基于Matlab的高職“數字信號處理”課程教學應用研究

史琳蕓

摘? ?要：基于Matlab與“數字信號處理”課程的契合點，文章提出Matlab應用于高職“數字信號處理”課程教學的具體方法，不僅能促進Matlab軟件的應用，還能提升“數字信號處理”課程教學的有效性。

關鍵詞：Matlab;數字信號處理;課程教學;離散時間

當前計算機技術得到迅猛發展，數字信號處理技術也逐漸成為更加成熟的學科，在不同工程技術領域，特別是一些高新技術領域當中得到了更加廣泛的應用，高等教育的主要目標之一就是培養實用性人才。這種情況下，我國越來越多的院校數學系開始成立信息和計算科學課程。“數字信號處理”課程內容存在一定抽象性，而借助Matlab軟件，能夠促使其理論知識更加形象生動，提升學生學習興趣，同時，也能夠讓學生對其內容掌握得更加牢固。Matlab軟件的功能十分強大，在世界上更多國家科研和工程技術人員開始對其進行應用，經過研究和實踐，將Matlab軟件應用在“數字信號處理”課程教學中，可以借助Matlab的計算仿真功能，提升學生的圖形繪制能力，將實踐和理論進行有機結合，同時，還能夠讓學生真正熟練地操作軟件，起到良好的輔助教學作用[1]。

1? ? Matlab和“數字信號處理”概述

矩陣實驗室（Matrrix Labortory，Matlab）技術是美國在1982年研發出來的，屬于一個相對完整，同時具有可擴展性的數值計算以及可視化軟件，也是一種科學以及工程計算的交互形式語言。Matlab的功能十分強大，學習起來也比較簡單，具有較高的編程效率，其中，還存在信號分析工具箱，技術人員無需擁有極強的編程能力便可以對信號進行處理和分析設計。此外，該內容還是一種有力的教學工具，屬于一種在線性代數，借助自動控制理論和梳理統計理論，對數字信號進行處理，可以應用在動態系統的仿真教學過程中，該內容逐漸成為信息化教學的標準工具。

“數字信號處理”屬于通信專業以及電子技術專業的基礎課程。這一課程主要學習的內容是如何對數字信號進行處理，詳細內容是研究時域離散信號以及系統時域、頻域、離散傅里葉變換及其快速算法、IIR和FIR數字濾波器的設計。該教學課程主要目的是讓學生能夠充分掌握使用離散系統的方法，對連續信號進行處理，同時，借助DFT來針對信號作出詳細分析，對數字濾波器進行科學設計。

2? ? “數字信號計算器”程序設計和功能

為了使數字信號處理課程充分應用Matlab軟件，將兩者進行有機結合，同時對Matlab的強大功能進行展示，在教學過程中編寫了一個具有綜合功能的工具程序，就是“數字信號計算器”，對相關程序進行有機結合，得到一個界面，這樣比較方便帶領學生實驗，對于后續課程的深入探究也起到一定的促進作用[2]。

在數字信號計算器工具界面環境下，教師借助不同交互方式，例如下拉菜單和按鈕、數據輸入框等，可以得到所需要的離散時間序列，和不同單獨程序相比，信號生成參數輸入也相對直觀和靈活。

3? ? Matlab的高職“數字信號處理”課程教學應用

“數字信號處理”課程當中，理論以及結論基本上是借助數字推導來實現的，因此，內容十分抽象，學生理解起來也比較困難。而Matlab語言針對諸如離散性卷積或者循環卷積、抽樣定理等實施間隔采樣，最終實現DFT和數字濾波器設計等，借助Matlab設計，能使上述內容變得可視化，學生理解起來也比較容易。對此，教師在高職“數字信號處理”課程教學期間，借助Matlab結合多媒體教學，能夠為學生展示動態形式的知識內容，讓課程內容更加直觀和生動，課程也相對緊湊，這樣就能夠讓學生加深對上述抽象概念的理解，促使學生能夠深入掌握課程教學當中的基本概念，同時，對一些基本原理的了解也更加深入。與此同時，還能夠極大地激發學生的學習興趣，進而達到事半功倍的教學效果[3]。

3.1? 基本離散時間序列Matlab的實現

一共存在6種基本離散時間序列，分別為單位脈沖序列、單位階越序列、矩形序列、正弦序列、實指數序列、復指數序列，教學過程中，將其編寫生成相應序列Matlab程序，然后根據不同序列程序的運行結果，分析其性質和不同類型之間存在的聯系。例如復指數序列，其Matlab程序如下所示。

與此同時，教師可以引導學生，針對上述程序，選擇不同形式的參數，開展相應實驗，然后獲得相應的結果圖形，對這些結果圖形進行詳細觀察，從中體會其性質。借助這一方式，可以幫助學生深入理解一些相對難以理解的程序序列，并且在一定程度上針對不具備周期性的連續信號之間存在的矛盾、性質等實現輔助教學的目標。

3.2? 離散時間信號基本運算Matlab實現

除了上述6個基本序列之外，為了能夠實現更加復雜的序列，教師在具體教學過程中，可以使用相應基本序列，然后采用相關運算獲得，而這些運算主要包含的內容有加法、乘法、時間偏移和尺度變換有限長信號的周期延拓、折疊和卷積運算等。針對上述內容進行應用，開展運算，可以獲得所需要的不同形式的離散時間序列。為了能夠讓接下來的課程以及實驗得到進一步深化，教師需要針對不同運算均進行Matlab程序編程，同時，提供相應函數，這樣能夠方便使用。與此同時，針對上述運算過程，學生在學習期間，難點在于把握運算的同時還要了解基本課程當中最重要的卷積運算，因此，教師針對這一內容，編寫了相應的演示程序，還可以通過動畫的形式，對具體運算過程進行展示，從而讓運算過程變得更加生動形象，借助多媒體形式，使學生對這些內容的理解更加容易，學生掌握更加牢固[4]。

3.3? 應用FFT對信號進行頻譜分析

教師利用Matlab軟件對課程內容進行仿真編程，能夠提升學生對FFT的頻譜分析的認識，促使課堂內容變得更加生動易懂，教師講解期間，課堂也變得更加生動，去除以往空洞講解的弊端，促使知識理論更具可信度。如借助FFT對其進行頻譜分析，而抽樣的點數分別選擇N=16，32及64。

針對三角波信號公式如下：

3.4? 數字濾波器的實現

在對數字濾波器進行具體設計過程中，對數字信號進行處理十分重要，但是教學過程中，有一些內容中存在較多公式，在具體計算期間，程序比較繁瑣，同時獲得的數值結果幅頻特點不是十分直觀。教師為了提升學生的學習興趣，可以使用Matlab軟件實現數字濾波器功能。

例如，教師可以結合以下技術指標，通過雙線性變換方式，設計相應的數字低通濾波器，將采樣的頻率設置為1 Hz，而通帶臨界頻率設置為fp=0.2 Hz，其中，通帶衰減需要控制在1 dB以內，將阻帶臨界頻率控制在fs=0.3 Hz，要求阻帶衰減在25 dB以上。

對數字信號進行處理過程中，針對材料設計方式，先要將數字濾波器的性能要求進行變化，形成與之相對應的模擬低通濾波器的性能要求，然后結合這一性能要求，對模擬低通濾波器進行設計，結合雙線性變換方式，對這一模擬低通濾波器數字化進行轉換，形成數字濾波器。在實施過程中，每一步的計算量均相對較大，所得的結果也不是十分直觀，而借助Matlab進行編程，所得仿真結果更加直觀和形象，容易理解和分析[5]。

3.5? 泄漏現象處理

若連續信號x（t）時域無限長，離散之后的序列x[k]同樣也會隨之無限延長，應當對其進行加窗截短處理，促使其成為有限長序列，只有這樣才能夠實現DFT分析。因為x（t）=cos2πft，f=200 Hz，而抽樣頻率是fsam=600 Hz，以此為基礎進行信號的抽樣處理，此后借助N=32和64的矩形窗，對其分別進行截短，對N點截短信號進行補0之后，要實施512點DFT分析。

4? ? 結語

當前，計算機技術得到迅猛發展，多媒體技術在課程教學中發揮著越發重要的作用。為了使知識順利傳授，讓學生深入掌握所學知識，培養出技術能力較強的人才，教師需要盡量掌握更多的教學方式和教學手段，在“數字信號處理”課程教學過程中，教師可以對課程進行深入分析和探究。希望可以通過這一方式，和相同領域的專家以及教師之間相互交流和學習，充分發揮Matlab軟件的優勢，對其進行科學應用，提升課堂有效性，使學生對所學知識掌握得更加牢固。

[參考文獻]

[1]劉芳.基于Matlab的“數字信號處理”課程教學改革與方法研究[J].科技展望，2014（12）：7-8.

[2]孔令杰.Matlab在數字信號處理實驗教學中的應用[J].牡丹江大學學報，2014（9）：180-182.

[3]黃同，李娣娜.Matlab在獨立學院數字信號處理教學中的應用和實踐[J].太原城市職業技術學院學報，2012（8）：135-137.

[4]劉媛媛，李士軍，徐艷蕾.Matlab在“數字信號處理”課程教學中的應用[J].產業與科技論壇，2015（16）：203-204.

[5]羅麗平，李學易.基于Matlab的數字信號處理綜合課程設計探討[J].廣西民族大學學報（自然科學版），2012（1）：96-98.

Abstract：Based on the conjunction of Matlab and “Digital Signal Processing”， this paper puts forward the specific method of applying Matlab to the teaching of “Digital Signal Processing” in higher vocational colleges， which can not only promote the application of Matlab software， but also enhance the effectiveness of the teaching of “Digital Signal Processing”.

Key words：Matlab; Digital Signal Processing; course teaching; discrete time