善于引導學生，激發他們的學習興趣，培養他們的創新能力。這就對我們過去以“單純授課”為主的教學方式提出了挑戰。

針對上述問題，將圖形化信號處理設計工具—SPTool引人教學中，利用簡單的指令操作將抽象概念和復雜的公式以圖形化形式加以演示，給學生以直觀的印象，提高了學生的學習興趣和理解能力。在對SPTool介紹的基礎上，結合實例，對在數字信號處理課程教學中的應用進行探討。教學實踐證明，結合SPTool信號處理設計工具的課程教學，在激發學生學習積極性的同時，有效地提高了教學質量。

1 圖形化信號處理設計工具--SPTool

SPTool是MATLAB信號處理工具箱中自帶的交互式圖形用戶界面工具，它提供四個基本的信號處理圖形用戶界面（GUI）程序，它們分別是：（1）信號瀏覽器：用于瀏覽可視化的信號圖像；（2）濾波器設計器：可用于設計和編輯FIR和IIR數字濾波器；（3）濾波器的分析瀏覽器：這個工具主要用于分析濾波器的特性，有幅值響應、相位響應、群延遲和脈沖響應等；（4）頻譜瀏覽器：用于頻譜分析。另外也可以直接用FDATool工具來專門設計和分析FIR濾波器、IIR濾波器等。

2 SPTool在課堂教學中的應用

SPTool在課堂教學中的應用主要體現在將理論教學與圖形演示結合起來，教師在講解公式推導的同時，利用實例演示相應知識點的對應結果，從而更加生動直觀地揭示出公式所包含的物理含義和現象，或者給出數字信號處理的設計方法，克服理論上的空洞講解和學生的一知半解。但是，在肯定輔助教學功能的同時，也要避免簡單的應用而忽視相關的理論知識掌握。下面以濾波器為例，對SPTool在課堂教學中的應用加以探討。例如在講解數字濾波器時，可利用sptool或者FDAtool（Filter Design & Analysis）工具將濾波器的特性以圖形的形勢展示出來，如圖1是巴特沃斯帶通IIR濾波器的幅頻特性和脈沖響應特性，與純理論的講授相比，它更直觀更生動，更能激發學生的學習興趣，使學生更容易理解和接受。

3 SPTool在實踐教學中的應用

SPTool是面向對象的設計方法，設計很方便仿真效果也很好。在實驗教學中的主要優勢是代碼編寫相對比較簡單，易學而直觀。對于高職高專、三本院校學生來說，非常合適采用這種輔助工具來實現綜合實驗的設計。我們知道數字信號處理課程劃分為以下3個重要的部分：時域離散信號部分、信號分析部分和信號處理部分，因此，本文針對以上內容，以一個具體的綜合性實驗為例，利用圖形化設計工具SPTool來實現設計。

該實例主要包括以下過程：①使用sptool來導入和命令一個時域信號；②使用濾波器設計工具FDATool設計一個濾波器；③在sptool中，產生對應的濾波信號；④使用信號濾波器來查看原始信號和濾波信號的時間域信號；⑤使用頻譜分析器來比較信號之間的頻譜差異。具體過程和仿真結果如下：

1.首先在MATLAB Command Window中輸入正弦信號和余弦信號疊加而生成的原始信號，代碼如下：

>> n=0：100；T=0.04；

>> x=sin（2*pi*T*n）+cos（8*pi*T*n）；

>> sptool

2.在SPTool導入原始信號的時域波形，在SPTool中設計IIR巴特波斯帶通濾波器，其幅頻特性如圖1所示，則原始信號通過巴特沃斯帶通濾波器前后的時域波形圖2中a圖所示。

3.為比較兩個信號的頻譜，首先創建一個功率譜密度對象spect1，同樣可創建濾波后的頻譜圖spect2。然后在頻譜列表中使用shift同時選中兩個頻譜，單擊View就可顯示在頻譜瀏覽器中，以比較濾波前后的頻譜變化如圖2中b圖所示。

4 總結

本文筆者從自身的教學經驗出發，總結和研究論證了圖形化信號處理設計工具SPTool在數字信號處理課程教學中的應用。首先，簡單介紹為什么要引入SPTool這個工具以及這個工具的主要功能，讓大家初步認識和熟悉它；其次，通過課堂實例，在多媒體教學中現場圖形演示，展示SPTool在課堂教學中發揮的作用。最后，通過綜合實驗環節，進一步驗證SPTool在數字信號處理課程教學中的重要作用。

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[責任編輯：楊玉潔]