《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)改革研究

熊美英++謝水珍

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.27.070

摘 要：目前《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)面臨的困難主要表現(xiàn)為：概念抽象、公式繁多、公式推導(dǎo)繁瑣、數(shù)學(xué)要求高等，在教學(xué)過(guò)程中增加應(yīng)用背景，并通過(guò)MATLAB語(yǔ)言將抽象理論及處理方法圖示化。實(shí)踐表明，該方法不僅能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握也更加透徹，且學(xué)生的動(dòng)手能力也有明顯提高，總的教學(xué)質(zhì)量有很大提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 教學(xué)方法改革 MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（c）-0070-02

《數(shù)字信號(hào)處理》是電子信息工程及通信工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。它的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了信息與通信工程、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)音、雷達(dá)、導(dǎo)航、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、水聲工程、電氣工程、航空工程、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，數(shù)字信號(hào)處理的作用越來(lái)越突出。

《數(shù)字信號(hào)處理》課程涉及的主要內(nèi)容為：離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、z變換、離散傅里葉變換及其快速算法、經(jīng)典數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等[1，2]。從早期的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于該課程概念比較抽象，數(shù)學(xué)公式繁多，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的畏難情緒比較明顯，學(xué)習(xí)效果欠佳。因此在教學(xué)過(guò)程中首先嚴(yán)抓數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，增加課程應(yīng)用背景，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并引入MATLAB仿真，用簡(jiǎn)單的函數(shù)將抽象的概念和復(fù)雜的公式用圖形的方式演示出來(lái)，使抽象問(wèn)題直觀化，加深對(duì)理論知識(shí)的理解[3]。

1 嚴(yán)抓數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、增加應(yīng)用背景

由于《數(shù)字信號(hào)處理》課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)要求較高，而大部分同學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)并不是很理想，因此在課堂教學(xué)中首先對(duì)重要的數(shù)學(xué)步驟和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，要求學(xué)生一定掌握必要的數(shù)學(xué)方法，直至達(dá)到運(yùn)用自如的熟練程度。

其次，通過(guò)增加應(yīng)用背景來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。興趣是最好的老師，因此，如果能夠讓學(xué)生清晰地了解到所學(xué)習(xí)的數(shù)字信號(hào)處理的有關(guān)知識(shí)和人們?nèi)粘Ｉ畹暮芏喾矫娑际窍⑾⑾嚓P(guān)的，也是今后走上工作崗位的需要，就會(huì)激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課程的興趣和動(dòng)力。另外，《數(shù)字信號(hào)處理》理論具有廣泛的應(yīng)用背景，如在通信方面可應(yīng)用于數(shù)據(jù)加密、可視電話(huà)和擴(kuò)頻通信等，在圖形圖像方面可應(yīng)用于二維三維圖像處理、圖像壓縮與傳輸、動(dòng)畫(huà)與機(jī)器人視覺(jué)等，在自動(dòng)控制方面可應(yīng)用于聲控、自動(dòng)駕駛等，以及其他諸多先進(jìn)技術(shù)方面。如何讓學(xué)生既感受到最新發(fā)展的脈搏，又能饒有興趣地學(xué)習(xí)相對(duì)乏味的基礎(chǔ)理論，成為教學(xué)成敗的關(guān)鍵。這就要求教師盡最大努力將新技術(shù)、新工藝、新材料等注入課程中，讓學(xué)生領(lǐng)略數(shù)字信號(hào)處理的強(qiáng)大生命力，了解其在諸多領(lǐng)域中的重要作用和意義，這樣也會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2 《數(shù)字信號(hào)處理》與MATLAB的結(jié)合

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)，且編程效率高。

《數(shù)字信號(hào)處理》的教學(xué)與MATLAB的結(jié)合主要體現(xiàn)在教師在講解公式推導(dǎo)和基本理論知識(shí)的同時(shí)，用MATLAB將運(yùn)算步驟和結(jié)果以圖示的形式直觀地展現(xiàn)出來(lái)。如要設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯型數(shù)字低通濾波器，設(shè)采樣率為8 000 Hz，fp=2100 Hz，fs=2500 Hz，Rp=3 dB，Rs=25 dB。MATLAB程序如下[4]：

f_N=8000；

f_p=2100； f_s=2500； R_p=3； R_s=25；

Ws=f_s/（f_N/2）； Wp=f_p/（f_N/2）；

[n， Wn]=buttord（Wp，Ws，R_p，R_s）；

[b，a]=butter（n， Wn）；

freqz（b，a， 1000， 8000）

subplot（2，1，1）； axis（[0 4000 -30 3]）

其中用freqz實(shí)現(xiàn)了幅頻、相頻特性作圖。程序運(yùn)行后所設(shè)計(jì)出的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)如圖1所示。從圖中看出，頻率響應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)用MATLAB語(yǔ)言對(duì)數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)進(jìn)行仿真能更直觀地讓學(xué)生了解到知識(shí)的特點(diǎn)，能使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握更加牢固。

3 結(jié)語(yǔ)

《數(shù)字信號(hào)處理課程》理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式多，在教學(xué)過(guò)程中首先嚴(yán)抓數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并多加入理論知識(shí)的應(yīng)用背景尤其是在先進(jìn)技術(shù)方面的應(yīng)用，這樣能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)學(xué)習(xí)。其次將MATLAB語(yǔ)言與數(shù)字信號(hào)處理很好地結(jié)合，能將抽象的理論概念和知識(shí)用生動(dòng)的圖形或動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)出來(lái)，能讓學(xué)生更直觀地理解理論知識(shí)，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。

參考文獻(xiàn)

[1] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2] 胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理導(dǎo)論[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 陳愛(ài)萍.MATLAB在“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，15（3）：92-95.

[4] 邵玉斌.MATLAB / SIMULINK通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.